超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)超聲波流量計(jì)仍然存在著波形檢測(cè)不準(zhǔn)確，到達(dá)時(shí)間檢測(cè)不，運(yùn)行速度慢等缺點(diǎn)[71][72]。本文根據(jù)以上幾點(diǎn)，提出以下幾個(gè)方案并進(jìn)行實(shí)施。，針對(duì)波形信號(hào)檢測(cè)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，提出了雙閾值和周期相結(jié)合的邊沿檢測(cè)算法，提高了波形信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確度[73][74]。第二，針對(duì)到達(dá)時(shí)間檢測(cè)不的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的脈沖計(jì)數(shù)算法以實(shí)現(xiàn)在同等的硬件條件下的高精度的時(shí)間檢測(cè)[75][76]。經(jīng)過(guò)計(jì)算（第四章節(jié)將詳細(xì)介紹），超聲波到達(dá)時(shí)間精度***好達(dá)到 MHz 級(jí)別，那么就要求參考計(jì)時(shí)脈沖頻率達(dá)到 GHz 級(jí)別，那么計(jì)數(shù)器的位數(shù)必然很大，消耗更多的內(nèi)部資源[77][78]。本文確定的脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)量傳播時(shí)間，通過(guò)邊沿檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)在不增加計(jì)時(shí)脈沖頻率的情況下來(lái)提高測(cè)時(shí)精度[79][80]。第三，針對(duì)運(yùn)行速度慢的缺點(diǎn)，提出了單片機(jī)和 FPGA 相結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，其中 FPGA 有較高的晶振頻率并采用的是并行處理結(jié)構(gòu)，在高速信號(hào)接收和高速的信號(hào)處理方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，采用 FPGA 作為信號(hào)接收和處理的芯片。
而單片機(jī)有大量的數(shù)據(jù)線和地址線，可以實(shí)現(xiàn)與其它硬件相結(jié)合，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片。因此，采用單片機(jī)作為發(fā)射和接收超聲波信號(hào)電路轉(zhuǎn)換、與 PC 機(jī)之間的串口通信的芯片。下面，本文就到達(dá)信號(hào)檢測(cè)算法和到達(dá)時(shí)間檢測(cè)算法進(jìn)行具體的介紹?？紤]本文是基于 C8051F122 為主控芯片和和以 FPGA 為檢測(cè)芯片的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)的，因此本文的超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)的整體方案可設(shè)置為如圖 3.1 所示。
圖 3.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 3.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖中可以看到，整體系統(tǒng)分為：C8051F122 的控制芯片作為藍(lán)牙通信和上位機(jī)通信，換能器驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)接收處理電路，通道切換電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路，D/A 轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA 信號(hào)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理和上位機(jī)連接等的主控芯片。FPGA 系統(tǒng)主要有高速數(shù)據(jù)采集，通道切換控制，正弦信號(hào)發(fā)生器和數(shù)據(jù)處理等部分組成。

1 超聲波信號(hào)發(fā)送模塊。如圖 3.1 所示，

FPGA 的正弦信號(hào)發(fā)生模塊經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換電路以輸出正弦信號(hào)，再經(jīng)過(guò) FPGA 的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)生電路進(jìn)行選擇。順流時(shí)的信號(hào)從換能器 A 發(fā)出，換能器 B 接收；逆流時(shí)的信號(hào)從換能器 B 發(fā)出，換能器 A 接收。
2 接收信號(hào)處理模塊。超聲流量計(jì)中的超聲波發(fā)出后經(jīng)過(guò)流體后幅值會(huì)大幅度衰減，因此接收信號(hào)的電路中有信號(hào)放大電路。由于超聲波在傳播過(guò)程中伴隨著噪聲，因此接收信號(hào)的電路中有濾波電路。
3 傳播時(shí)間的測(cè)量。超聲波傳輸信號(hào)時(shí)間測(cè)量分為順、逆流傳播時(shí)間測(cè)量。傳播時(shí)間是從超聲波發(fā)射時(shí)刻到超聲波接收時(shí)刻之間的時(shí)間，本文設(shè)置發(fā)射電路連續(xù)發(fā)送 8 個(gè)正弦波信號(hào)作為超聲波的發(fā)射信號(hào)，接收到的信號(hào)進(jìn)行硬件濾波和軟件濾波后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，得到超聲波的到達(dá)時(shí)間。

