CPLD技术在时差法超声波流量计中的应用

中文摘要:

  研究了多通道时差法超声波流量计的测量原理，介绍 了流量计系统的硬件组成和实现方法， 概述了软件功能和 软件流程设计。采用CPLD+AVR 单片机实现高精度计时、复 杂逻辑控制以及采样控制和多机通讯， 以提高流量计测量 系统的精度和稳定性。

英文摘要：

  The measurement principle of the time difference method of the multi-channel ultrasonic flowmeter is presented. The hardware structure and realization method are introduced. The software function and work mode are overviewed. In order to enhancing flowmeter ' s precision and stability, CPLD and AVR microprocessor are applied in high precision timing, complex logical control, sampling control and multi-meter communication.

1 概述
     时差法超声波流量计由于精度高，换能器结构简 单，不影响流体流动形态而被广泛应用。本设计中的 超声波流量计是一套由计算机控制的多通道时差法 超声波流量测量系统，可用于测量多个通道液体流 速、瞬时流量和累计流量。 设计中采用了ALTERA 公司生产的大规模复杂 可编程逻辑器件（CPLD）：MAX7000S 系列EPM7128S。 为了提高测量精度和稳定性，利用CPLD 大规模复杂 可编程特点，在逻辑电路中设计了发射波抑制电路、 激励脉宽可电调整电路和数字倍频计数器电路。发射 波抑制电路有效地抑制了发射激励波的干扰；激励脉 宽可电调整电路能够方便地适配不同特性探头对激 励脉宽的要求；数字倍频计数器电路提高了计时精 度。由于CPLD 高速、高稳定性、高可靠性和现场可编 程的特点，大大提高了超声波流量计测量系统的精度 和可靠性。 主机使用新型高性能、低功耗、RISC 结构、内载 FLASH 的AVR 单片机AT90S8515。8515 带有一个全 双工的通用串行异步收发器，可方便的与多台仪表进 行通讯，从而实现分布式测量系统。 EPM7128S 内部还设计有AT90S8515 的外扩总 线、译码电路和输入输出等接口。8515 以外扩RAM的 访问形式操作EPM7128S 内部所有资源，进行通道切 换、控制采样过程、读取键盘等操作。
3.1 流量计主机硬件设计
     在设计中，微处理器采用ATMEL 公司高性能 AVR 单片机AT90S8515，芯片内可下载的FLASH 存 储器可通过SPI 串行接口对程序存储器进行系统内的 重新编程。 主要功能如下： ⑴人机接口：系统参数设置和存贮，液体流速、瞬 时流量和累计流量显示，出错报警。 ⑵通讯接口：利用RS485 通讯接口与上位机通 讯。例如：修改参数、回传测量值、监控工作状态等。 RS485 接口可与PC 计算机实现点对多点通讯，组成 多达8×128 点的流量测量系统。
5 CPLD 时序控制逻辑电路原理设计
     CPLD 是新型可编程逻辑器件。其编译环境是 MAX+PLUS Ⅱ。在本设计中，我们采用的具体型号是 MAX7000S 系列器件EPM7128SLC84- 15。 ⑴ 计时电路的精度 本设计中的流体流速小于10m/s， 声程按照 300mm计算，声速为1500m/s，通过公式可以算出最大 传播时间差大约为2 us 左右。在CPLD 内设计有倍频 电路，计数时钟频率选100MHz，因而得到相当于 200MHz 的计数频率，分辨率达到1/400，满足设计精 度要求。