[導(dǎo)讀] 嵌入式系統(tǒng)因其高可靠性、低成本、低功耗、軟硬件可裁剪而廣泛應(yīng)用于智能式儀表測量領(lǐng)域。通過在FPGA中的SOPC定制外圍設(shè)備，提出了一種基于NIOSⅡ軟核處理器的明渠流量測量系統(tǒng)，闡述了人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理、串行通訊等模塊功能并進(jìn)行相應(yīng)的軟件程序設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該流量計不僅抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高、穩(wěn)定性好，而且因其可定制性提高了系統(tǒng)的靈活性及易維護(hù)性。
流量測量在工礦企業(yè)、農(nóng)田河流、環(huán)境保護(hù)等許多領(lǐng)域中占有非常重要的位置。作為流量監(jiān)測的重要組成部分，明渠流量測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)、河流、農(nóng)業(yè)用水中給、排水槽流量測量，由于多數(shù)場合被測液體均有較多雜質(zhì)和一定的腐蝕性，故采用非接觸法測量，從而超聲波流量計得到大量應(yīng)用。
目前多數(shù)超聲波流量計都是以MCU作為主控芯片，其輸出信號頻率較低且可升級性差、精度低。文中采用在FPGA中構(gòu)建NIOSⅡ軟核的方法實現(xiàn)對超聲波明渠流量計的核心控制，在設(shè)計過程中由于SOPC（可編程片上系統(tǒng)）的可定制性，使其硬件設(shè)計靈活可靠。
1 超聲波明渠流量計的基本原理
明渠流量計是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。非滿管狀態(tài)流動的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的儀表稱作明渠流量計（openchannelflowmeter）。明渠流通剖面除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。按測量原理大體可分為堰法、測流槽法、流速-水位計算法和電磁流量計法。實際應(yīng)用最為廣泛的是堰式和槽式流量計[1]。以超聲法檢測明渠液位并進(jìn)而計算流量的儀器儀表稱為超聲波明渠流量計。圖1為超聲波明渠流量計原理圖。
圖1 超聲波明渠流量計原理圖
當(dāng)被測介質(zhì)全部通過流量槽（Parshall-巴歇爾槽，無喉道槽）或堰（直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰）形成自然流動時，其流量Q與流量槽上流水位H就有如下關(guān)系式：
（1）
式中K、n為流量系數(shù)，對于不同規(guī)格的槽或堰有不同的值，H是液位高度（m）。
氣介質(zhì)超聲波液位傳感器在微處理機(jī)系統(tǒng)的控制下，進(jìn)行超聲發(fā)射和接收，由超聲波的傳播時間T來計算傳感器與液面之間的距離h：
（2）（2）
式中C為超聲波在空氣介質(zhì)中傳播速度（m/s），設(shè)傳感器至流量槽堰零液位時距離為hmax，則液位高度。在得知液位高度H=hmax-h后便可以通過計算求的液體的流量了。
2 SOPC硬件系統(tǒng)設(shè)計
圖2為系統(tǒng)SOPC結(jié)構(gòu)圖[2]。主要由32位NIOSⅡ軟核處理器、Avalon數(shù)據(jù)總線、串行通訊控制器、EPCS串行Flash控制器、數(shù)據(jù)存儲控制器、LCD顯示控制器、鍵盤交互控制器、RS485通訊控制器、超聲波信號處理控制器、實時時鐘控制器、電流環(huán)輸出電路控制器組成，整個控制系統(tǒng)在一片現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）上實現(xiàn)。
圖2 系統(tǒng)的SOPC框圖
FPGA發(fā)送超聲波控制信號給超聲波收發(fā)電路，等待收到超聲波信號，放大、處理經(jīng)超聲波信號處理控制器得到實時流量，分別送到LCD顯示器顯示和數(shù)據(jù)存儲器存儲，鍵盤電路可以查詢之前記錄的流量值和設(shè)置時鐘、通訊等相關(guān)參數(shù)；RS485串行通訊和電流環(huán)輸出電路用于上位數(shù)據(jù)采集及異地顯示聯(lián)網(wǎng)。由于FPGA掉電丟失數(shù)據(jù)，故將程序存儲于EPCS串行flash中，F(xiàn)PGA上電后從flash中加載程序執(zhí)行。
