采用FPGA + DSP双核芯结构,研制气体超声流量计驱动和数字信号处理系统。利用FPGA很高的工 作频率和丰富的内部资源，实现高速DAC和ADC的驱动控制和数据存储;利用DSP的高速运算能力，实现数字 信号的实时处理。针对利用正弦波驱动产生的超声波回波信号，基于实验数据统计，提出跟踪回波信号峰值的 可变阈值法，准确地提取特征波，有效地克服了噪声的影响，扩展了量程比。气体标定实验结果验证了方法和系 统的有效性。

1.引言

气体超声流量计在计量精度、可靠性、压力损 失、维护费用以及制造成本等方面相比于其它气 体流量计（如孔板、涡轮流量计等）具有独到的优 势。但超声波在气体中传播时能量衰减快，并 且由于声速-流速比小，超声波的传播路径将随着 气体流量的增加产生偏移，导致接收换能器产生 的回波信号更加微弱，甚至淹没在噪声中，影响流 量测量精度。为此文献将数字信号处理方 法应用于气体超声波流量计，以提高其测量精度 和扩展其量程范围；Daniel公司通过检测能量突变 的方法查找过零点;Instromet公司通过使用多 次移位叠加的方法提高了信噪比Elster公司则 通过顺流信号和逆流信号之间的互相关运算得到 传播时间差。国内的气体超声流量计则主要采 用模拟阈值检测的方法，采用比较器和计时芯片(TDC-GP2)获得传播时间，精度低，抗干扰能力 差；而相关文献中提及的数字信号处理算法往往 不适用于大流量时的回波信号，难以保证运算的 实时性。

为了克服国内流量计模拟方法的弊端，需要采 用数字信号处理方法，以得到回波信号中更多的有 效信息，从而准确地拾取特征波。同时，为了保证数 字信号处理算法的实时性，需要为其提供高速的信 号处理与时序控制平台。为此，本文针对直射式双 声道四换能器，研制基于FPGA和DSP的双核芯信 号激励和处理系统，并进行气体流量标定实验。

2.系统硬件研制

2.1硬件方案

为了实现数字信号处理，需要解决以下2个关 键问题:（1)气体超声流量计的换能器谐振频率高 达200 kHz，因此，硬件电路不仅需要实现高频驱动 信号的高电压输出，而且需要实现高频回波信号的 高精度采样。（2)气体超声流量计的回波信号为时 变信号，因此，硬件电路需要为数字信号处理方法提 供充足的运算资源，保证测量结果的实时性。为此， 在硬件电路中，选用高速流水线型ADC芯片完成超 声回波信号的采样;选用DSP芯片完成数字信号处 理;选用FPGA芯片配合DSP芯片完成系统的时序 控制，并且借助于FPGA控制高速DAC芯片产生各 种驱动信号。系统主要包括发射/接收信号通道切 换电路、驱动信号生成和放大电路、回波信号调理与 采集电路、时序控制与信号处理电路、人机接口、串 口通讯和电源管理模块，如图1所示。

2.2驱动信号生成和放大电路

高速DAC实现了驱动信号的电流型输出。电 流型驱动信号在通过I/V转换模块转换为电压型信 号之后，再依次通过电压放大、功率放大和变压器放 大电路，最终被放大至60 V (峰-峰值）输出到发射 换能器。

2.3回波信号调理与采集电路

回波信号在通过放大、滤波电路之后，信噪比得 到增强。然后，通过全差分运放将其转换为差分信 号，并且由高速流水线型ADC完成回波信号的采集 和转换。

2.4发射/接收信号通道切换电路

在超声波流量计的工作过程中，4个换能器依次作为发射/接收装置。使用选通开关搭建的发射/ 接收信号通道切换电路，即可实现换能器功能状态 之间的转换。由此形成的4个通道，依次定义为A、 B、C和D，其中，A、B对应为顺流路径，C、D对应为 逆流路径。

