基于STM32 和FPGA 的多参数四声道超声波流量计

李淼淼 祝冉冉 孙朝阳

（安徽理工大学电气与信息工程学院 安徽省淮南市 232000）

流体参数包括体积流量、密度、质量流量等，实验研究与工业生产中通常需要精确的测量出这些参数的值。对于流体的各个参数而言，都有一些对应的测量仪器，如密度计、流量计、质量流量计。流量计作为检测流量的计量工具，在天然气传输、居民日常用水、燃气、石油、医学监测、冶金造纸、化学化工等领域得到了广泛的应用，也一直都是自动化流量检测的重点研究对象。传统计量工具往往只能对流体的单个参数进行测量并显示，本设计采取STM32 芯片和FPGA 芯片为控制核心，对流体的多个参数进行测量，满足用户对多个测量参数进行综合分析的需要，同时单片机和FPGA 的优缺互补保证测量的较高精度。

对于流体各参数测量的方法有多种，如电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等测体积流量；利用热量、马格努斯效应、角动量等测量质量流量；振动式密度计、浮子式密度计、超声波密度计等测量密度。本文选用超声波技术对三个参数分别用相应的方法进行测量，超声波技术测量精度较高、测量范围较广，且安装较灵活。超声波是指振动频率高于20KHZ 的机械振动，其本身具有指向性好、能量集中、穿透力强等特点，且有光的反射、折射的特点，从测量方法上相比较，超声波测量技术不同被测介质直接接触，不受介质的温度、气压等参数的影响，可实现测量的非接触性和连续性。

本文采用STM32和FPGA的数据采集、计算及显示系统，通过安装在系统中的换能器实现对体积流量、密度和质量流量参数的测量，并直观地显示在显示屏上，使得流体参数的测量更加灵活、精确、方便。

1 多参数超声波流量计工作原理

1.1 测量原理

传播速度差法、多普勒法等是超声波流量计常用的测量方法。本流量计采用传播速度差法中的时差法，如图1 所示，在流体中，当上下两个换能器各自发射超声波时，声波与流体将会形成顺流和逆流两种现象，利用两种情形产生的传播时间差来计算流体的速度和体积流量，之后利用超声波的速度与、密度之间的关系计算流体密度值，对于质量流量，通过计算体积与密度的乘积可得。

图1： 时差法测量原理

1.2 体积流量测量

图1 中，超声波从换能器1 传播到换能器2 是顺着液体流向传播，传播时间为t，超声波从换能器2 传播到换能器1 则为逆流传播，传播时间为t。设超声波的静水速度为c，流体流速为v，流体管道的直径为D，2 个超声波换能器与流体流动方向的夹角为θ，则有：

1.3 流体密度测量

对于液体介质,超声波几乎只以纵波的形式传播，且在传播距离一定时，超声波传播时间与液体的密度具有一定的相关性。 超声波在介质中传播速度用c 表示，它是单位时间内超声波等相位面所通过的距离。超声波在液体中的速度与液体的密度存在以下关系：

1.4 质量流量测量

质量流量测量方式主要有直接式和间接式两种。本设计采用间接式的测量方法，基于已测得的体积和密度，利用质量、体积和密度三者关系计算可得质量流量为：

2 系统总体方案设计

由参数测量原理中各参数的表达式可得，在管道直径D、夹角θ 已知的情况下，只需测得超声波的顺流传播时间t和逆流传播时间t，便可求得流体的体积流量、密度及质量流量三个参数，因此本方案设计时主要考虑对时间的测量。

2.1 声道选择

根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计。单声道指仅由一对换能器组成的声道，单声道结构简单、使用方便，但其对流体形态分布变化的适应性较差，测量结果的精度不容易控制。多声道是指多对超声波换能器工作时，超声波的发射接收路径构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流体参数因不同分布引起的变化适应能力强，测量精度更高。

工业生产中，既要考虑超声波流量计的精度，又要考虑超声波流量计的生产成本。而每增加一个声道，虽然精度会有所提高，但是成本也不可避免的增加。一般的，单声道超声波流量计的精度在1.0%左右，三声道的精度在0.4%左右，五声道的精度可以达到0.3%左右。常见的多声道一般是双声道、四声道、六声道等。经过实验分析，当声道数量超过四个后，测量精度并不会明显提高，结合设计成本、设计难度、硬件电路等多方面因素，本文选用四声道测量，采用如图所示的交叉布置换能器。共安装四对超声波换能器，每一个换能器不仅能发射超声波，也能接收超声波，根据时差法每个声道可测得一组数据，每组数据包括顺流数据和逆流数据，因此根据每对超声波都可单独计算得出一个体积流量数据。如图2，换能器两两平行，每对换能器安装时与流动方向之间角度和两个换能器的距离相同，每对换能器间超声波发送会形成通道，图中将此通道表示为灰黑色阴影，管道外部黑色部分为换能器，数字为换能器标号，相同标号的换能器为一对。按照如此方式的换能器放置，每对工作参数（θ、D）相同，测得的数据无需加权平均，直接计算平均时间来减少误差即可。此种换能器放置方式可以多角度测量流量，减少了液体上下方位流速不同产生的误差。