SOPC系統(tǒng)通過AlteraQuartusⅡ軟件中的SOPCBuilder構(gòu)建。在SOPCBuilder中提供了NIOSⅡCPU、Flash存儲器接口、SPI控制器、定時器等IP核，其他模塊自定義設(shè)計[3]。如圖3為通過SOPCBuilder開發(fā)工具定制本系統(tǒng)的SOPC硬件系統(tǒng)。添加完FPGA引腳編譯后得到的原理圖文件如圖4所示。
圖3 系統(tǒng)的SOPC硬件系統(tǒng)
圖4 編譯后得到的原理圖
3 基于NIOSⅡ軟件設(shè)計
在進(jìn)行NIOSⅡ軟件設(shè)計前，應(yīng)先將上面產(chǎn)生的.sof下載到FPGA中，而后所有的軟件開發(fā)任務(wù)就在NIOSⅡIDE上完成，其中包括驅(qū)動程序和應(yīng)用程序[4]。部分模塊驅(qū)動程序如下。
3.1 工程LCD接口驅(qū)動
本設(shè)計用到的LCD是一種具有3線串行接口方式，內(nèi)含國際一級、二級簡體中文字庫的圖形液晶顯示模塊，通過CS、SCLK、SLD三線控制LCD的顯示。
圖5為LCD讀寫時序圖。
圖5 LCD讀寫時序圖
部分驅(qū)動程序如下：
3.2 數(shù)據(jù)存儲控制模塊
設(shè)計中采用FM31256來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲[5]和實時時鐘功能，該芯片是通過I2C串行控制線操作完成的[3]。I2C總線上的所有操作都是由SDA和SCL兩個腳的狀態(tài)確定的。在傳送數(shù)據(jù)時有三種類型信號：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)；結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)；應(yīng)答信號：接收信號的IC收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)IC發(fā)出低電平脈沖。圖6為I2C總線時序圖。
圖6 I2C總線時序圖
其I2C的部分驅(qū)動程序如下：
3.3 DAC控制模塊
本系統(tǒng)4~20mA電流環(huán)的硬件電路使用AD42芯片，在NIOSⅡIDE中控制4~20mA電流輸出。Clock信號上升沿輸出數(shù)據(jù)按從高到低順序輸出到AD421中，并在LATCH信號上升沿將上面輸入到AD421的數(shù)據(jù)傳送到DAC輸出端[4]，其控制時序圖如圖7所示。
圖7 DAC控制時序圖
3.4 程序總流程
系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA及各外圍模塊初始化，根據(jù)檢測環(huán)境對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，啟動采樣，超聲波發(fā)射脈沖，產(chǎn)生激勵文件，經(jīng)過噪聲門限脈寬檢測分析信號最大值及過零點(diǎn)后，計算發(fā)送和接收的傳播時間，并進(jìn)行修正處理。之后進(jìn)入超聲波明渠流量計主程序，采用Altera公司的NIOSIIIDE開發(fā)環(huán)境，通過軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計，自頂向下設(shè)計方法，實現(xiàn)了程序時序控制及中斷處理、流量計算與修正、數(shù)據(jù)存儲與上位機(jī)通訊等功能。其流程圖如圖8所示。
圖8 軟件流程圖
4 實驗結(jié)果
SOPC建立的軟核編譯后下載到FPGA目標(biāo)板上，然后通過USBBlaster將軟件程序下載到系統(tǒng)中，得到的流量測量數(shù)據(jù)如表1所示，該數(shù)據(jù)是由時差法測量得到的。多次實驗測量其誤差小于±3mm（準(zhǔn)確度3%），小于國家流量測量標(biāo)準(zhǔn)5%，且掉電不丟失數(shù)據(jù)。從而驗證了系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性。
表1 實驗數(shù)據(jù)
5 結(jié)論
本文采用基于NIOSⅡ的嵌入式軟核技術(shù)，使得系統(tǒng)軟件開發(fā)過程簡便快捷，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了超聲波明渠流量計的工作要求，有效地提高了超聲波流量計的可靠性、穩(wěn)定性及精度。在實際應(yīng)用中，對于不同水質(zhì)的測量超聲波明渠流量計采用非接觸測量使得保持傳感器不受污染，并且測量結(jié)果不受被測介質(zhì)的影響，從而提高了流量計的壽命和易于維護(hù)性。