2.5时序控制与信号处理电路

FPGA时序控制与DSP信号处理电路如图2所示。

硬件电路的工作流程为：DSP为主控芯片，当 DSP向FPGA发送“开始测量”信号，FPGA立即启 动延时模块，同时调用内部ROM模块中存储的波 形数据，以20 MSPS(20 MHz)的速率传输至驱动信号生成和放大电路，再经由DSP控制的切换通道输 出至发射换能器端。管道内的超声波经过一段渡越 时间后，到达相应的接收换能器端，形成超声回波信 号。超声回波信号再经由DSP控制的切换通道输 入至回波信号调理和采集电路，由外部ADC依据 FPGA提供的5MHz采样频率完成数据转换。FPGA 内部的RAM_2PROT模块用于暂存ADC的转换码 制，当延迟模块确定的延迟时间到达以后，通过并口 线传输至DSP。最后，由DSP进行信号处理，完成 流量计算与结果输出。

3.系统软件研制

3.1信号处理方法

气体超声流量计信号处理的关键是在超声 回波信号中确定某一特征波，然后根据这一特征 波来计算超声波在各个通道中的传播时间。但 是，超声回波信号中的诸多正弦波没有明显的特 征，如图3所示。定义具有最高幅值的正弦波峰 值点为回波信号的峰值点，而其它正弦波峰值点 为回波信号的极值点。可见，回波信号的峰值点 对应的正弦波及其幅值都会发生变化，即有时第 10个正弦波的幅值最大，有时第11个正弦波的 幅值最大，且对应采样点处的信号幅值也存在较 大差别。因此，不能通过峰值点和通过某1固定 阈值来确定特征波。为此，提出了跟踪回波信号 峰值的可变阈值法方法。

为了寻找合适的特征波，首先分别采集了 A、B、 C、D 这 4 个通道在 0,30 m3/h,60 m3/h,100 m3/h, 200 m3/h,300 m3/h,400 m3/h,500 m3/h,600 m3/h， 700 m3/h,800 m3/h,900 m3/h,1 000 m3/h 流量点时 的超声回波信号各50组。随着流量的增加，气体超 声流量计换能器产生的回波信号幅值逐步衰减，并 且即使对应于同一流量，回波信号的幅值也会因为 流体波动等原因出现急速地大幅度跳变。因此，为 了便于分析数据特征，在将信号进行带通滤波（滤 波器中心频率为200 kHz,带宽为180 kHz)之后，采 用了幅值归一化的方法，即以回波信号的峰值为1 个单位;然后，求取其他信号采样点相对于回波峰值 的比值;最后，将归一化后不同流量的回波信号峰值 点及其之前的各极值点绘制于同一幅图中，如图4 所示。由于A通道为顺流方向，因此，采样点的最 左侧对应为最大流量1 000 m3/h，最右侧对应为零 流量；自左向右，流量逐步递减。

通过比较图4中每条曲线形状和趋势，发现不 同流量点对应的回波信号波形大致相似，并且归一 化后回波信号中峰值点之前的各正弦波幅值，即各 极值点基本维持为常量，且呈现为近似水平分布。 尤其是介于0. 30和0. 75之间的各极值点，它们不 仅近似水平分布，而且同一流量下相邻极值点之间 相距较远。因此，可以通过设置一阈值，将两组相邻 的极值点水平分布带区分开来。因为每个极值点都 对应为回波信号中的一个正弦波，所以，由此便将回 波信号峰值点之前的某两个正弦波分辨出来。为了 最大限度地维持测量结果的稳定，将该阈值设置为 图4中相邻间距最远的Band-1和Band-2之间的中 点值0.45。

当归一化后的正弦波幅值超过该阈值（0. 45) 时，该正弦波即被选择为特征波。由于设定的阈值 为极值点和峰值点之间的比例值，阈值电压取决于 回波信号的峰值电压，因此，这种寻找特征波的方法 被称为跟踪回波信号峰值的可变阈值法。

针对B、C、D通道，采用与A通道相同的方法选 定各自的归一化极值点’确定特征波。虽然由于换 能器之间的性能存在差异，对应的极值点可能存在 差别，但是，在整个量程范围内，归一化后极值点均 呈现水平分布。为了验证该方法的普适性，随机更 换了 4个通道中的某些换能器，发现该规律依然 满足。

