CN101126658A - 测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，包括发射功率放大电路模块(5)和回波放大比较电路模块(6)、FPGA模块(7)，本发明采用采用现场可编程阵列器件FPGA(Field Programmed Gate Array)CycloneEP1C6Q240嵌入软核微控制器，采用锁相环倍频电路将低频率有源晶振的输入信号倍频至50MHz作为系统时钟，整个FPGA系统的运行频率为50MHz，采用Verilog语言自行编写超声波发射控制逻辑和超声波接收控制逻辑，完全由FPGA硬件实现超声波渡越时间的测量，从而测量分辨率提高至20ns。

Description

测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路

技术领域

本发明涉及一种测量时间的测量电路，尤其涉及一种测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路。

背景技术

超声波液位/物位计的测量原理如下：由超声波换能器(传感器)发射的超声波遇到被测物质相界面后发生反射(回波)，测出超声波换能器(传感器)触发脉冲时刻和超声波遇被测液位/物位界面产生的回波返回到达时刻；两时刻的差值称为超声波测量的“渡越时间”。由渡越时间，再根据声波在传输介质中的声速，便可方便地计算得到被测液位/物位值。

超声波液位/物位计，提高测量精度的关键在于渡越时间的精确测量。目前常见采用单片机(微控制器)加普通定时计数器的设计与实现方法，但由于单片机运行时钟上限频率通常为12兆赫兹左右，采用最快的中断方式测量渡越时间，且测量过程中需要软件干预，一般存在3us以上的的不确定误差。

此外，现有的测量方法中通常采用设置标志杆的方法实现了对声速的实时测量，相界面的渡越时间与标志杆渡越时间之比乘以标志杆安装高度即为相界面位置，从而消除了声速受空气温度、密度的变化对物位测量的影响，假设标志杆安装高度为S，标志杆渡越时间为t0，相界面渡越时间为t，则相界面与超声波探头的距离L为：

L＝S*(t/t₀)

由于声速受传播介质空气的温度、密度、压强影响较大一般可采用的方法是对声速进行温度补偿，但对由空气密度及压强引起的声速变化尚无理想的补偿方法，因而在测量时仍然存在着一定的误差，

发明内容

本发明提供一种能够提高超声波物位测量计测量分辨率的测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路。

本发明采用如下技术方案：

一种测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，包括发射功率放大电路模块和回波放大比较电路模块，该测量电路还包括FPGA模块，该FPGA模块由软核微控制器模块、超声波发射控制模块和超声波接收控制模块组成，其中软核微控制器模块的时钟输入端、超声波发射控制模块的时钟输入端和超声波接收控制模块的时钟输入端连接在一起，同时输入时钟频率，该时钟频率不低于50兆赫兹，软核微控制器模块的脉冲控制信号输出端和脉冲发射开始信号输出端分别与超声波发射控制模块的脉冲控制信号输入端和脉冲发射开始信号输入端连接，同时软核微控制器模块的脉冲发射开始信号输出端与超声波接收控制模块的计数开始信号输入端连接，软核微控制器模块的检波器开启时间设置信号输出端和检波器选择信号输出端分别与超声波接收控制模块的检波器开启时间设置信号输入端和检波器选择信号输入端连接，超声波接收控制模块的渡越时间计数结果输出端和结束信号输出端分别与软核微控制器模块的渡越时间计数结果输入端和结束信号输入端连接，超声波发射控制模块的发射脉冲信号输出端与发射功率放大电路模块的发射脉冲信号输入端连接，发射功率放大电路模块的驱动信号输出端与超声波探头的驱动信号输入端连接，超声波探头的回波信号输出端与回波放大比较电路模块的回波信号输入端连接，回波放大比较电路模块的阈值比较信号输出端与超声波接收控制模块的阈值比较信号输入端连接，回波放大比较电路模块的过零比较信号输出端与超声波接收控制模块过零比较信号输入端连接，其中超声波接收控制模块将软核微控制器模块的脉冲发射开始信号输出端作为内部计数器的启动信号，回波放大比较电路模块的阈值比较信号输出端及过零比较信号输出端经超声波接收控制模块检波后得到有效回波信号后作为超声波接收控制模块内部的超声波回波计时模块计数器的停止信号，从而得到超声波渡越时间测量的计数值，同时该模块实现了根据软核微控制器模块的检波器开启时间设置信号输出端及检波器选择信号输出端分别设置超声波接收控制模块内部的检波器的开启时间，从而在设置时间到达后对不同检波器发出使能信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明采用采用现场可编程阵列器件FPGA(Field Programmed Gate Array)Cyclone EP1C6Q240嵌入软核微控制器，采用锁相环倍频电路将低频率有源晶振的输入信号倍频至50MHz作为系统时钟，整个FPGA系统的运行频率为50MHz，采用Verilog语言自行编写超声波发射控制逻辑和超声波接收控制逻辑，完全由FPGA硬件实现超声波渡越时间的测量，从而测量分辨率提高至20ns。

