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基于FPGA芯片的高精度涡街流量计设计

发表时间:2020-06-11
国内智能流量计仪表存在的尚待解决的问题:流量计易受外界振动干扰,而工业现场的振动是普遍存在的;量程下限受限,不能在低流速、小流量时进行准确测量。当流量小时,传感器的输出信号比较微弱,容易被噪声淹没。所以针对这些问题采用数字信号处理的方法使低流速信号从强噪声中显现出来,从而拓展智能仪表的量程下限。为了实现对低流速信号的准确测量,使用功能更为强大的FPGA芯片使数字处理方法发挥出更好的效果,达到提高检测精度的效果。
 
1.硬件结构设计
数字涡街流量计的硬件主要组成为:涡街信号处理电路、液晶显示电路、键盘控制电路和FPGA算法处理模块。其框图表示如图1。
1.1微处理器选择
TI企业的MSP430系列单片机,是一种具有超低功耗的功能强大的单片机。工作电流视工作模式不同为0.1μA-280μA,工作电压为1.8V至3.6V。MSP430F149具有丰富的片上外制模块,内置12位精度的AD转换模块,精密的模拟比较器,硬件乘法器等比较重要的接口模块,这样可以节省CPU的外围模块,问时提高代码实行效率。这在数字涡街流计中占有十分重要的地位。
1.2模拟信号的处理模块
涡街传感器传来的是交变的电压信号,而且其中包含大量的噪声和振动十扰,所以要通过特定的电路变成微处理器能识别的电压信号,然后结果经A/D转换电路进人CPU。涡街信号处理电路包括信号放大电路和滤波电路。从涡街传感器传来的是比较弱的交变电压信号,这种信号不容易被微处理器获得并处理,所以要在进入CPU之前要经过信号调理电路来形成有一定规则、一定强度的信号,然后经A/D转换电路将模拟电压变成信号变成数字信号以便进行数字信号处理。
如图2所示,Vi是一个交变电压信号,即幅度从0V到1.2V,相位从0度到180度的信号。鉴于MSP430的A/D转化电路不能进行负电压的转换,在进行信号放大时加一个Vref来做基准电压,这样放大后的信号都在V以上了,适合了AD转换电路的要求。放大器A1主要是进行信号的放大,放大倍数为100,而A2在进行第二级放大的同时也进行低通滤波,其中C3和C4的作用就是进行滤波,滤去部分高频干扰信号。经过信号的放大和滤波处理,Vo就变成了相对比较好的信号,可以供微处理器分析之用。Vo信号品质的好坏和流速信号的频率成正比,信号频率越高,Vo的品质越好。
1.3键盘显示
键盘模块的功能主要通过键盘监控程序完成显示、初始化环境影响和参数设置等功能。键盘采用非编码键盘。键盘拟用四个键:设置健、递增键,移位键和环境十扰檢测键。前一个键采用一键多用的形式完成显示内容选择、参数设定的功能,环境干扰检测键用来确定为实时外界振动引起的干扰频率。键盘电路采用电阻上拉、下降沿中断方式和CPU连接,实现响应键盘控制程序。不过,由于采用非编码键盘,且龙硬件“消抖”电路,因此需要在App中“去抖”。液晶显示模块的作用主要是测量数据的显示、被测介质参数的显示和参数设置时的状态。LCD見示器的显示内容由键盘状态决定,在显示状态,LCD显示频率、流量、介质温度、压力等;在参数设定状态,显示与参数有关的内容、设定的情况等。
 
2.FPGA算法处理模块
采用Altera企业的ACEX1K系列器件 EPIK50TC144作为实现互相关算法的FPGA。EPIK50TC144器件具有以下特性:
1.高性能。可以在一个单片上实现低功耗设计,器件内集成了增强型嵌入式阵列块(EAB),可实现如高速存储器和特定逻辑的Mega功能。
2.高密度。ACEX1K系列器件包含的逻辑单元(LEs)为576到4992个。其中 EPIK50TC144有逻辑单元2880个,40K位RAM。
3.系统性能。器件内核采用2.5V电压,0引脚支撑2.5V/3.3V/5.0V多电压标准:器件功耗低能够提供高达250MHz的双向I/O功能支撑5.0V的PCI总线标准内置JTAC边界扫描电路通过串行配置器件、智能控制器或者JTAG端口可以对电路重构,时钟自举可以提供时钟倍乘器。
4.灵活的内部互连。具有快速连续式延时可预测的快速通道互连(Fast Track)能提供实现快速加法器、计数器和比较器等算术功能的专用进位链和实现高速多扇人逻辑功能的专用级连链。
5.强大的I/O功能。每个引脚都有独特的三态输出使能控制可编程输出的压摆率控制可以减少电平转换产生的噪声;引脚与引脚间有用户可选的钳位电路;并且支撑热插拔等。
 
