基于CPLD的低功耗数字涡街流量计研究

论文摘要

涡街流量计因其介质适应性强,无可动部件,结构简单、使用寿命长等诸多优点,在许多行业得到了广泛应用。而在低流速下,涡街测量就凸显出了它的不足,涡街仪表系数呈现出明显的非线性。传统的涡街流量计采用模拟电路处理的方法,在正常流量范围内,涡街信号稳定、测量准确、实时性强;而在小流量时,虽然涡街信号仍可测,但由于仪表系数线性度变差,造成实际测量下限比较高,量程比小,一般仅为1:10。以单片机和DSP技术为核心的数字涡街流量计,在高端应用中可有效扩展测量下限,但复杂程序算法引入的不可靠性、非实时性与器件高功耗的问题,在一定程度上制约了它在低端领域的发展。鉴于上述模拟与数字涡街流量计具有的优势以及存在的不足,课题提出基于CPLD的仪表系数修正方案。该方案采用了传统的模拟涡街与CPLD主控芯片相结合的硬件结构,运用查找表的方法,对非线性涡街仪表系数进行修正,以改善整个量程范围内的仪表线性度。在非线性曲线拟合方法上,分析比较了线性插值、三次样条插值与最小二乘法三种常用方法,最终采用三次样条插值法进行拟合,同时基于该曲线的拟合及修正方法,设计了查找表自动生成与资源优化的Matlab上位机程序。本课题成功实现了低功耗设计,通过多种降耗措施,将系统整体电流降至3.48mA,实现了4～20mA两线制电流输出的功耗指标。该数字涡街系统在天津大学水流量实验装置上进行了大量的实验,结果表明该系统在提高精度的同时,降低了测量下限,克服了仪表系数的非线性,最终扩展了量程比,量程比可达1:26.4。课题研究的基于CPLD的数字涡街流量计既保持了模拟涡街稳定可靠、实时性强的优点,又具备了数字涡街测量下限低、量程比高的特点,并成功实现了低功耗设计,具有很高的实用价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 涡街流量计概述
• 1.2 涡街流量计的主要问题及研究现状
• 1.3 课题的提出与意义
• 1.4 论文的研究内容和创新点
• 第二章 涡街流量计与仪表系数修正方案
• 2.1 涡街流量计的工作原理
• 2.1.1 涡街的产生与涡街现象
• 2.1.2 涡街的测量
• 2.2 涡街仪表系数分析
• 2.2.1 仪表线性度与重复性
• 2.2.2 仪表系数非线性研究
• 2.3 仪表系数修正方案设计
• 第三章 基于CPLD数字涡街流量计的硬件设计
• 3.1 涡街前置信号处理电路
• 3.1.1 电荷放大器
• 3.1.2 电压放大器
• 3.1.3 限幅与滤波电路
• 3.1.4 施密特触发器
• 3.2 标准脉冲整形电路
• 3.3 压流转换电路与电源电压转换电路
• 3.3.1 压流转换电路
• 3.3.2 电源电压转换电路
• 3.4 晶振电路
• 3.5 CPLD主控芯片电路
• 3.5.1 MAX II系列芯片简介
• 3.5.2 MAX II器件电路设计
• 3.6 基于CPLD的数字涡街低功耗技术研究
• 3.6.1 低功耗设计的意义与主要手段
• 3.6.2 CPLD主控芯片低功耗设计
• 3.6.3 压流转换芯片的选取
• 3.6.4 晶振电路的比较与选取
• 3.6.5 整体电路消耗电流
• 第四章 非线性修正算法及其比较
• 4.1 插值修正方法
• 4.1.1 插值的基本概念
• 4.1.2 代数插值问题惟一有解性
• 4.1.3 插值的逼近性质
• 4.1.4 线性插值法
• 4.1.5 样条插值法
• 4.2 最小二乘法
• 4.3 修正方法比较
• 第五章 基于CPLD的仪表系数非线性修正软件系统设计
• 5.1 Quartus II与VHDL简介
• 5.2 软件总体设计
• 5.3 基于查找表修正方法的设计
• 5.3.1 查找表的应用原理
• 5.3.2 基于频率值修正的查找表法
• 5.3.3 基于脉冲间隔数修正的查找表法
• 5.4 查找表资源优化与实现
• 第六章 水流量实验研究
• 6.1 水实验装置简介
• 6.2 实验及其分析
• 6.2.1 DN25 实验及结果分析
• 6.2.2 DN50 实验及结果分析
• 6.3 水实验总结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