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基于ARM的时差法超声波流量计设计

作　者: 吕国胜
导　师: 李明伟
学　校: 大连理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 时差法超声波流量计 ARM 人机交互界面
分类号: TH814.92
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着科学技术的不断发展,对流量测量的精度要求越来越高,高精度的测量显得日益重要。近年来,超声波流量计以其便携式、非接触测量、高精度、智能化的优点,在流量测量中得到了广泛的应用。本文详细介绍国内外超声波流量计发展的现状与特点、流量测量的特点和管道流量分布规律,提出了基于ARM的时差法超声波流量计的设计方法。该方法以时差法测量原理为依据,在硬件电路设计上,选用高性价比、低功耗的微处理器S3C2440A芯片为核心控制系统,负责信号控制、算法处理、数据通信等功能,利用CPLD芯片ISP1253的在线可编程的特性完成了超声波脉冲的发送与接收、波形信号的提取以及开窗信号的控制,选用时间测量芯片TDC-GP2实现了时差的高精度测量,通过设计信号放大电路、滤波电路、自动增益电路,提高了硬件抗干扰能力,从而在硬件上提高了流量计的测量精度。在软件设计上,本文详细介绍了基于ARM体系结构的移植方法和步骤,为时差法流量计软件设计搭建了一个嵌入式Linux系统开发环境。按照微处理器具有较高处理速度、支持嵌入式操作系统的特点,改进了数据处理的算法,提出了基于频域滤波的数据处理算法,从软件上提高了时差法流量计测量的精确度、稳定性和线性度。利用QT工具开发的人机交互界面,方便了管道参数的输入和增强了数据显示实时性。另外,数据通信部分的软件设计开发,可将流量计实时采集的数据传输到PC上进行分析与保存,提高了流量计的在线检测液体流速的能力和流量的智能化。现场测试证明,该设计方法提高了测量精度,满足高精度测量的要求,在流量测量方面具有很好的前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-14
  1.1 课题研究的背景及意义  10-11
  1.2 超声波流量计的发展现状与特点  11-12
  1.3 本课题主要研究内容  12-14
2 时差法超声波流量计的测量原理  14-21
  2.1 流量计量物理性参数  14-15
  2.2 管内流速分布与平均流速  15-18
  2.3 时差法超声波流量计的基本原理  18-19
  2.4 影响时差法测量的因素及修正方法  19-21
    2.4.1 管内流体流速分布问题  19-20
    2.4.2 温度对流速的影响  20-21
3 超声波流量计的硬件电路设计  21-37
  3.1 流量计硬件总体结构设计  21-22
  3.2 ARM9系列微处理器S3C2440A  22-27
    3.2.1 ARM系列微处理器及其结构特点  22-25
    3.2.2 32位RISC微处理器S3C2440A  25
    3.2.3 微处理器复位电路和时钟电路  25-27
  3.3 流量计收发电路设计  27-28
    3.3.1 超声波信号收发电路  27-28
  3.4 基于CPLD信号处理与控制电路设计  28-29
    3.4.1 时钟信号的设定  28-29
    3.4.2 发射与接收脉冲获取  29
  3.5 时差测量电路设计  29-33
  3.6 串口通信电路设计  33-34
  3.7 网络通信电路设计  34-36
    3.7.1 DM9000E芯片概述  35
    3.7.2 网络接口的硬件电路设计  35-36
  3.8 JTAG接口电路设计  36-37
4 超声波流量计的软件设计  37-55
  4.1 流量计软件系统总体设计  37-38
  4.2 基于ARM体系结构的系统移植  38-43
    4.2.1 交叉编译环境的建立  38-39
    4.2.2 Bootloader引导程序及其移植  39-40
    4.2.3 嵌入式Linux内核的特点与移植  40-42
    4.2.4 嵌入式Linux文件系统的选择及其移植  42-43
  4.3 超声波收发程序设计  43-44
  4.4 流量计时差测量程序设计  44-46
    4.4.1 S3C2440A的SPI驱动程序设计  44-45
    4.4.2 应用程序设计  45-46
  4.5 串口通信程序设计  46-48
    4.5.1 串口驱动程序设计  47
    4.5.2 串口应用程序设计  47-48
  4.6 网络通信程序设计  48-55
    4.6.1 嵌入式网络通信基础  48-50
    4.6.2 网络驱动程序概述  50-53
    4.6.4 网络通信程序的设计  53-55
5 流量计人机交互界面的设计  55-61
  5.1 Linux图形用户界面的介绍  55-57
  5.2 人机交互界面设计思路与构架  57-59
  5.3 人机交互界面设计的实现  59-61
6 系统测试及数据结果处理  61-69
  6.1 系统测试  61-63
    6.1.1 超声波流量计安装  61-62
    6.1.2 超声波流量计的校验与调整  62-63
  6.2 流量计数据采集  63
  6.3 流量计数据处理  63-66
    6.3.1 均值滤波  64
    6.3.2 基于频域滤波的数据处理算法  64-66
  6.4 系统误差分析  66-68
  6.5 改进措施  68-69
结论  69-70
参考文献  70-72
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  72-73
致谢  73-75

基于ARM的时差法超声波流量计设计

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