同时，单独编写超声波发射控制逻辑模块可以适应不同发射频率的超声波探头，系统的灵活性得到提高，在软核微控制器输出脉冲发射开始信号后该模块自动以特定频率输出发射脉冲信号，整个发射过程中无须软核微控制器的干预，简化了系统设计。超声波接收控制逻辑由检波器模块及超声波回波计时模块构成，各模块功能划分合理，结构层次分明，易于实现模块的设计重用。

附图说明

图1是本发明的FPGA系统结构框图。

图2是图1中模块4的局部放大图。

图3是本发明的FPGA内部各模块的具体实施电路图。

图4是本发明中超声波回波捕获模块的设计图。

图5是本发明中超声波回波捕获模块的状态转移图。

图6是超声波物位测量计的测量原理示意图。

具体实施方式

一种测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，包括发射功率放大电路模块5和回波放大比较电路模块6，该测量电路还包括FPGA模块7，该FPGA模块7由软核微控制器模块2、超声波发射控制模块3和超声波接收控制模块4组成，其中软核微控制器模块2的时钟输入端21、超声波发射控制模块3的时钟输入端31和超声波接收控制模块4的时钟输入端401连接在一起，同时输入时钟频率，该时钟频率不低于50兆赫兹且不高于200兆赫兹，软核微控制器模块2的脉冲控制信号输出端22和脉冲发射开始信号输出端23分别与超声波发射控制模块3的脉冲控制信号输入端32和脉冲发射开始信号输入端33连接，同时软核微控制器模块2的脉冲发射开始信号输出端23与超声波接收控制模块4的计数开始信号输入端402连接，软核微控制器模块2的检波器开启时间设置信号输出端24和检波器选择信号输出端25分别与超声波接收控制模块4的检波器开启时间设置信号输入端404和检波器选择信号输入端403连接，超声波接收控制模块4的渡越时间计数结果输出端405和结束信号输出端406分别与软核微控制器模块2的渡越时间计数结果输入端26和结束信号输入端27连接，超声波发射控制模块3的发射脉冲信号输出端34与发射功率放大电路模块5的发射脉冲信号输入端51连接，发射功率放大电路模块5的驱动信号输出端52与超声波探头9的驱动信号输入端91连接，超声波探头9的回波信号输出端92与回波放大比较电路模块6的回波信号输入端61连接，回波放大比较电路模块6的阈值比较信号输出端62与超声波接收控制模块4的阈值比较信号输入端407连接，回波放大比较电路模块6的过零比较信号输出端63与超声波接收控制模块4过零比较信号输入端408连接，其中超声波接收控制模块4将软核微控制器模块2的脉冲发射开始信号输出端23作为内部计数器的启动信号，回波放大比较电路模块6的阈值比较信号输出端62及过零比较信号输出端63经超声波接收控制模块4内部的检波器检波后得到有效回波信号后作为超声波接收控制模块4内部的超声波回波计时模块计数器的停止信号，从而得到超声波渡越时间测量的计数值，同时该模块实现了根据软核微控制器模块2的检波器开启时间设置信号输出端24及检波器选择信号输出端25分别设置超声波接收控制模块4内部的检波器的开启时间，从而在设置时间到达后对不同检波器发出使能信号，软核微控制器模块2的异步串行通信口输入输出口28用于和其他电路通信。

