CN204359370U - 气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统 - Google Patents

Abstract

一种气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，包括DSP、FPGA、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、数字式增益控制电路，DSP的第一输出端与FPGA的第一输入端连接，FPGA的第一输出端与DA转换器输入端连接，DA转换器的输出端经功率放大电路与发射换能器输入端连接，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，接收换能器的输出端经数字式增益控制电路与AD转换器输入端连接，数字式增益控制电路与DSP连接，AD转换器输出端与FPGA的第二输入端连接， FPGA的第二输出端与DSP连接，所述DSP与存储器连接。本方法提高了测量的准确性。

Description

气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统

技术领域

本发明涉及气体超声波流量计领域，尤其涉及一种气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统。

背景技术

气体超声波流量计采用时差法测量气体流速,基本原理是测量超声波脉冲在顺气体流动方向和逆气体流动方向中的时间差来反应流速,从而测出流量。图8所示为超声波流量计时差法测流速的示意图，从第一换能器开始发送脉冲到第二换能器接收到脉冲信号的时间为t1,从第二换能器发送脉冲到第一换能器接收到脉冲信号的时间为t2。 t1与t2之差为⊿t,其与管道内流体流速关系如式1所示:

                         (1)

式中,c为超声波在流体中的速度,D为管道直径是两超声波换能器与管道水平方向夹角。由式1可见,当超声波在静止气体中传播速度可认为是常数时，流体流速就与时间差⊿t成正比，测量⊿t即可得到流速，进而求得气体流量。

气体超声波流量计的换能器驱动频率为200K Hz,远低于液体超声波流量计的1 MHz,这是因为超声波脉冲在气体中的衰减很大,频率越高衰减的越多。并且实验表明,在驱动端信号强度不变的情况下,气体超声波换能器的接收端信号强度随着时间会不断衰减,申请人公司的换能器在客户现场应用了三个月后,接收信号实测值减少了40%。可以想象,随着时间的推移,换能器的信号会越来越弱,直至不能正确测量流速。因此,有必要实现一种能够根据气体超声波换能器接收信号强度自动改变放大电路增益的设计,使得即使接收端信号强度大幅度减弱,系统也可以通过自动增益控制电路保证足够的采样信号强度。

发明内容    

本发明是针对现有技术的不足，提供了一种气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，该系统可以解决气体超声波流量计换能器信号强度随时间推移而迅速减弱而影响流速测量的问题,通过发送端增益控制和接收端信号增益控制的动态结合,解决了只有接收端增益控制时的信号非线性失真问题,提高了测量的准确性。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、数字式增益控制电路、存储器，所述DSP数据处理器的第一输出端与FPGA电路的第一输入端连接，所述FPGA电路的第一输出端与DA转换器的输入端连接，所述DA转换器的输出端经功率放大电路与发射换能器的输入端连接，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器的输出端经数字式增益控制电路与AD转换器输入端连接，所述数字式增益控制电路与DSP数据处理器连接，所述AD转换器输出端与FPGA电路的第二输入端连接，所述FPGA电路的第二输出端与DSP数据处理器连接，所述DSP数据处理器与存储器连接，所述DSP数据处理器用于发送驱动幅值命令给FPGA，所述FPGA用于根据DSP的命令传输相应强度的正弦波信号给DA转换器，所述DA转换器用于输出响应频率和幅值的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器发出超声脉冲信号，接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号，发生压电转换，输出接收信号给数字式增益控制电路，所述数字式增益控制电路用于将接收信号进行放大后输入到AD转换器，所述FPGA用于采样AD转换器的AD采样值并传输给DSP，所述DSP用于判断接收信号的AD采样值是否符合设定的阀值，分别输出控制信号，控制FPGA增大输出正弦波驱动信号的幅值，以及控制数字式增益控制电路的放大增益。

所述数字式增益控制电路包括有源滤波器、数字式增益控制放大器，数字式增益控制电路接收换能器的接收信号经过滤波、放大后输出给AD转换器。

所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。

所述FPGA电路采用型号为EP4CE10的FPGA芯片。

所述DA转换器采用型号为AD转换器9760AR的数模转换器。

所述AD转换器采用型号为AD转换器C12DL040CIVS的模数转换器。

所述功率放大电路包括运放U24、电流放大器U25以及若干电阻、电容，所述运放U24的同相输入端与第76个电阻R76的一端连接，第76个电阻R76的另一端分别与第77个电阻R77的一端、第85个电容C85的一端连接，第77个电阻R77的另一端接地，第85个电容C85的另一端分别与DA转换器的输出端、第74个电阻R74的一端、第84个电容C84的一端连接， 第74个电阻R74的另一端、第84个电容C84的另一端均接地，所述运放U24的反相输入端分别与第75个电阻R75的一端、第78个电阻R78的一端连接，第75个电阻R75的另一端接地，第78个电阻R78的另一端与运放U24的输出端连接，运放U24的输出端经第79个电阻R79与电流放大器U25的输入端连接，电流放大器U25的输出端与发射换能器连接。