4 FPGA 模塊。實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的發(fā)射和高速信號(hào)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的主要處理部分。C8051F122 模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)，上位機(jī)通信和藍(lán)牙通信，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1、超聲波流量計(jì)高精度算法：

本文研究的超聲波流量計(jì)是應(yīng)用于農(nóng)田水渠的環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)捕獲的信號(hào)具有十分重要的作用。這些信號(hào)的主要特點(diǎn)是：瞬時(shí)性、數(shù)據(jù)變化速率高、數(shù)據(jù)量龐大、處理過(guò)程復(fù)雜。為了能夠完整、準(zhǔn)確地捕獲超聲波流量計(jì)的信號(hào)和及時(shí)處理信號(hào)，本文需要的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具有迅速連續(xù)采集和存儲(chǔ)的功能，并且保持持久穩(wěn)定的高效傳輸性。本文采用的單片機(jī)具有可編程的晶振，交叉開(kāi)關(guān)的 I/O 引腳、功能強(qiáng)大、可以保證時(shí)序控制、運(yùn)行速度較快、可外接多個(gè)硬件電路等特點(diǎn)，因此采用 C8051F122 作為其核心控制模塊。
本文采用的 FPGA 芯片具有并行處理特點(diǎn)，具有捕獲信號(hào)和迅速處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此采用 FPGA 作為信號(hào)檢測(cè)和處理的芯片。不僅如此，流量計(jì)的接收模塊很容易接收到外部環(huán)境、內(nèi)部電路等噪聲信號(hào)。因此，提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，必須要做好兩點(diǎn)工作：一是捕獲超聲波信號(hào)，確定到達(dá)時(shí)間。二是正確的處理超聲波噪聲信號(hào)以確?；夭ㄐ盘?hào)的準(zhǔn)確性，達(dá)到獲得超聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。下面就如何獲取準(zhǔn)確的超聲波信號(hào)和檢測(cè)準(zhǔn)確的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行介紹和分析。

2、信號(hào)捕獲算法：

模塊設(shè)計(jì)方案：FPGA 的 8 通道的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后，再經(jīng)過(guò) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后將超聲波換能器的聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。單片機(jī)通過(guò)前期數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)度和周期自調(diào)當(dāng)前的采集信號(hào)周期。信號(hào)采集的算法是基于超聲波流量計(jì)回波信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)置的。超聲波的發(fā)射是基于單片機(jī)的定時(shí)開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的，因此超聲波的發(fā)射時(shí)間可以準(zhǔn)確的得到。
超聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間的檢測(cè)是超聲波流量計(jì)的研究的重點(diǎn)。在查閱大量文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)以往的算法都是根據(jù)閾值法檢測(cè)超聲波，算法的原理是設(shè)定一定的閾值 A，通過(guò)比較檢測(cè)到的信號(hào)的幅值與 A 相比，一旦大于閾值 A，則認(rèn)為超聲波信號(hào)已經(jīng)到來(lái)，進(jìn)行信號(hào)的捕獲與處理，如圖 3.2 所示。閾值算法在一般情況下比較適用，有些情況下則不太適用。比如說(shuō)，在超聲波信號(hào)到來(lái)之前，噪聲信號(hào)的幅值大于閾值 A，本文就認(rèn)為超聲波信號(hào)已經(jīng)到來(lái)，一旦對(duì)判斷錯(cuò)誤的超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，那么測(cè)量結(jié)果肯定存在誤差。本文在此基礎(chǔ)上提出了，雙閾值算法與周期算法相結(jié)合的算法。
圖 3.2 傳統(tǒng)捕獲算法示意圖

圖 3.2 傳統(tǒng)捕獲算法示意圖

因此本文采用的算法是雙閾值與周期相結(jié)合算法如圖 3.3 所示，

A0 是過(guò)零檢測(cè)脈沖信號(hào)，

A1 是較小的幅值檢測(cè)脈沖信號(hào)，

A2 是較大的幅值檢測(cè)脈沖。根據(jù)圖 3.3，發(fā)現(xiàn) A0 信號(hào)是根據(jù)接收的信號(hào)與 0 相比得到的，高于 0 的信號(hào)被置高，低于 0 的信號(hào)被置低，