所述的时钟频率由有源晶振8和锁相环倍频模块1生成，有源晶振8的时钟信号输出端81与锁相环倍频模块1的时钟信号输入端11连接，由锁相环倍频模块1的信号输出端12输出系统时钟频率，连接到软核微控制器模块2的时钟输入端21、超声波发射控制模块3的时钟输入端31和超声波接收控制模块4的时钟输入端401。

所述的超声波接收控制模块4由超声波回波计时模块41、第一检波器模块42和第二检波器模块43组成，超声波回波计时模块41的第一使能信号输出端411与第一检波器模块42的使能信号输入端421连接，超声波回波计时模块41的第二使能信号输出端412与第二检波器模块43的使能信号输入端431连接，第一检波器模块42的停止信号输出端422与超声波回波计时模块41的第一停止信号输入端413连接，第二检波器模块43的停止信号输出端432与超声波回波计时模块41的第二停止信号输入端414连接，同时，将超声波接收控制模块4的时钟输入端401作为超声波回波计时模块41的时钟输入端415，将超声波接收控制模块4的计数开始信号输入端402作为超声波回波计时模块41的计数开始信号输入端420，将超声波接收控制模块4的检波器开启时间设置信号输入端404作为超声波回波计时模块41的检波器开启时间设置信号输入端417，将超声波接收控制模块4的渡越时间计数结果输出端405作为超声波回波计时模块41的渡越时间计数结果输出端418，将超声波接收控制模块4的检波器选择信号输入端403作为超声波回波计时模块41的检波器选择信号输入端416，将超声波接收控制模块4的结束信号输出端406作为超声波回波计时模块41的结束信号输出端419，将超声波接收控制模块4的阈值比较信号输入端407同时作为第一检波器模块42的阈值比较信号输入端423及第二检波器模块43的阈值比较信号输入端434，将超声波接收控制模块4的过零比较信号输入端408同时作为第一检波器模块42的过零比较信号输入端424及第二检波器模块43的过零比较信号输入端433。

所述的第一检波器模块42和第二检波器模块43均由双J-K触发器构成，将7473a模块的第三输入端1CLRN作为检波器模块的使能信号输入端，将7473a模块的第四输入端1CLKn作为检波器模块的阈值比较信号输入端，将7473a模块的第八输入端2CLKn作为检波器模块的过零比较信号输入端，将7473a模块的第三输出端2Q作为检波器模块的停止信号输出端，将7473a模块的第一输入端1J端口及第五输入端2J接高电平VCC，将7473a模块的第二输入端1K端口及第六输入端2K接高电平GND，将7473a模块的第一输出端1Q作为7473a模块的第七输入端。

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程作具体的描述：

在图1中，锁相环倍频模块1为Altera通用IP库，PLLIN信号由外部有源晶振8提供，锁相环倍频模块1将PLLIN信号倍频至50MHz作为FPGA的系统时钟clk。软核微控制器2由Altera SoPC Builder根据用户配置生成软核微控制器2通过超声波发射控制逻辑3驱动发射功率放大电路模块5，发射频率可以根据不同的超声波探头予以调整，本实例中采用的探头的发射频率为40KHz，软核微控制器2根据用户设置，通过输出端da[0:4]向超声波发射模块3写入发射脉冲频率值及脉冲个数。待软核微控制器2输出start发射信号后，超声波发射模块3开始以特定频率向发射功率放大电路模块5输出plus脉冲信号，同时start信号亦输入至超声波回波计时模块41开始计数。其中超声波回波计时模块41的计数时钟源为50MHz的系统时钟，计数器位数为32位，时间分辨力为1个计数单位即20ns。

