基于FPGA的超聲波氣體流量計(jì)中AGC的實(shí)現(xiàn)
河北工業(yè)大學(xué) 劉艷萍 楊玉芝 崔朋朋
摘要： 對(duì)于多聲路超聲波流量計(jì),，發(fā)射和接收電路是公用的,，通過(guò)傳感器切換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換各個(gè)聲路順流和逆流傳播時(shí)間,，但由于各個(gè)聲路的長(zhǎng)度不同，傳感器的特性存在差異,，每次測(cè)量的接收信號(hào)大小也不同,，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。因此,，要實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的精確測(cè)量,，必須根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)接收電路增益，而且要單獨(dú)控制每個(gè)方向上的增益,。為實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量,，在信號(hào)到達(dá)檢測(cè)電路之前必須使信號(hào)穩(wěn)定可靠。為此,，信號(hào)處理要采用自動(dòng)增益控制放大器,。
Abstract：
Key words :
1 引言
超聲波流量計(jì)是一種新興的工業(yè)產(chǎn)品，具有無(wú)阻擋體,，無(wú)可動(dòng)件,，無(wú)壓損，無(wú)示值漂移,，適用于大口徑管道測(cè)量,，測(cè)量精確度高，重復(fù)性強(qiáng),，量程比寬,，可承受工作壓力高，可測(cè)多相流,，不受氣體溫度,、壓力、組成等變化的影響,、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信等優(yōu)點(diǎn),。為減小甚至避免流速分布對(duì)流量計(jì)精度帶來(lái)的影響，超聲波流量計(jì)采用多聲道超聲波的測(cè)量方式,。
對(duì)于多聲路超聲波流量計(jì),，發(fā)射和接收電路是公用的，通過(guò)傳感器切換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換各個(gè)聲路順流和逆流傳播時(shí)間,，但由于各個(gè)聲路的長(zhǎng)度不同,，傳感器的特性存在差異，每次測(cè)量的接收信號(hào)大小也不同,，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定,。因此,，要實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的精確測(cè)量，必須根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)接收電路增益,，而且要單獨(dú)控制每個(gè)方向上的增益。為實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量,，在信號(hào)到達(dá)檢測(cè)電路之前必須使信號(hào)穩(wěn)定可靠,。為此，信號(hào)處理要采用自動(dòng)增益控制放大器,。
2 自動(dòng)增益控制AGC
自動(dòng)增益控制AGC(Automatic Gain Control)是一種在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下,，使輸出信號(hào)幅度保持恒定或僅在較小的范圍內(nèi)變化的自動(dòng)增益控制環(huán)路，即當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí),，自動(dòng)增益控制電路的增益較大,，自動(dòng)增益控制電路不起作用；當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí),，自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行控制使增益減小,。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí),，輸出端的信號(hào)電壓或功率基本不變或保持恒定,。
信號(hào)傳輸過(guò)程中，隨著傳輸距離的變化及其他因素的影響,，信號(hào)在空間傳播過(guò)程中存在明顯衰落,，在接收機(jī)輸入端的信號(hào)強(qiáng)度有很大變化。因此在接收機(jī)前端必須加一個(gè)幅度控制系統(tǒng),，自動(dòng)增益控制環(huán)路是信號(hào)傳輸中必不可少的,。
數(shù)字AGC精度高、適應(yīng)性好,、體積小,、可靠性高，因此受到廣大設(shè)計(jì)人員的關(guān)注,。圖1為數(shù)字AGC框圖,。
3 數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)
數(shù)字AGC系統(tǒng)組成包括A／D轉(zhuǎn)換器(ADC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA),、可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM),，如圖2所示。
3．1 FPGA選型簡(jiǎn)介
該設(shè)計(jì)采用Altera公司的ACEX系列FPGA器件EPlK30TCl44-3作為核心控制器,，其特點(diǎn)是：高密集型,；適合大容量應(yīng)用的低成本可編程結(jié)構(gòu)；多電平標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),，其I／O接口可驅(qū)動(dòng)2．5 V和3．3 v器件或被5 V器件驅(qū)動(dòng),；靈活的內(nèi)部連接；強(qiáng)大的I／0接口．對(duì)于每個(gè)I／0接口有獨(dú)立的三態(tài)輸出控制使能，對(duì)于每個(gè)I／O接口都有開(kāi)漏輸出選擇,。
