摘要：介紹了便攜式超聲波流量計的工作原理和系統硬件結構，分析了系統收發電路各個模塊的設計，著重介紹了基于FPGA軟核NioslI的便攜式超聲波流量計的數字電路部分設計。試驗結果表明，系統工作穩定，能夠滿足測量精度要求，并且減小了便攜式超聲波流量計的體積，降低了產品成本。
關鍵詞：便攜式超聲波流量計；SOPC；NioslI

引言
超聲波流量計是隨著IC技術迅速發展而開始得到實際應用的一種非接觸式儀表。它是一種利用聲學原理工作的新型流量測量儀表。與傳統流量計(如孔板、渦輪流量計等)相比，它具有測量準確度幾乎不受介質溫度、壓力影響等優點，尤其是在大管徑流量測量方面，其優越性更加明顯，因此得到了越來越廣泛的應用。
近年來，隨著Altera公司32位軟核CPU NiosII的推出，基于FPGA的SOPC(System On a Programmable Chip)技術發展越來越快。SOPC是可編程系統，具有靈活的設計方式，并且可裁剪，可擴充，可升級，同時具備軟硬件在線系統可編程的功能。SOPC兼具PLD和FPGA的優點，它的特點包括：至少包含一個嵌入式處理器內核；具有小容量片內高速RAM資源；有足夠的片上可編程邏輯資源；有處理器調試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片，低功耗，微封裝。正是基于這些優點，基于NiosII的SOPC得到了越來越廣泛的應用。
本文就是基于超聲波以及SOPC這兩項技術來設計便攜式的超聲波流量計，充分發揮這兩項技術的優點，實現對液體、氣體的高精度測量。

1 工作原理及系統組成
本系統利用時差法進行流速測量：安裝于被測容器頂部的收發一體的超聲波換能器(A或B)通過空氣向被測物體發射一束超聲波，該聲波經被測物體反射后，回波被換能器(B或A)接收并被轉換為電信號。原理圖如圖1所示。

這樣，在已知安裝角度θ和管徑D的條件下，測量A到B的傳播時間tAB以及從B到A的傳播時間tBA，通過計算可得

這種算法只需測出tAB與tBA就可以得到流速V，而通過對流速進行積分運算就可以進一步算得流量，這就是時差法測量流速的基本原理。
整個便攜式超聲波流量計系統組成如圖2所示。系統由脈沖發射電路、回波接收電路、信號處理電路和CPU控制電路組成。脈沖發射電路是輸出一定超聲波頻率的脈沖激勵信號經功率放大和升壓后驅動超聲波換能器發射超聲波；回波接收電路即是接收回波信號；信號處理電路用于對回波信號進行放大、帶通濾波、自動增益控制、電壓比較等處理；CPU控制電路控制發射信號、控制模擬開關、捕獲計時、數據處理及與外部設備通信。

2 模擬電路部分設計
2．1 超聲波前端驅動電路
如圖2所示，超聲波換能器驅動電路產生一個具有特定頻率、脈沖寬度和輸出功率的電脈沖去激勵超聲波換能器，進而產生超聲波向外發射。對于超聲波換能器，超聲波換能器驅動電路提供的功率越大，超聲波換能器將電能轉換為聲能的效果越好，所以超聲波換能器驅動電壓應該越大越好，但需要注意驅動電壓壓值不能超過換能器壓降極限。本系統應用晶體管組成推挽式電路結合場效應管電路來實現功率放大。