超声波回波信号由回波放大比较电路模块6处理后，得到第一检波器模块42及第二检波器模块4 3的输入信号：超声波回波阈值比较信号cp1和过零比较检测信号cp2。第一检波器模块42及第二检波器模块43采用双J-K触发器对cp1及cp2判断，当该回波捕获使能信号有效时，两个信号必须满足先阈值比较信号cp1有效，后过零比较信号cp2有效的条件，此时第一检波器模块42、第二检波器模块43判断为有效回波信号，输出有效信号stop至control回波计时模块41。回波计时模块41在收到有效信号后将计数结果count保存至寄存器变量cnt中。为了分别接收标准杆回波和液位/物位回波信号，对第一检波器模块42及第二检波器模块43分别设置了一定开启时间，当某一模块的开启时间到达后由超声波回波计时模块41输出的该模块使能信号en有效。如在本实例中由于标志杆安装高度为50cm，故将第一检波器模块42设置成输入start信号有效后2.7ms开启，用于捕获标准杆回波，由此得到的计数值为cnt1；第二检波器模块43设置成输入start信号有效后4ms开启，用于捕获液位/物位回波，由此得到的计数值为cnt2。由于整个测量计数过程中全部由FPGA硬件电路完成，无需软核微控制器的程序干预，故整个计时系统测量的分辨率为最小计时单位20ns。

软核微控制器通过RS485通信电路模块与主体仪器通信，在收到由主体仪器发出的读数据命令后，从超声波回波计时模块41中读取计数值cnt1及cnt2，并通过UART口以RS485通信方式向主体仪器发送此数据。

在图3中，en信号为低无效时，不论in1和in2信号如何变化，输出信号out始终为低无效；当en为高有效时，若输入in1有效变由高电平变为低电平时，1Q被置位，即2CLRN变为高无效，此时若输入in2有效由高电平变为低电平时，2Q输出为高，此时整个回波捕获子模块输出信号out为高有效，若输入in2无效，则out信号仍然为低，没有有效的超声波回波被捕获，图4给出该模块对应的状态转移图。

在图5中，标志杆安装高度为S，超声波探头10发射的超声波一部分由标志杆11反射后形成的标志杆回波12首先被FPGA检测后得到渡越时间t0；另一部分超声波经相界面反射后生成的被测物位回波13检测得到渡越时间t，由于测量过程中声速不变，故相界面与超声波探头之间的距离为：

$L=S\×\frac{t}{t_0}.$

Claims (4)

1.一种测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，包括发射功率放大电路模块(5)和回波放大比较电路模块(6)，其特征在于该测量电路还包括FPGA模块(7)，该FPGA模块(7)由软核微控制器模块(2)、超声波发射控制模块(3)和超声波接收控制模块(4)组成，其中软核微控制器模块(2)的时钟输入端(21)、超声波发射控制模块(3)的时钟输入端(31)和超声波接收控制模块(4)的时钟输入端(401)连接在一起，同时输入时钟频率，该时钟频率不低于50兆赫兹，软核微控制器模块(2)的脉冲控制信号输出端(22)和脉冲发射开始信号输出端(23)分别与超声波发射控制模块(3)的脉冲控制信号输入端(32)和脉冲发射开始信号输入端(33)连接，同时软核微控制器模块(2)的脉冲发射开始信号输出端(23)与超声波接收控制模块(4)的计数开始信号输入端(402)连接，软核微控制器模块(2)的检波器开启时间设置信号输出端(24)和检波器选择信号输出端(25)分别与超声波接收控制模块(4)的检波器开启时间设置信号输入端(404)和检波器选择信号输入端(403)连接，超声波接收控制模块(4)的渡越时间计数结果输出端(405)和结束信号输出端(406)分别与软核微控制器模块(2)的渡越时间计数结果输入端(26)和结束信号输入端(27)连接，超声波发射控制模块(3)的发射脉冲信号输出端(34)与发射功率放大电路模块(5)的发射脉冲信号输入端(51)连接，发射功率放大电路模块(5)的驱动信号输出端(52)与超声波探头(9)的驱动信号输入端(91)连接，超声波探头(9)的回波信号输出端(92)与回波放大比较电路模块(6)的回波信号输入端(61)连接，回波放大比较电路模块(6)的阈值比较信号输出端(62)与超声波接收控制模块(4)的阈值比较信号输入端(407)连接，回波放大比较电路模块(6)的过零比较信号输出端(63)与超声波接收控制模块(4)过零比较信号输入端(408)连接，其中超声波接收控制模块(4)将软核微控制器模块(2)的脉冲发射开始信号输出端(23)作为内部计数器的启动信号，回波放大比较电路模块(6)的阈值比较信号输出端(62)及过零比较信号输出端(63)经超声波接收控制模块(4)检波后得到有效回波信号后作为超声波接收控制模块(4)内部的超声波回波计时模块计数器的停止信号，从而得到超声波渡越时间测量的计数值，同时该模块实现了根据软核微控制器模块(2)的检波器开启时间设置信号输出端(24)及检波器选择信号输出端(25)分别设置超声波接收控制模块(4)内部的检波器的开启时间，从而在设置时间到达后对不同检波器发出使能信号。

