基于FPGA的时差法超声波气体流量计的研究与实验验证

发布时间：2017-06-01 19:12

  本文关键词：基于FPGA的时差法超声波气体流量计的研究与实验验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 最近十几年以来,随着高速数字信号的处理技术与微处理器技术的迅速发展,随着新型探头材料与工艺的研究,随着声道配置及流体动力学的研究,超声波流量测量技术取得了长足的进步,并且成为一种重要的流量测量技术。超声波流量测量技术也开始被应用于天然气流量检测,于是产生了一种新兴的气体流量仪表—超声波气体流量计。超声波气体流量计具有测量精度高、体积小、能耗低、无压力损失、寿命长以及安装使用方便等显著优点。 本论文采用现场可编程门阵列(FPGA)设计了一种时差法超声波气体流量计。系统硬件电路为单片机+FPGA结构,它摆脱了采用传统分离器件设计的不易更改性和不稳定性,提高了系统的测量精度和稳定度,同时利用FPGA的可编程特性,很高的工作频率以及丰富的内部资源设计了包括高速计数器在内的数字信号处理模块,结合其它一些措施,达到了对气体流量进行高精度测量的目的。主要工作及创新有: 1)研究了各种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理,对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究;通过利用有限元方法和ANSYS软件开展有限元分析,并且根据流体力学及物理学的有关知识,对超声波流量计算公式进行了修正,并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式; 2)对整个系统硬件电路进行了研究,包括FPGA的硬件设计,关键功能模块描述,完成了单片机的硬件电路的设计,调试; 3)本文给出了软件相应的设计图,关键部分的总体流程图; 4)进行了实验研究,并且对影响流体流量测量的各种因素进行了仔细的分析、研究。
【关键词】：超声波流量计 时差法 现场可编程门阵列(FPGA) 微控制器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH814
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 超声波流量计的发展和现状11-12
• 1.3 超声波流量计的分类12-16
• 1.3.1 传播时差法12-13
• 1.3.2 多普勒法13
• 1.3.3 相关法13-14
• 1.3.4 噪声法14
• 1.3.5 波束偏移法14-15
• 1.3.6 卡门涡旋法15-16
• 1.4 论文的主要研究内容16-17
• 第二章 时差法超声波流量计的理论研究17-28
• 2.1 时差法测量原理17-18
• 2.2 流量计算方程的优化18-23
• 2.2.1 利用有限元方法和ANSYS 软件开展有限元分析18-23
• 2.2.2 流速分布修正系数23
• 2.3 超声波换能器23-28
• 2.3.1 超声波换能器的结构和工作原理23-25
• 2.3.2 超声波换能器的选择25-26
• 2.3.3 换能器的安装26-28
• 第三章 系统硬件电路的设计和实现28-46
• 3.1 系统硬件电路的总体设计28-30
• 3.1.1 超声波流量计的总体结构28-29
• 3.1.2 系统工作原理及流程29-30
• 3.2 系统硬件电路的模块设计30-43
• 3.2.1 微控制器模块30-31
• 3.2.2 超声波发射模块31-33
• 3.2.3 超声波接收及后续处理模块33-39
• 3.2.4 发射/接收切换电路39
• 3.2.5 实时时钟、看门狗及数据存储模块39-41
• 3.2.6 液晶显示模块41-42
• 3.2.7 键盘模块42
• 3.2.8 电源模块42-43
• 3.3 印刷电路板的设计43-46
• 第四章 基于FPGA 的数字系统设计46-58
• 4.1 FPGA 和CPLD 技术46-50
• 4.1.1 FPGA 与CPLD 的差异及芯片选择46-48
• 4.1.2 FLEX10K 的内部结构及特点48-49
• 4.1.3 FLEX10K 系列器件的配置与下载49-50
• 4.2 基于EDA 软件的FPGA 开发设计50-52
• 4.2.1 FPGA 的设计开发流程50
• 4.2.2 集成开发环境QuartusⅡ50-51
• 4.2.3 Verilog HDL 语言51-52
• 4.3 FPGA 内部模块设计52-56
• 4.3.1 高速计数器模块52-55
• 4.3.2 时钟信号模块55-56
• 4.3.3 逻辑控制模块56
• 4.4 FPGA 的接口电路设计56-58
• 第五章 系统软件设计58-67
• 5.1 系统软件整体结构及功能58-59
• 5.2 主要功能模块的设计59-67
• 5.2.1 系统主程序模块59-60
• 5.2.2 中断服务程序模块60-62
• 5.2.3 计算模块62-63
• 5.2.4 数据存储模块63-64
• 5.2.5 显示模块64-67
• 第六章 实验研究及误差分析67-81
• 6.1 零流量下的相关实验67-69
• 6.1.1 换能器收发信号波形实验67-68
• 6.1.2 过零检测68
• 6.1.3 零流速检测68-69
• 6.2 实时流量实验69-73
• 6.2.1 实验方法69-70
• 6.2.2 超声波气体流量计实验结果及分析70-73
• 6.3 误差分析73-78
• 6.3.1 管道直径D 的影响74
• 6.3.2 固有延迟τ的影响74
• 6.3.3 测量时差Δ_t 的影响74-75
• 6.3.4 参数t_0 的影响75
• 6.3.5 流量修正系数K 的影响75-78
• 6.4 关于系统设计的讨论78-81
• 6.4.1 关于提高超声波流量计测量精度的建议78-79
• 6.4.2 关于设计家庭适用超声波流量计系统的建议79-81
• 第七章 总结81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-86
• 附录86-92
• 在学期间的研究成果92-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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3 陈波,尹成群,范寒柏;EDA技术在电子设计中的应用[J];电力情报;2002年01期

4 宁晨,顾宇,周康源,陈昕;新型高精度超声波流量计的设计[J];声学技术;2003年04期

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中国硕士学位论文全文数据库 前2条

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2 陈学永;超声波气体流量计[D];天津大学;2004年

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本文编号：413290