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基于FPGA的超声流量测量系统研究

作　者: 吕方
导　师: 张涛
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 超声波气体流量计脉冲压缩信号互相关时差法现场可编程门阵列(FPGA) 直接数字频率合成器(DDS)
分类号: TH814.92
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超声波流量计作为无压损、易于安装维护的仪表在工业领域得到广泛的应用。尤其在天然气计量领域,虽然孔板流量计仍是最主要的手段,但超声波流量计具有无可动部件、无压损、测量精确度高等优点,它的潜力和后发优势是很明显的。随着相关标准的发布和实用问题的探索,超声波流量计一定会在这一领域广泛推广应用。本文将互相关时差法与脉冲压缩编码信号应用于超声流量测量系统的信号处理中。互相关时差法结合了传统时差法和相关法,继承了它们的优点,又克服了时差法触发时刻不容易确定、时间差难以直接精确测量,相关法被测对象不确定性、易受驻波影响等缺点。为了提高系统高精度,课题将雷达系统中常用的脉冲压缩信号应用于气体超声流量测量系统中。由于脉冲压缩信号具有足够大的脉冲宽度和带宽,因此信号能同时具有大的作用距离和高的距离分辨力,与原先使用的调幅信号和调频信号相比,脉冲压缩编码信号具有明显的优势。课题选用二进制移相键控编码信号以及线性调频信号进行气体超声流量测量系统的研究。硬件电路主要基于FPGA完成。电路主要包括发射模块、接收模块、存储模块以及一些辅助模块,可完成超声波的发射、接收、采样、存储以及上传等功能。其中发射模块基于DDS(直接数字合成)原理,产生不同带宽与时宽的脉冲压缩信号。课题实现了气体超声流量测量实验平台。数据采集使用NI6251数据采集卡,采集出的数据直接传送至PC机。上位机方面,课题基于LabVIEW软件完成上位机界面,上位机利用正交解调的计算方式实时在线处理数据,完成相关峰值以及延迟时间的计算。当实验平台完成后,课题对实验平台的性能进行了测试,测试结果证明实验平台能够正常工作,相关运算峰值位置的变化能够反映流量的大趋势。本文对测量误差进行了简要分析,并且提出了改进方案。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题的研究背景及意义  8-9
  1.2 国内、外研究历史及现状  9-12
    1.2.1 超声波气体流量计产品及性能研究  10-11
    1.2.2 时差法超声波气体流量计研究  11-12
  1.3 相关流量测量技术的发展历史及现状  12-13
  1.4 本课题工作及主要创新点  13-14
  1.5 本文的内容安排  14-16
第二章超声波流量测量原理与误差分析  16-24
  2.1 时差法超声波流量计简介  16-17
  2.2 时差法误差分析  17-19
  2.3 基于相关理论的时差法超声波流量计  19-21
  2.4 脉冲压缩原理  21
  2.5 脉冲压缩信号编码方式  21-24
第三章超声测量系统硬件电路  24-48
  3.1 超声流量测量系统硬件整体构架  24-25
  3.2 超声换能器选型研究  25-26
  3.3 发射模块  26-39
    3.3.1 DDS 模块原理  26-27
    3.3.2 DDS 模块实现方案的研究  27
    3.3.3 二进制相移键控的DDS 模块  27-35
    3.3.4 线性调频的DDS 模块  35-39
  3.4 接收模块  39-41
    3.4.1 差分放大电路  39-40
    3.4.2 带通滤波电路  40-41
  3.5 存储模块  41-46
    3.5.1 基于内部FIFO 的内部采样存储结构  41-43
    3.5.2 基于外扩SRAM 的AD 采样存储结构  43-46
  3.6 串口通讯模块  46-47
  3.7 时序控制模块  47-48
第四章实验平台构建及性能测试  48-60
  4.1 气体流量装置简介及试验方法  48-49
  4.2 实验平台整体构架  49-50
  4.3 NI6251 数据采集卡的连接与控制  50-52
    4.3.1 数据采集卡测量方式的选择  50-51
    4.3.2 采集卡时序控制设计  51-52
  4.4 上位机程序设计  52-56
    4.4.1 数据采集卡驱动程序  53
    4.4.2 数据处理程序  53-56
  4.5 实验平台性能测试  56-60
第五章总结与建议  60-61
参考文献  61-64
致谢  64

基于FPGA的超声流量测量系统研究

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