2.根据权利要求1所述的测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，其特征在于所述的时钟频率由有源晶振(8)和锁相环倍频模块(1)生成，有源晶振(8)的时钟信号输出端(81)与锁相环倍频模块(1)的时钟信号输入端(11)连接，由锁相环倍频模块(1)的信号输出端(12)输出系统时钟频率，连接到软核微控制器模块(2)的时钟输入端(21)、超声波发射控制模块(3)的时钟输入端(31)和超声波接收控制模块(4)的时钟输入端(401)。

3.根据权利要求1所述的测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，其特征在于所述的超声波接收控制模块(4)由超声波回波计时模块(41)、第一检波器模块(42)和第二检波器模块(43)组成，超声波回波计时模块(41)的第一使能信号输出端(411)与第一检波器模块(42)的使能信号输入端(421)连接，超声波回波计时模块(41)的第二使能信号输出端(412)与第二检波器模块(43)的使能信号输入端(431)连接，第一检波器模块(42)的停止信号输出端(422)与超声波回波计时模块(41)的第一停止信号输入端(413)连接，第二检波器模块(43)的停止信号输出端(432)与超声波回波计时模块(41)的第二停止信号输入端(414)连接，同时，将超声波接收控制模块(4)的时钟输入端(401)作为超声波回波计时模块(41)的时钟输入端(415)，将超声波接收控制模块(4)的计数开始信号输入端(402)作为超声波回波计时模块(41)的计数开始信号输入端(420)，将超声波接收控制模块(4)的检波器开启时间设置信号输入端(404)作为超声波回波计时模块(41)的检波器开启时间设置信号输入端(417)，将超声波接收控制模块(4)的渡越时间计数结果输出端(405)作为超声波回波计时模块(41)的渡越时间计数结果输出端(418)，将超声波接收控制模块(4)的检波器选择信号输入端(403)作为超声波回波计时模块(41)的检波器选择信号输入端(416)，将超声波接收控制模块(4)的结束信号输出端(406)作为超声波回波计时模块(41)的结束信号输出端(419)，将超声波接收控制模块(4)的阈值比较信号输入端(407)同时作为第一检波器模块(42)的阈值比较信号输入端(423)及第二检波器模块(43)的阈值比较信号输入端(434)，将超声波接收控制模块(4)的过零比较信号输入端(408)同时作为第一检波器模块(42)的过零比较信号输入端(424)及第二检波器模块(43)的过零比较信号输入端(433)。

4.根据权利要求2所述的测量超声波物位测量计渡越时间的测量电路，其特征在于所述的第一检波器模块(42)和第二检波器模块(43)均由双J-K触发器构成，将7473a模块的第三输入端1CLRN作为检波器模块的使能信号输入端，将7473a模块的第四输入端1CLKn作为检波器模块的阈值比较信号输入端，将7473a模块的第八输入端2CLKn作为检波器模块的过零比较信号输入端，将7473a模块的第三输出端2Q作为检波器模块的停止信号输出端，将7473a模块的第一输入端1J端口及第五输入端2J接高电平VCC，将7473a模块的第二输入端1K端口及第六输入端2K接高电平GND，将7473a模块的第一输出端1Q作为7473a模块的第七输入端。

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