基于FPGA的互相關(guān)流速計的研究與設(shè)計.pdf

1、在眾多的工業(yè)現(xiàn)場中，兩相(氣/液，氣/固和液/固)流體的測量是一個長期未能得到很好解決的難題?；ハ嚓P(guān)技術(shù)和超聲波傳感器的出現(xiàn)使兩相流的非接觸式測量成為可能。因此，超聲波互相關(guān)流速計的研究是一項具有重大意義的課題。 本文提出了一種采用互相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)氣/液、液/固兩相流流速及流量非接觸式測量的方案。該方案的核心器件為FPGA芯片EP1K50QC208-3，利用FPGA數(shù)字硬件電路運算的快速性和可開發(fā)性構(gòu)成流速計，勿需其它處理器單元。

2、A/D采樣控制、相關(guān)運算、峰值搜索和流速及流量計算均由FPGA完成。由于所有運算都由數(shù)字硬件電路完成，所以具有運算速度快、實時性強、可靠性高的特點。 由FPGA實現(xiàn)的功能主要有以下幾部分：外圍電路控制器，互相關(guān)器和通訊接口控制器。核心部分是互相關(guān)器，所有的功能模塊均由VHDL語言開發(fā)。并且為滿足互相關(guān)運算的要求，在FPGA內(nèi)部還設(shè)計了兩個RAM作為上、下游流動噪聲信號的緩存。該實時測量系統(tǒng)的外圍電路包括超聲波傳感器、發(fā)射器振蕩電

3、路、接收器信號處理電路和A/D芯片。而外圍電路控制器的主要作用則是控制A/D芯片采樣和上、下游流動噪聲信號的數(shù)據(jù)緩存。由超聲波發(fā)射器發(fā)出的信號被流體內(nèi)部的離散相調(diào)制之后，超聲波接收器接收到的信號經(jīng)放大、濾波之后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送入FPGA內(nèi)置RAM中緩存?；ハ嚓P(guān)器對存儲在RAM中的上、下游的采樣數(shù)據(jù)進行互相關(guān)運算，經(jīng)峰值搜索，流速計算即可得到流體流速。由于相關(guān)計算包含大量的乘法和加法運算，這些運算需要消耗大量的時間，為了滿足流速測量的

4、實時性要求，在本設(shè)計中，應(yīng)用EDA技術(shù)開發(fā)了一種基于FPGA的互相關(guān)器，相關(guān)運算全部由數(shù)字硬件電路實現(xiàn)，因而具有很好的實時性和可靠性。為了提高計算精度，采用浮點數(shù)運算。本文定義了一種新的可以在FPGA中實現(xiàn)的浮點數(shù)運算結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果可以保留到小數(shù)點后三位。為了實現(xiàn)計算機的遠程監(jiān)控，還設(shè)計了RS232串行通訊接口。 在FPGA開發(fā)的各功能模塊，經(jīng)調(diào)試功能正確。由計算機產(chǎn)生的模擬上、下游傳感器輸出的兩路信號輸入FPGA，經(jīng)相關(guān)運算之