A0 就是判斷振幅正負(fù)的信號(hào)，并且圖 3.3 中 t1、t2 就是兩個(gè)到達(dá)的超聲波信號(hào)的周期。A1，

A2 是兩個(gè)幅值檢測(cè)信號(hào)，

A1，

A2 的建立標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)信號(hào)的幅值高于 A1 或高于 A2 則置低，否則置高，與周期比較的A0 建立標(biāo)準(zhǔn)正好相反。在單片機(jī)捕獲信號(hào)的時(shí)候，只需要檢測(cè) t1,t2 時(shí)間長(zhǎng)度是否符合超聲波的周期，檢測(cè) A1，

A2 是否滿(mǎn)足，當(dāng) A1 次為低平信號(hào)時(shí)，

A2 為高電平信號(hào)。當(dāng) A1 第二次為低電平信號(hào)時(shí)，

A2 也為低電平信號(hào)。同時(shí)滿(mǎn)足這幾個(gè)條件的信號(hào)就是接收到的初始超聲波信號(hào)。

圖 3.3 雙閾值與周期相結(jié)合的算法示意圖

3、高精度測(cè)時(shí)算法：

要想提高超聲波流量計(jì)測(cè)量精度，必須提高檢測(cè)到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確性。脈沖計(jì)數(shù)法是計(jì)算超聲波到達(dá)時(shí)間***基本的方法，適合測(cè)量頻率較低的待測(cè)信號(hào)的。但是脈沖計(jì)數(shù)法因?yàn)槠錅y(cè)量精度的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足高精度測(cè)量的要求，因此人們?cè)谔幚泶朔N計(jì)數(shù)方式都采用將誤差量化并將量化誤差變小，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。脈沖計(jì)數(shù)法是用參考時(shí)鐘來(lái)量化待測(cè)時(shí)間，脈沖計(jì)數(shù)法是一種粗測(cè)時(shí)方法，它的精度取決于計(jì)數(shù)脈沖的頻率的大小，當(dāng)頻率大時(shí)，脈沖分辨率就高，測(cè)時(shí)精度也就越高。工作原理如圖3.4 所示，待測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度為xT ，參考時(shí)鐘周期為0T ，脈沖數(shù)為0N ，那么計(jì)算得到的待測(cè)時(shí)間為： x0 0T ?N T （3.1）實(shí)際待測(cè)時(shí)間為： x0 0T ?N T ? ?T （3.2）
圖 3.4 脈沖計(jì)數(shù)法
圖 3.4 脈沖計(jì)數(shù)法
從上面的公式可以看出，脈沖計(jì)數(shù)法的測(cè)量誤差為 ?T ，由圖 3.4 可以看出參考時(shí)鐘周期0T會(huì)影響測(cè)量到達(dá)時(shí)間的精度。從減少計(jì)算得到的時(shí)間和實(shí)際待測(cè)時(shí)間 ?T 的方面著手，方法大致分為兩大類(lèi)。

（1）提高參考時(shí)鐘本文采用的超聲波頻率達(dá)到 KHz 級(jí)別，因此時(shí)鐘頻率必須達(dá)到 MHz 以上，F(xiàn)PGA 的內(nèi)部晶振達(dá)到 MHz 級(jí)別，內(nèi)部有 PLL（鎖相環(huán)路）分頻倍頻設(shè)置***多可以達(dá)到 100MHz，但是參考時(shí)鐘越高，電磁干擾越大，硬件要求越高，因此本文將頻率設(shè)置為 50MHZ。