图2： 四声道超声波流量计换能器放置

2.2 存储控制系统选择

本设计的多声道测量要求对来自各声道的多路超声波信号同时采集，因此数据采集的速度和同步性直接影响着超声波检测的精度和可靠性。现场可编程门阵列FPGA（Field-Programmable Gate Array）是在CPLD 等可编程器件的基础上发展来的，编程灵活性高，内部有大量的触发器以及I/O 管脚，并行处理速度快，STM32 系列单片机功耗低、成本低，且指令集精简；STM32 与FPGA 相结合可以将性能互补，降低硬件电路的复杂程度，从而提高系统的稳定性。系统可以实现多通道超声波数据的同步采集，且可以提高采集的数据精度和准确性。

通过FPGA 和AD9754 配合的方式产生高精度的正弦波激励信号，将功率进行放大后再去激励超声波换能器，超声波换能器的信号收发形式可由继电器切换开关切换，超声波顺流以及逆流传播之间的时间差由CPLD 内部的高精度计时器来记录。

2.3 系统总体结构

综上，本流量计采用以STM32 与FPGA 为核心控制器件的设计方案。如图3 所示，方案分为几大主要模块：信号采集模块，数据处理模块，单片机控制模块，显示模块。其中信号采集模块包括A/D 转换电路以及在将信号送入A/D转换前的调理电路，信号的调理包括将信号进行滤波和放大。数据处理模块主要为FPGA 芯片、换能器驱动电路，信号进行A/D 转换后送入处理模块进行处理。单片机控制模块主要为STM32 芯片和按键电路，单片机控制FPGA 进行数据处理，处理后的数据送入STM32，由其送入显示电路进行显示。按键电路可以实现显示屏的清空，参数显示选择等。

图3： 总体方案结构图

3 硬件系统设计

硬件系统电路组成及工作流程如图4 所示。信号采集模块主要由滤波电路、放大电路、AD 转换电路组成。信号处理模块主要由FPAG 芯片、AD9754 电路、DA 转换电路、功率放大电路和通道切换电路组成。单片机控制模块主要由STM32 芯片、复位电路、时钟电路和按键电路组成。显示模块主要为LCD 显示屏。

图4： 硬件电路工作流程图

具体工作过程如下:超声波换能器分为A、B 两组，四对换能器中的每一对换能器的其中一个组成一组；通道的选择、换能器超声波的发送与接收由FPGA 控制，当STM32单片机发出数据采集信号时，由于多个通道产生多路信号，FPGA 首先进行通道选择，之后和AD9754 电路共同产生高精度正弦信号激励换能器发送或接收超声波，对信号进行滤波和放大后送入A/D 转换电路，FPGA 同时需要控制AD 芯片对信号进行转换；将多路信号采集缓存后送入单片机，STM32 对数据进行计算分析，得出结果送入LCD 显示，LCD 由STM32 控制，按键电路接入STM32，按键按下可控制参数的显示。

本设计未采用FPGA 内部的正弦信号发生器，为获得较高精度正弦波信号，在STM32 将激励信号的信息送给FPGA 后，对FPGA 进行设置，使其输出离散信号，AD9754 将这些离散信号转换成连续的正弦信号，然后利用滤波器将信号中的分量滤除以得到光滑正弦波曲线。在换能器分组方面，如图2，假设液体从上方进入，A 组为侧视图1 中的上方的4 个换能器，B 组为下方的4 个换能器。A 组换能器发送超声波B 组接收时，超声波顺流传播，反之则逆流传播，如此，在进行通道控制时可通过控制A、B 组换能器工作来控制顺流、逆流时间的测量。

4 软件部分

4.1 软件设计

软件部分主要对FPGA 和STM32 进行编程控制，软件流程图如图5。系统上电后，对FPGA、STM32、LCD 等进行初始化，包括各芯片参数清零、时钟设置以及系统自检。之后由STM32 发出数据采集信号，控制FPGA 工作，FPGA控制通道，进行顺流时间和逆流时间测量，将其分别保存到FPGA 内部的两片SDRAM 中，之后数据送入STM32 中进行时间差、积的计算，根据第一节所介绍各参数测量原理对STM32 编程计算各参数，结果送入LCD 显示子程序显示。

图5： 软件程序流程图

4.2 测量精度

首先本设计采用的FPGA 芯片，其内部具有高精度的CPLD 计时器，在计时方面的精度已经得到了保证；其次，在进行超声波驱动时，本设计采用AD9754 芯片以及滤波电路来产生光滑的正弦激励信号，以此来保证超声波波形的高频稳定。再接着与时间测量相关则是时间采样，采样包括超声波的频率以及A/D 转换芯片的精度，而A/D 转换分辨率越高、超声波信号频率越高，测量的超声波传播时间精度越高。FPGA 高速计算缓存的性能将超声波的高频率得以保存，因此本设计采用较高精度的A/D 转换芯片来进行采样即可保证较高精度的测量时间。

5 总结

本文设计了一种以FPGA 和STM32 为主要控制的四声道多参数超声波流量计。该流量计根据时差法测量原理测得体积流量，然后根据密度、质量流量与体积流量关系计算得出各参数。本设计采用的四声道设计虽降低了不同位置、单一参数的误差度，但由于各通道在进行超声波发射时交于一点，各信号间会产生干扰而降低测量的准确性，但此种方式简化了软件部分的算法。FPGA 芯片、AD9754 以及高精度的芯片可使得测量保持较高的精度，但未考虑温度的影响，结构的可靠性有待提高。