高 巖，劉艷萍，張秋雨

（1.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401；（2.遼寧工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

流量測量在工礦企業(yè)、農(nóng)田河流、環(huán)境保護(hù)等許多領(lǐng)域中占有非常重要的位置。作為流量監(jiān)測的重要組成部分，明渠流量測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)、河流、農(nóng)業(yè)用水中給、排水槽流量測量，由于多數(shù)場合被測液體均有較多雜質(zhì)和一定的腐蝕性，故采用非接觸法測量，從而超聲波流量計(jì)得到大量應(yīng)用。

目前多數(shù)超聲波流量計(jì)都是以MCU作為主控芯片，其輸出信號(hào)頻率較低且可升級(jí)性差、精度低。文中采用在FPGA中構(gòu)建NIOSⅡ軟核的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波明渠流量計(jì)的核心控制，在設(shè)計(jì)過程中由于SOPC（可編程片上系統(tǒng)）的可定制性，使其硬件設(shè)計(jì)靈活可靠。

1 超聲波明渠流量計(jì)的基本原理

明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。非滿管狀態(tài)流動(dòng)的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的儀表稱作明渠流量計(jì)（open channel flowmeter）。明渠流通剖面除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。按測量原理大體可分為堰法、測流槽法、流速-水位計(jì)算法和電磁流量計(jì)法。實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的是堰式和槽式流量計(jì)[1]。以超聲法檢測明渠液位并進(jìn)而計(jì)算流量的儀器儀表稱為超聲波明渠流量計(jì)。圖1為超聲波明渠流量計(jì)原理圖。

圖1 超聲波明渠流量計(jì)原理圖Fig.1 Schematic of ultrasonic flowmeter

當(dāng)被測介質(zhì)全部通過流量槽（Parshall-巴歇爾槽，無喉道槽）或堰（直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰）形成自然流動(dòng)時(shí)，其流量Q與流量槽上流水位H就有如下關(guān)系式：

式中K、n為流量系數(shù)，對(duì)于不同規(guī)格的槽或堰有不同的值，H是液位高度（m）。

氣介質(zhì)超聲波液位傳感器在微處理機(jī)系統(tǒng)的控制下，進(jìn)行超聲發(fā)射和接收，由超聲波的傳播時(shí)間T來計(jì)算傳感器與液面之間的距離h：

式中C為超聲波在空氣介質(zhì)中傳播速度（m/s），設(shè)傳感器至流量槽堰零液位時(shí)距離為hmax，則液位高度。在得知液位高度H=hmax-h后便可以通過計(jì)算求的液體的流量了。

2 SOPC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為系統(tǒng)SOPC結(jié)構(gòu)圖[2]。主要由32位NIOSⅡ軟核處理器、Avalon數(shù)據(jù)總線、串行通訊控制器、EPCS串行Flash控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制器、LCD顯示控制器、鍵盤交互控制器、RS485通訊控制器、超聲波信號(hào)處理控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器、電流環(huán)輸出電路控制器組成，整個(gè)控制系統(tǒng)在一片現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）上實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)的SOPC框圖Fig.2 SOPC block diagram of system

FPGA發(fā)送超聲波控制信號(hào)給超聲波收發(fā)電路，等待收到超聲波信號(hào)，放大、處理經(jīng)超聲波信號(hào)處理控制器得到實(shí)時(shí)流量，分別送到LCD顯示器顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，鍵盤電路可以查詢之前記錄的流量值和設(shè)置時(shí)鐘、通訊等相關(guān)參數(shù)；RS485串行通訊和電流環(huán)輸出電路用于上位數(shù)據(jù)采集及異地顯示聯(lián)網(wǎng)。由于FPGA掉電丟失數(shù)據(jù)，故將程序存儲(chǔ)于EPCS串行flash中，F(xiàn)PGA上電后從flash中加載程序執(zhí)行。

SOPC系統(tǒng)通過Altera QuartusⅡ軟件中的SOPC Builder構(gòu)建。在SOPC Builder中提供了NIOSⅡCPU、Flash存儲(chǔ)器接口、SPI控制器、定時(shí)器等IP核，其他模塊自定義設(shè)計(jì)[3]。如圖3為通過SOPC Builder開發(fā)工具定制本系統(tǒng)的SOPC硬件系統(tǒng)。添加完FPGA引腳編譯后得到的原理圖文件如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)的SOPC硬件系統(tǒng)Fig.3 SOPC hardware system