（2）轉(zhuǎn)化量化誤差 ?T 轉(zhuǎn)化量化誤差 ?T 的方法比較多，比如游標(biāo)內(nèi)插法、相位關(guān)系轉(zhuǎn)化法。通過(guò)某些物理量與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系來(lái)測(cè)量誤差 ?T ，或者將量化誤差 ?T 進(jìn)行二次量化。這里主要介紹下二次量化的算法—游標(biāo)內(nèi)插法。游標(biāo)內(nèi)插法是基于游標(biāo)卡尺測(cè)量原理設(shè)計(jì)出來(lái)的，首先設(shè)置兩個(gè)周期相差較小的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)頻率相差很小的參考時(shí)鐘之間的周期差作為測(cè)量待測(cè)時(shí)間的***小基本單位，通過(guò)類(lèi)似游標(biāo)卡尺中的“主尺”和“游標(biāo)尺”來(lái)進(jìn)行測(cè)量。具體工作原理如圖 3.5 所示。

圖 3.5 游標(biāo)卡尺法

4、高精度測(cè)時(shí)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

邊沿檢測(cè)算法是將檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)設(shè)置在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)是否同步。如果檢測(cè)到的信號(hào)與參考信號(hào)不同步時(shí)，則繼續(xù)檢測(cè)，直到檢測(cè)到同步信號(hào)為止。通過(guò)此種計(jì)算方法可將誤差轉(zhuǎn)換到參考時(shí)鐘的周期的整數(shù)倍。本文將此種邊沿檢測(cè)算法運(yùn)用到超聲波流量計(jì)的信號(hào)的檢測(cè)中，將得到更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。那么基于 FPGA 的超聲波信號(hào)的邊沿檢測(cè)過(guò)程是：C8051F122 發(fā)射超聲波脈沖的同時(shí)，同時(shí)啟動(dòng) FPGA 進(jìn)行超聲波傳播計(jì)數(shù)和發(fā)射次數(shù)計(jì)數(shù)。
超聲波傳播時(shí)間是將參考時(shí)鐘周期乘以傳播計(jì)數(shù)的次數(shù)，發(fā)射計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)了總的傳播時(shí)間內(nèi)超聲波發(fā)射的次數(shù)。檢測(cè)分為兩個(gè)方面，一方面是當(dāng)接收端接收到超聲波信號(hào)的時(shí)候，立即通知發(fā)射端使其繼續(xù)發(fā)射超聲波信號(hào)。另一方面是檢測(cè)參考時(shí)鐘與發(fā)射信號(hào)1S ，接收信號(hào)2S 是否同步。如果不同步，則繼續(xù)發(fā)射超聲波，進(jìn)行下一組信號(hào)的邊沿檢測(cè)。圖 3.6 表示了邊沿檢測(cè)算法的具體過(guò)程。
圖 3.6 到達(dá)時(shí)間檢測(cè)算法

圖 3.6 到達(dá)時(shí)間檢測(cè)算法
假定 P 時(shí)刻，本文檢測(cè)到的發(fā)射信號(hào)2S 與參考時(shí)鐘同步時(shí)，那么立刻關(guān)閉超聲波信號(hào)發(fā)射次數(shù)計(jì)時(shí)器和超聲波傳播時(shí)間計(jì)數(shù)器。那么記錄下傳播時(shí)間計(jì)數(shù)器的值為tN ，發(fā)射次數(shù)計(jì)數(shù)器的值為sN ，參考時(shí)鐘 0 的周期為0T 。那么在 P 時(shí)刻，超聲波傳播的總時(shí)間為 ? ?01tN ? ?T ，那么在總的傳播時(shí)間內(nèi)，發(fā)射超聲波sN 次，換句話說(shuō)，這段時(shí)間其實(shí)是sN 次聲程的總傳播時(shí)間。如果此刻本文用iT 代表超聲波從發(fā)射到接收的單次聲程的時(shí)間差，并且假定在接收到的超聲波后再發(fā)射超聲波的間隔時(shí)間為? ，那么邊沿檢測(cè)到的單程傳播時(shí)間可以表示為式（3.3）。 ? ? ? ?01 1t ssN T NTN? ? ??? （3.3）邊沿檢測(cè)算法是檢測(cè)參考時(shí)鐘與接收信號(hào)時(shí)鐘的同步性，若不同步則繼續(xù)檢測(cè)，直到檢測(cè)到同步為止。根據(jù)多次發(fā)射超聲波時(shí)間和接收超聲波時(shí)間之差，將誤差轉(zhuǎn)換到兩者之差中，進(jìn)一步提高了超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。