3.FPGA的数据配置与下载
在FPGA器件正常丁作时,它的配置数据存储在SRAM中。由于SRAM工艺的易失性,系统掉电以后其内部配置数据将丢失,因此每次加电时,配置数据都必须重新构造。FPCA的配置是有时序要求的,如果FPGA本身不能控制配置时序,就需要有外部配置器件来进行时序控制。以Altera企业的系列FPGA为例,其本身不能控制配置时序,就有专用的EPC系列配置器件供其使用。在含有微处理器(MPU或MCU)的系统中,可以使用微处理器产生配置时序,将保存在系统的配置数据置人FPGA。配置数据也可以通过 Altera的Bit Blaster串行下载电缆和Byteblaster并行下载电缆下载到器件中。配置完成后,还可以通过复位进行在线重配置,装入新数据,实现新功能。由于重新配置所需时间少于100ms,所以在系统工作过程中可以实时地改变配置。
3.1使用配置器件进行配置
EPC器件能够为ACEX系列器件存储配置数据。EPC器件具有以下特点:配置时电流很小,器件正常工作时,EPC器件为零静态电流不消耗功率:提供3.3V/5.0V等多种接口电压MAX+PLUSII和Quartos等开发App均提供对EPC器件的支撑。
配置器件的控制信号(如nCS,OE和DCLK等)直接与ACEX器件的控制信号相连。ACEX器件不需要任何外部智能控制器就可以由配置器件进行配置。配置器件的OE和nCS引脚控制着DATA输出引脚的三态缓存,并控制地址计数器的使能。当OE为低时,配置器件复位地址计数器,DATA引脚为高阻状态。nCS引脚控制着配置器件的输出。如果在OE复位脉冲后nCS始终保持高电平,计数器将被禁止,DATA引脚为高阻。当nCS置低后,地址计数器和DATA输出均使能。OE再次置低时,不管CS处于何种状态,地址计数器都将复位,DATA引脚置为高阻。示意图如图3。
上拉电阻需要接到与配置器件同样电压的电源上,所有的上拉电阻为1k欧姆:NINIT CONF管脚仅仅在EPC2系列器件中存在,如果 NINIT CONF管脚不存在或没有使用, NCONFIG必须直接连接到Vcc或者通过k欧姆电阻上拉到Vcc。
3.2被动配置方式
ByteBlaster并口下载电缆通过标准并口与PC机相连,是在系统配置。它的构成为:与PC机并口相连的25针插座、与目标PCB板插座相连的10针插头和25针到10针的变换电路。在MAX+PLUSI开发环境下,可直接对ACEXIK器件进行PS配置。此种配置方式使用的配置文件为sOF文件,此文件是在设计综合过程中自动形成的。将 Byteblaster电缆的一端与微机的并口相连(LPT1),另一端10针插头与装配有FPGA器件的PCB板上的插座相连,如图4所示。所有的上拉电阻均为1K。JTAC编程方式用于ACEXIK器件的下载文件为SOF文件。单个器件的 JTAG编程连接电路图如图5。
 
在 Programmer窗ロ下,取消菜单JTAG中的Mufti-Device JTAC Chain选项,使系统处于单个器件编稈方式。选择菜单File/Select Programming File对话框,在其中选好需要下载的文件,再回到编程器窗口。用PGA实现数字信号处理是一种新技术。利用FPCA等硬件手段进行数字信号处理丁作,这样可以节省大量的计算时间,提高涡街流量计仪表的实时性,也可以起到比较好的效果。
 

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