圖4 編譯后得到的原理圖Fig.4 Compiled schematic

3 基于NIOSⅡ軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行NIOSⅡ軟件設(shè)計(jì)前，應(yīng)先將上面產(chǎn)生的.sof下載到FPGA中，而后所有的軟件開發(fā)任務(wù)就在NIOSⅡIDE上完成，其中包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序[4]。部分模塊驅(qū)動(dòng)程序如下。

3.1 LCD接口驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)用到的LCD是一種具有3線串行接口方式，內(nèi)含國際一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的圖形液晶顯示模塊，通過CS、SCLK、SLD三線控制LCD的顯示。

圖5為LCD讀寫時(shí)序圖。

圖5 LCD讀寫時(shí)序圖Fig.5 Write and read timing diagram of LCD

部分驅(qū)動(dòng)程序如下：

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊

設(shè)計(jì)中采用FM31256來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[5]和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，該芯片是通過I2C串行控制線操作完成的[3]。I2C總線上的所有操作都是由SDA和SCL兩個(gè)腳的狀態(tài)確定的。在傳送數(shù)據(jù)時(shí)有三種類型信號(hào)：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)；結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)；應(yīng)答信號(hào)：接收信號(hào)的IC收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)IC發(fā)出低電平脈沖。圖6為I2C總線時(shí)序圖。

圖6 I2C總線時(shí)序圖Fig.6 Bus timing diagram of I2C

其I2C的部分驅(qū)動(dòng)程序如下：

3.3 DAC控制模塊

本系統(tǒng)4～20 mA電流環(huán)的硬件電路使用AD42芯片，在NIOSⅡIDE中控制4～20 mA電流輸出。Clock信號(hào)上升沿輸出數(shù)據(jù)按從高到低順序輸出到AD421中，并在LATCH信號(hào)上升沿將上面輸入到AD421的數(shù)據(jù)傳送到DAC輸出端[4]，其控制時(shí)序圖如圖7所示。

圖7 DAC控制時(shí)序圖Fig.7 DAC control timing diagram

3.4 程序總流程

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA及各外圍模塊初始化，根據(jù)檢測環(huán)境對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，啟動(dòng)采樣，超聲波發(fā)射脈沖，產(chǎn)生激勵(lì)文件，經(jīng)過噪聲門限脈寬檢測分析信號(hào)最大值及過零點(diǎn)后，計(jì)算發(fā)送和接收的傳播時(shí)間，并進(jìn)行修正處理。之后進(jìn)入超聲波明渠流量計(jì)主程序，采用Altera公司的NIOS II IDE開發(fā)環(huán)境，通過軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，自頂向下設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了程序時(shí)序控制及中斷處理、流量計(jì)算與修正、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上位機(jī)通訊等功能。其流程圖如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SOPC建立的軟核編譯后下載到FPGA目標(biāo)板上，然后通過USB Blaster將軟件程序下載到系統(tǒng)中，得到的流量測量數(shù)據(jù)如表1所示，該數(shù)據(jù)是由時(shí)差法測量得到的。多次實(shí)驗(yàn)測量其誤差小于±3 mm（準(zhǔn)確度3%），小于國家流量測量標(biāo)準(zhǔn)5%，且掉電不丟失數(shù)據(jù)。從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow diagram

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

5 結(jié) 論

本文采用基于NIOSⅡ的嵌入式軟核技術(shù)，使得系統(tǒng)軟件開發(fā)過程簡便快捷，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了超聲波明渠流量計(jì)的工作要求，有效地提高了超聲波流量計(jì)的可靠性、穩(wěn)定性及精度。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同水質(zhì)的測量超聲波明渠流量計(jì)采用非接觸測量使得保持傳感器不受污染，并且測量結(jié)果不受被測介質(zhì)的影響，從而提高了流量計(jì)的壽命和易于維護(hù)性。

[1]蔡武昌，孫懷清，紀(jì)綱.流量測量方法和儀表的選用[M].1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]ALTERA.Embedded Peripherals IP User Guide[EB/OL].（2010-12）.http://www.altera.com.cn.

[3]李蘭英.NiosII嵌入式軟核SOPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]王誠，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì) （高級(jí)篇）[M].2版.北京:人民郵電出版社，2011.

[5]Ramtron International Corporation.FM3104/16/256 Integrated Processor Companion with Memory [EB/OL].（2004）.http://www.ramtron.com.

[6]ANALOG DEVICES.Loop-Power 4-20mA DAC[EB/OL].（1996）.http://www.analog.com.