所述存储器为EE存储器，所述EE存储器的型号为FM25L04。

本发明采用上述技术方案的有益效果为：由于本发明的系统可以采用换能器的发射端驱动强度和接收端信号强度增益动态结合,实现气体超声波流量计换能器信号的自动增益控制,使得在换能器接收端信号减弱到一定阈值时,自动增益控制系统介入测量过程,使得接收信号强度满足测量要求并且不会失真，解决了气体超声波流量计换能器信号强度随时间推移而迅速减弱而影响流速测量的问题,解决了只有接收端增益控制时的信号非线性失真问题,提高了测量的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统电路框图；

图2为本发明的DA转换器的电路图；

图3为本发明的功率放大电路的电路图；

图4为本发明的AD转换器的电路图；

图5为本发明的存储器的电路图；

图6为本发明的数字式增益控制电路；

图7为本发明的方法流程图；

图8为时差法测流速示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1至图6，一种气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，采用了如下系统，该系统包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、数字式增益控制电路、存储器，所述DSP数据处理器的第一输出端与FPGA电路的第一输入端连接，所述FPGA电路的第一输出端与DA转换器的输入端连接，所述DA转换器的输出端经功率放大电路与发射换能器的输入端连接，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器的输出端经数字式增益控制电路与AD转换器输入端连接，所述数字式增益控制电路与DSP数据处理器连接，所述AD转换器输出端与FPGA电路的第二输入端连接，所述FPGA电路的第二输出端与DSP数据处理器连接，所述DSP数据处理器与存储器连接。所述DSP数据处理器用于发送驱动幅值命令给FPGA，所述FPGA用于根据DSP的命令传输相应强度的正弦波信号给DA转换器，所述DA转换器用于输出响应频率和幅值的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器发出超声脉冲信号，接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号，发生压电转换，输出接收信号给数字式增益控制电路，所述数字式增益控制电路用于将接收信号进行放大后输入到AD转换器，所述FPGA用于采样AD转换器的AD采样值并传输给DSP，所述DSP用于判断接收信号的AD采样值是否符合设定的阀值，分别输出控制信号，控制FPGA增大输出正弦波驱动信号的幅值，以及控制数字式增益控制电路的放大增益。

具体电路描述如下：所述数字式增益控制电路包括有源滤波器、数字式增益控制放大器，数字式增益控制电路接收换能器的接收信号经过滤波、放大后输出给AD转换器。数字式可变增益放大器选取ADI公司的AD8370,增益值由DSP数据处理器控制,其与DSP数据处理器连接有三条控制线,分别是时钟(CLK),数据(DATA)及锁存(LTCH)。DSP数据处理器通过写入7位值的增益代码,可提供最高达到52倍的增益，从而使AD转换器的输入信号增强。运放U31A作用是增加信号的输入阻抗,降低信号损失,弥补AD8370输入阻抗较低造成的信号损失。所述数字式增益控制电路采用型号为AD8370的数字式增益控制放大器。数字式增益控制放大器选用ADI公司的AD8370,具有高增益,信号带宽大等优点。当AD转换器检测到经信号放大后的峰值电压达到基准幅值的90%时,DSP即以此增益作为接收信号的默认放大增益,并将其写入EE存储器。本系统的DSP选用TI公司的TMS320F28335,该DSP芯片功能强大,浮点型数据运算能力强,运行速度可达到150M Hz,满足本系统运算速度要求。FPGA选用ALTERA公司的EP4CE10,内部具有10k的逻辑单元,丰富的IO端口及内部锁相环。数字式增益控制放大器选用ADI公司的AD8370,具有高增益,信号带宽大等优点。所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。所述FPGA电路采用型号为EP4CE10的FPGA芯片。所述DA转换器采用型号为AD转换器9760AR的数模转换器。所述AD转换器采用型号为AD转换器C12DL040CIVS的模数转换器。