为了消除随机误差，首先利用线性插值的方法 获得回波信号中达到阈值电压之后的8个过零点。 在获得8个过零点对应的传播时间之后，根据式

式中:D为管道直径；为倾斜角，即声道与管道轴 线之间的夹角。

3.2 DSP软件实现

DSP软件设计采用模块化设计方案，将完成特 定功能或者类似功能的子程序组合为功能模块。 主要功能模块有:初始化模块、与FPGA数据传输模 块、数据处理模块、通讯模块、人机接口模块等，并由 主程序统一调用和协调各模块正常有序工作。

初始化模块负责系统内过程参量和各外设初始 工作状态的初始化。与FPGA数据传输模块主要完 成ADC转换码值的迁移，即由FPGA内部RAM_ 2PORT空间迁移至DSP内部RAM空间。数据处理 模块主要包括信号滤波、传播时间计算、异常值筛 选、流量计算及其误差校正等子模块。通讯模块采 用SCI监听上位机控制指令。人机接口模块则用于 液晶刷新和参数修改等。系统上电或者复位后，主 监控程序先调用各模块的初始化子程序，选通相应 的发射和接收通道，然后通知FPGA开始测量，等待 一段时间之后，从FPGA中读取数据进行数据处理， 循环工作。

4.实验结果

为了考核研制的气体超声流量计的测量精度， 分别在国内两家有资质的流量仪表标定站和一家流 量仪表公司进行了气体流量标定实验。限于篇幅， 仅给出一次标定结果如表1所示。实验采用音速喷 嘴标定装置，该装置的准确度等级为0. 3级。实 验过程为：

关闭管道阀门，并且封堵管道人口，保证管 道内气体流速为0，根据一段时间内，仪表显示的累 积流量，修正两对声道的零点，即初始传播时间差；

依次完成 30 m3/h,60 m3/h,100 m3/h,200 m3/h,300 m3/h,400 m3/h，500 m3/h,600 m3/h,700 m3/h,800 m3/h,900 m3/h,1 000 m3/h 这 12 个流量 点的初步标定，计算各流量下的相对误差;

依据上述流量点的相对误差，进行分段线 性化，并将修正参数写人DSP;

参照JJG 1030—2007超声流量计检定规 程的要求，对气体超声流量计进行标定。

JJG 1030—2007超声流量计检定规程中定义 了分界流量qt，即在最大流量和最小流量之间的 流量值，它将流量范围分割成允许误差不同的2 个区，高区和低区，并且对气体流量计，对应的流 速应不大于3 m/s。口径100 mm的气体超声流量 计，该分界流速对应的流量约为85 m3/h。另外， 对气体超声流量计的准确度等级做出了规定，即1 级精度的流量计在qt sS q sS qmax的流量范围（高区） 内，最大允许误差为± 1%，在SqSqt的流量 范围（低区）内，最大允许误差不超过±0. 2% ;同 时，其对气体超声流量计的重复性做出了规定，流 量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的最 大允许误差绝对值的1/5，即1级精度的流量计在 高区和低区流量范围内，重复性分别不得超过 0.2%和0.4%。由表1可见，本文研制的气体超 声流量计完全符合JJG 1030—2007中针对1级精 度的相关规定；同时，标定结果显示，本文研制的 100 mm 口径的气体超声流量计的上限流量达到 了 1000 m3/h，超出了国内气体超声流量计公司和 艾默生过程管理公司旗下Daniel公司选型手 册[1M7]中分别标明的30 m/S，即850 m3/h，拓宽了 气体超声流量计的量程比。

5.结论

研制了基于FGPA和DSP的双核芯的气体 超声流量计数字信号处理系统。该系统不仅实现了 气体超声波换能器的高频驱动和高速采样，而且保 证了气体超声波回波信号处理算法的实时实现。

基于大量实验数据的统计分析，提出了 跟踪回波信号峰值的可变阈值过零检测方法，准 确地拾取特征波，克服了大流量时回波信号微弱 且波动剧烈等不利因素，且运算量小，有利于量 程范围的扩展。

实验结果表明，该气体超声流量计测量准 确度满足JJG 1030—2007超声流量计检定规程中 对于1级精度的检定要求，并且满足GB/T 18604— 2001用气体超声流量计测量天然气流量标准中 对口径小于300 mm的多声道超声流量计的计量精 度要求，接近Daniel公司JuniorSonic系列同类型气 体超声流量计的精度水平，量程比优于国内外同类 型气体超声流量计。