基于FPGA的互相关流速计

在众多的工业现场中，两相(气/液，气/固和液/固)流体的测量是一个长期未能得到很好解决的难题。互相关技术和超声波传感器的出现使两相流的非接触式测量成为可能。因此，超声波互相关流速计的研究是一项具有重大意义的课题。 本文提出了一种采用互相关技术实现气/液、液/固两相流流速及流量非接触式测量的方案。该方案的核心器件为FPGA芯片EP1K50QC208-3，利用FPGA数字硬件电路运算的快速性和可开发性构成流速计，勿需其它处理器单元。A/D采样控制、相关运算、峰值搜索和流速及流量计算均由FPGA完成。由于所有运算都由数字硬件电路完成，所以具有运算速度快、实时性强、可靠性高的特点。 由FPGA实现的功能主要有以下几部分：外围电路控制器，互相关器和通讯接口控制器。核心部分是互相关器，所有的功能模块均由VHDL语言开发。并且为满足互相关运算的要求，在FPGA内部还设计了两个RAM作为上、下游流动噪声信号的缓存。该实时测量系统的外围电路包括超声波传感器、发射器振荡电路、接收器信号处理电路和A/D芯片。而外围电路控制器的主要作用则是控制A/D芯片采样和上、下游流动噪声信号的数据缓存。由超声波发射器发出的信号被流体内部的离散相调制之后，超声波接收器接收到的信号经放大、滤波之后，经A/D转换后，送入FPGA内置RAM中缓存。互相关器对存储在RAM中的上、下游的采样数据进行互相关运算，经峰值搜索，流速计算即可得到流体流速。由于相关计算包含大量的乘法和加法运算，这些运算需要消耗大量的时间，为了满足流速测量的实时性要求，在本设计中，应用EDA技术开发了一种基于FPGA的互相关器，相关运算全部由数字硬件电路实现，因而具有很好的实时性和可靠性。为了提高计算精度，采用浮点数运算。本文定义了一种新的可以在FPGA中实现的浮点数运算结构，计算结果可以保留到小数点后三位。为了实现计算机的远程监控，还设计了RS232串行通讯接口。 在FPGA开发的各功能模块，经调试功能正确。由计算机产生的模拟上、下游传感器输出的两路信号输入FPGA，经相关运算之后传入上位机，绘制互相关曲线，结果表明本设计符合要求。