所述功率放大电路包括运放U24、电流放大器U25以及若干电阻、电容，所述运放U24的同相输入端与第76个电阻R76的一端连接，第76个电阻R76的另一端分别与第77个电阻R77的一端、第85个电容C85的一端连接，第77个电阻R77的另一端接地，第85个电容C85的另一端分别与DA转换器的输出端、第74个电阻R74的一端、第84个电容C84的一端连接， 第74个电阻R74的另一端、第84个电容C84的另一端均接地，所述运放U24的反相输入端分别与第75个电阻R75的一端、第78个电阻R78的一端连接，第75个电阻R75的另一端接地，第78个电阻R78的另一端与运放U24的输出端连接，运放U24的输出端经第79个电阻R79与电流放大器U25的输入端连接，电流放大器U25的输出端与发射换能器连接。

所述存储器为EE存储器，所述EE存储器的型号为FM25L04。

如图1所示，是本发明的设计系统框图，同时也是气体超声波流量计的设计框图。DSP是增益控制系统的核心单元，发送数据给FPGA,FPGA根据DSP命令传输相应强度正弦波信息如幅值,频率给DA转换器，DA转换器输出响应频率和幅值的正弦波信号驱动发射换能器，接收换能器接收发射换能器的信号发生压电转换，压电转换是超声波换能器的固有特性，当换能器接收到超声脉冲信号后，换能器会产生压电效应，在换能器两端输出一定峰值的正弦波包络，输出一定强度的正弦信号经放大电路到AD转换器，FPGA采样AD转换器的采样值（最大值）并传输给DSP，经过相应的数据滤波,处理后得出气体流速。

参见图7，采用上述系统实现气体超声波流量计流速测量的方法，包括以下步骤：

1）在存储器中存储接收信号强度的基准幅值、初始驱动幅值、最大驱动幅值以及驱动幅值的增量，根据接收信号强度的基准幅值设定符合驱动要求的阀值。步骤1）中设定的符合驱动要求的阀值位于基准幅值的80%~90%的范围内。步骤1）中设定的初始驱动幅值为4V，最大驱动幅值为8V，驱动幅值的增量为0.5V。

2）启动超声波流量计进行流速测量，DSP数据处理器发送初始驱动幅值命令给FPGA；

3）FPGA根据DSP的命令传输相应强度的正弦波信号给DA转换器，DA转换器输出响应频率和幅值的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器。

4）接收换能器接收发射换能器的信号发生压电转换，输出接收信号，接收信号经数字式增益控制电路输入到AD转换器，FPGA采样AD转换器的AD采样值并传输给DSP；

5）DSP判断接收信号的AD采样值是否符合设定的阀值；

51）当DSP检测到的接收信号的AD采样值符合设定的阀值时，DSP要求FPGA以继续以该正弦波幅值数据驱动DA转换器输出,完成流速测量；

52）当DSP检测到的接收信号的AD采样值不符合设定的阀值时，DSP继续判断DA转换器输出幅值是否达到设定的最大驱动幅值；

521）若DA转换器输出幅值没有达到设定的最大驱动幅值，DSP采取的步骤是：在初始驱动幅值的基础上，以设定的增量不断增加DA转换器输出正弦波驱动信号的幅值，使发射端换能器所获得的驱动能量增强，接收端信号强度也增强，同时，DSP检测每次接收信号的AD采样值是否达到设定的阀值，当DA转换器输出正弦波驱动信号的幅值增加到一幅值时，此时，DSP检测到接收端信号强度增加至设定的阀值，则DSP要求FPGA以该幅值的正弦波驱动信号驱动DA转换器输出,完成流速测量；

522）若DA转换器幅值达到设定的最大驱动幅值时, DSP采取的步骤是：DSP通过增大数字式增益控制电路的放大倍数实现换能器接收端信号强度的放大,从而使AD转换器的输入信号增强，当AD转换器检测到经信号放大后的峰值电压达到设定的阀值，DSP即以此放大倍数作为接收信号的默认放大增益, 完成流速测量，并将其写入存储器。

