基于TMS320C6748和XC6SLX16的超声多普勒流量计的设计

曲兆松，王 帅，夏丽娟

(南京思孚泰科信息技术有限公司，南京 210023)

0 引 言

目前，明渠流量测量是流量监测需求中的一个重要角色，而明渠流量计是用于非满管状态、敞开渠道中测量自由表面流的流量仪表，广泛应用于城市供水水渠、污水排放水渠、工矿企业管线供水、废水以及农业灌溉等关系国计民生的重要环境当中。

超声多普勒原理是基于多普勒原理，利用遥距测量的方式，对位于探头前方一定距离的采样点进行流速测量。超声多普勒流量计是基于超声学多普勒效应原理基础上研制的测流、测量产品。被测量点位于探头的前方，不会破坏流水环境，使流量流速测量结果的瞬时性得以保证。该流量计具有测量精度高、响应速度快，既可以用来测量弱流，也可以测量强流。由于流量计的探头结构是根据适用野外环境需求进行特殊设计的，所以坚固耐用，不易损坏，使流量计具有更好的实用、耐用等特点。

本文采用超声多普勒测速计算，并结合模拟电路、FPGA、DSP等电子技术，实现信号发射、信号接收、模拟信号放大、数字电路采集、信号处理、信号传输等，获得水体流速、流量，为水力学、流体力学基础研究和国家能源、水资源利用和水污染防治等重大战略需求提供坚实的技术支撑与设备保障。

1 系统结构设计

整个硬件系统主要由超声传感器、信号发射模块、信号接收模块、信号逻辑控制模块、信号缓存模块以及信号处理模块6个部分。见图1。在信号逻辑控制模块中，XC6SLX16(即FPGA)产生脉冲信号，并发送到信号发射模块，脉冲信号经过发射模块后被放大，然后被发送至超声探头，超声探头会根据脉冲电信号的变化产生相应的超声波信号。当发射出去的超声波遇到水粒子后会被反射回来，并被接收探头接收，反射信号需要依次经过信号放大，信号滤波电路，然后进入ADC电路，实现模拟、数字信号的转换，通过FPGA的控制，数字信号将被缓存到信号缓存模块，同时被传送到TMS320C6748(即DSP)。 DSP实现数字信号的处理与分析，获得信号的频移，从而计算得出水流的速度。通过压力传感器获得所在位置的水的深度，然后结合所在渠道的宽度算出横截面，这样即可算出当前位置的流量值。

图1 系统结构图Fig.1 The structure of system

1.1 系统硬件结构设计

本系统中采用的XC6SLX16属于Spartan-6系列的FPGA。Spartan6系列具有成本低，功耗低、处理速度快等特点，具有多电压、多标准接口，便于兼容扩展应用。支持DDR、DDR2、DDR3和LPDDR存储模块，数据速率高达800 Mb/s。采用多端口总线结构，带有独立FIFO，能够减少设计时序问题。还拥有丰富的逻辑资源，支持移位寄存器或分布式RAM，具有双触发器功能。拥有高性能算术与信号处理，不仅配备快速18X18乘法器和48位累加器，同时还拥有流水线与级联功能。时钟管理模块(CMT)，具有低噪声，高灵活度的时钟控制结构，能够消除时钟歪斜和占空比失真，精准实现倍频、分频和调相。采用低成本、简易的配置方式，利用双引脚自动检测配置，支持第三方SPI(高达4位宽度)和NOR闪存。XC6SLX16拥有2 278个Slice和18 224个触发器，BlockRAM模块最大可达576 Kb，拥有最多可达232用户I/O接口。

采用异步SDRAM芯片 IS61LV25616AL作为数据缓存芯片，拥有高速率、低功耗、三态输出、全静态操作、无时钟控制等特点，操作极为简单方便。拥有4M存储空间，保证测量数据安全存储。

数据处理芯片TMS320C6748是DSP芯片，是德州仪器(TI)推出浮点功能的全新高性能处理器，这款芯片也是业界功耗最低的浮点数字信号处理器，拥有二级高速缓冲存储器结构，128kb内存共享内存，6个ALU功能单元，支持双32X32-Bit乘法器，4个16X16-Bit乘法器或者更复杂的乘法器，支持错误检测，配备两个外部存储器接口EMIFA和DDR2/Mobile DDR控制器，3个可配置的16550型UART模块，10/100 Mbps Ethernet MAC (EMAC)。

1.2 系统软件结构设计

本系统检测软件流程图见图2。系统上电后DSP、FPGA分别完成初始化，完成系统的默认配置。FPGA中完成对发射信号和接收信号的逻辑控制，以及对信号数据的缓存和上传DSP，DSP中完成对接收到信号的处理，并向上发送给PC。

2 流速仪测量原理及流量计算

2.1 超声多普勒流速测量原理及流速计算

超声多普勒原理把观测源的频率变化同观测源和观测者的相对速度相联系。当流动的水体中所包含的细小的泥沙颗粒和其他物体伴随水体进行运动时，发射的超声波频率遇到颗粒物后发生反射和散射现象，则超声频率将发生变化，即由于相对运动导致的频率的变化。

多普勒频移即由于反射物的运动造成的接收到的反射信号的频率变化，也能描述为两个连续且独立的反射信号的相位差，其原理示意图见图3。发射声波的脉冲中只有非常小的声波能量被反射回传感器，大部分声波能量被吸收或者是被反射到其它方向。当反射体远离传感器端时，超声波频率移到较低频率，这种频移同超声传感器与反射体之间的速度成比例。部分多普勒频移的超声波散射到接收传感器端，散射体将作为超声波源，超声波频移一次后，又再次频移。通过对测量空间内大量散射体的多普勒频移信息的感知和处理，可计算出水流速度 。

图3 超声多普勒原理Fig.3 Ultrasonic Doppler principle

其中，fe为发射端发射信号频率，fr为频率fe经过水颗粒散射后的携带偏移信息fd的超声波信号频率，即多普勒频移：

fd=fr-fe

(1)

当水流团体以速度V0向探头流动时，超声波被水流团子反射回去后，接收探头接收到的声波频率为：

(2)

其中c为声波速度。由式(1)和式(2)可得超声多普勒频移：

(3)

因为c远大于Vr，Vr与Ve近似相等，所以：

(4)

由此可以得出：

(5)

2.2 流量计算

根据压力传感器可以得知当前测量位置的水深H，根据测试现场设计标准中，可以获得水槽或水渠等的宽度信息，这样即可获得横截面积S。将式(5)代入流量计算公式Q=V0S，即可得出流量值Q与频偏fd的关系式：

(6)

3 结 论

本文介绍了一种基于超声多普勒原理，采用FPGA+DSP相结合的低功耗明渠流量计。通过一发一收组合方式实现声学多普勒频移信号的获取。硬件设计上对信号进行了滤波，放大处理；软件上通过算法对采集数据进行优化处理，保证了测量数据精度的，再结合压力传感器得到的水深信息从而获得流量值。该系统结构简单，安装便捷，可以广泛应用于流量测量。