硬件系统设计

该检测系统的硬件系统设计主要由超声波换能器、CPLD功能、驱动发射、接收放大和过零比较等模块组成。系统工作时，单片机先向CPLD发送指令，CPLD的内部PULSE功能模块产生600 ns的驱动脉冲，同时CNT功能模块开始计时：驱动脉冲进入驱动发射电路使超声波换能器1产生超声波信号；接收到的信号比较微弱，需通过由LF357和LM318组成的三级接收放大电路对其放大；将放大信号再通过由MAX903组成过零比较电路，从而为CLPD中的CNT功能模块提供一个停止计时的高电平信号。将CNT中所计时的数据换算为时间，再由换能器2发送，换能器1接收。用CNT记录另外一组时间数据，二者相减得到顺流和逆流的声时差△t,计算出系统的流速和流量。该检测系统的关键是要得到准确的驱动脉冲和精确的顺逆流时间。所以，选用Aher公司CPLD的MAXⅡ系列EMP240T100C5N,并配有100 MHz的晶体振荡器，CPLD功能模块是该系统硬件设计的核心。

3.1 CPLD功能模块

CPLD功能模块主要由6个子模块组成，它们都是利用VHDL语言编写，各自的功能：DECODER子模块是将单片机的指令经过解码传输给CPLD内部各个子模块；CNT子模块负责计时；PULSE子模块产生驱动脉冲：CNT_SP子模块产生CNT的停止计时信号；SEL_2用于选取将CNT中的16位数据的前8位和后8位；TRIBUFFER可将SEL_2选择的8位数据传输给单片机。

其工作流程如下：通过单片机的P2端口使CPLD工作。由PULSE子模块发送特定脉冲信号驱动超声波换能器，CPLD在发射脉冲的同时CNT子模块开始计时，接收放大电路接收信号并经过零比较后，向CPLD的PULSE_ACT口提供停止计时的高电平信号。然后CPLD就将CNT中计时的16位数据以8位的形式通过SEL_2,TRIBUFFER再通过P0口上传给单片机。由单片机实现数据处理，最后上传或直接显示数据目。

3.2 CPLD中关键子模块的功能仿真

由于检测系统要求准确的驱动脉冲和精确的顺逆流时间，因此PULSE和CNT两个子模块成为设计的关键模块。这2个模块设计的好坏直接影响整个系统性能，功能仿真和验证设计的可行性。

3.2.1 PULSE子模块仿真

根据频谱分析，驱动脉冲宽度与传感器频率之间存在最佳关系式，当脉冲宽度满足该关系式时，接收传感器的接收信号质量最佳。该设计采用2.5 MHz的超声换能器，经计算驱动脉冲最佳为600 ns.CPLD控制信号可以达到纳秒级的控制精度。因此可产生控制信号，既克服了模拟器件抗干扰性差的缺点。CPLD产生控制信号再经光电隔离进入驱动电路。从而控制150 V高压驱动超声发射传感器，驱动信号采用单脉冲驱动，EMP240T100C5N用100 MHz时钟晶体振荡器发送600 ns驱动脉冲信号。

 

3.2.2 CNT子模块仿真

超声波测流量系统的关键技术是对超声波在顺流和逆流这两种情况下的准确的计时。计时越精确所得时间差越准确，有利于后续流速和流量的计算。由于超声波的频率为2.5 MHz,所以需要计时器的工作频率与之相适应。该系统设计的CPLD采用100 MHz的有源晶体振荡器，时钟周期达到10 ns.计时原理为：当CPLD从开始发送脉冲信号时开始计数，当接收到脉冲信号时停止计数。通过换算，将CPLD所计的数值换算成超声波在液体中所用时间，从而实现计时功能。

 

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