本发明的流速测量具体流程如下：DSP读取出厂时存储在EE存储器中的接收信号强度的基准幅值信息。按出厂默认的驱动端信号和接收端信号增益值控制测量过程,当检测到接收信号强度小于基准幅值信息的85%时，一般在换能器信号衰减80%~90%后超声波流量算法的准确性会大幅度降低，因此本例中选择范围的中位值85%。上述的接收端换能器信号经数字控制增益电路后输入AD转换器，FPGA快速采样该值并传输给DSP。DSP命令FPGA以4V为初始值,在此基础上以一定的增量,这里的增量固定为0.5V，增加DA转换器输出正弦波驱动信号的幅值。发射端换能器所获得的驱动能量也随之增强,接收端信号强度也增强。如果此时接收端信号强度增加至基准幅值的90%,当幅值大于基准幅值90%时可基本保证超声波流量计算的准确性。当然根据不同厂家的换能器该值需要实测调整。那么DSP判断此时幅值可以满足要求,并要求FPGA以此时的正弦波幅值数据驱动DA转换器输出,完成流速测量。如果接收端信号强度没有达到基准幅值的90%,DSP命令FPGA继续输出使DA转换器增大正弦波幅值的数据,当DA转换器幅值达到8V时,设置为8V是因为发射波形驱动信号的功率限制,功率放大电路的电源电压为12V\600毫安,驱动换能器时电流最高可达到500毫安,考虑电源的降额使用,选取8V的最高驱动电压。接收端信号强度还是没有达到基准幅值的90%,为降低驱动电路功耗,DSP命令FPGA不再输出使DA转换器输出正弦波幅值增大的数据,而是通过增大数字式增益控制电路的放大倍数实现换能器接收端信号强度的放大,数字式增益控制电路选取ADI公司的AD8370,增益值由DSP控制,其与DSP连接有三条控制线,分别是时钟(CLK),数据(DA转换器TA)及锁存(LTCH)。DSP通过写入7位值的增益代码,可提供最高达到52倍的增益。从而使AD转换器的输入信号增强。当AD转换器检测到经信号放大后的峰值电压达到基准幅值的90%时,DSP即以此增益作为接收信号的默认放大增益,并将其写入EE存储器。

本系统能够根据气体超声波换能器接收信号强度自动改变放大电路增益的设计,使得即使接收端信号强度大幅度减弱,系统也可以通过自动增益控制电路保证足够的采样信号强度。

Claims (8)

1.一种气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、数字式增益控制电路、存储器，所述DSP数据处理器的第一输出端与FPGA电路的第一输入端连接，所述FPGA电路的第一输出端与DA转换器的输入端连接，所述DA转换器的输出端经功率放大电路与发射换能器的输入端连接，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器的输出端经数字式增益控制电路与AD转换器输入端连接，所述数字式增益控制电路与DSP数据处理器连接，所述AD转换器输出端与FPGA电路的第二输入端连接，所述FPGA电路的第二输出端与DSP数据处理器连接，所述DSP数据处理器与存储器连接，所述DSP数据处理器用于发送驱动幅值命令给FPGA，所述FPGA用于根据DSP的命令传输相应强度的正弦波信号给DA转换器，所述DA转换器用于输出响应频率和幅值的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器发出超声脉冲信号，接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号，发生压电转换，输出接收信号给数字式增益控制电路，所述数字式增益控制电路用于将接收信号进行放大后输入到AD转换器，所述FPGA用于采样AD转换器的AD采样值并传输给DSP，所述DSP用于判断接收信号的AD采样值是否符合设定的阀值，分别输出控制信号，控制FPGA增大输出正弦波驱动信号的幅值，以及控制数字式增益控制电路的放大增益。

2.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述数字式增益控制电路包括有源滤波器、数字式增益控制放大器，数字式增益控制电路接收换能器的接收信号经过滤波、放大后输出给AD转换器。

3.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。

4.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述FPGA电路采用型号为EP4CE10的FPGA芯片。

5.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述DA转换器采用型号为AD转换器9760AR的数模转换器。

6.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述AD转换器采用型号为AD转换器C12DL040CIVS的模数转换器。

7.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述功率放大电路包括运放（U24）、电流放大器（U25）以及若干电阻、电容，所述运放（U24）的同相输入端与第76个电阻（R76）的一端连接，第76个电阻（R76）的另一端分别与第77个电阻（R77）的一端、第85个电容（C85）的一端连接，第77个电阻（R77）的另一端接地，第85个电容（C85）的另一端分别与DA转换器的输出端、第74个电阻（R74）的一端、第84个电容（C84）的一端连接， 第74个电阻（R74）的另一端、第84个电容（C84）的另一端均接地，所述运放（U24）的反相输入端分别与第75个电阻（R75）的一端、第78个电阻（R78）的一端连接，第75个电阻（R75）的另一端接地，第78个电阻（R78）的另一端与运放（U24）的输出端连接，运放（U24）的输出端经第79个电阻（R79）与电流放大器（U25）的输入端连接，电流放大器（U25）的输出端与发射换能器连接。

8.根据权利要求1所述的气体超声波流量计换能器接收信号强度自动增益控制系统，其特征在于：所述存储器为EE存储器，所述EE存储器的型号为FM25L04。