EPIK30TCl44-3型FPGA滿(mǎn)足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,，30 000個(gè)邏輯門(mén)適合于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的邏輯門(mén)數(shù)量；多電平標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了FPGA與外部電路的接口,；102個(gè)功能強(qiáng)大的I／0接口方便了FPGA外嗣電路設(shè)計(jì),；JATG邊界掃描功能為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與完善提供了很大的方便。
3．2 FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)主要由乘法器,、門(mén)限判決,、寄存器、加／減計(jì)數(shù)器4個(gè)模塊組成,，實(shí)現(xiàn)40 dB動(dòng)態(tài)范圍的控制,。FPGA內(nèi)部框圖如圖3所示。
經(jīng)A／D采樣后的信號(hào)x(n)進(jìn)入FPGA進(jìn)行處理,。x(n)首先進(jìn)入乘法器模塊與可控增益因子k(n)相乘,，然后分成兩路。一路作為調(diào)整增益后的AGC輸出y(n),；另一路送入門(mén)限判決模塊,。門(mén)限判別模塊包括門(mén)限判決器和增益查找表，門(mén)限判決器內(nèi)設(shè)有高低2個(gè)門(mén)限,，當(dāng)輸入包絡(luò)信號(hào)電平大于高門(mén)限時(shí),，則認(rèn)為輸入信號(hào)過(guò)大，應(yīng)調(diào)整增益控制因子k(n)減?。寒?dāng)輸入包絡(luò)信號(hào)電平小于低門(mén)限時(shí),，則認(rèn)為輸入信號(hào)過(guò)小，應(yīng)調(diào)整增益控制因子k(n)增加,。對(duì)于增加或減少的步進(jìn)量g(n)則從增益查找表中得到,。加／減計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)查找表得到的步進(jìn)因子g(n)及門(mén)限判決模塊提供的計(jì)數(shù)方向w(n)來(lái)調(diào)整增益控制因子的。
3．2．1 門(mén)限判決模塊
門(mén)限判決模塊用于限制加／減計(jì)數(shù)器控制號(hào)的波動(dòng),，防止環(huán)路振蕩,，其內(nèi)設(shè)高低2個(gè)門(mén)之間的范圍即為AGC輸出信號(hào)的波動(dòng)范圍。防止AGC發(fā)生振蕩,，該范圍應(yīng)該在滿(mǎn)足解調(diào)器要求的動(dòng)態(tài)范圍條件下足夠?qū)?，而不是恒定不變的電平值。如果大于高門(mén)限,，則認(rèn)為信號(hào)過(guò)大,，首先送給加／減計(jì)數(shù)器一個(gè)向下計(jì)數(shù)的信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)的范同從查找表中確定加／減計(jì)數(shù)器的步進(jìn)量,；如果小于低門(mén)限,，則認(rèn)為信號(hào)過(guò)小,，首先送給加／減計(jì)數(shù)器一個(gè)向上計(jì)數(shù)的信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)的范圍從查找表中確定加／減計(jì)數(shù)器的步進(jìn)量,；如果在兩門(mén)限之間,，則加／減計(jì)數(shù)器的步進(jìn)量為零。
圖4是門(mén)限判決模塊的仿真波形,。其中,，clk為時(shí)鐘信號(hào)，reset為復(fù)位信號(hào),，iir_2_stage_output為濾波器的輸出信號(hào)，set_control為與門(mén)限進(jìn)行比較的信號(hào),，acc_addr為查找表地址,，updn_count_out為控制加／減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，dead_band_out為控制加／減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制信號(hào),，accelerate_gain為控制加／減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)步進(jìn)量,。
從圖4中可以看出，當(dāng)信號(hào)小于低門(mén)限7500時(shí),，dead_band_out=‘0’,，updn_count_out=‘1’，控制加／減計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù),，set_control遠(yuǎn)離低門(mén)限,，計(jì)數(shù)步進(jìn)量增大；當(dāng)信號(hào)大于高門(mén)限10 500時(shí),，deadband_out=‘0’,，updn_count_out=‘0’，控制加／減計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù),，set_control遠(yuǎn)離高門(mén)限,，計(jì)數(shù)步進(jìn)量增大。
3．2．2 加／減計(jì)數(shù)器模塊
加／減計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)輸入信號(hào)與最佳的接收信號(hào)之間的差值,，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反向補(bǔ)償,。假設(shè)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一定衰減，AGC環(huán)路經(jīng)過(guò)比較可確定接收信號(hào)電平低于最佳電平,。這個(gè)差值將導(dǎo)致計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù),，增加環(huán)路增益，直到環(huán)路濾波器的輸出重新回到門(mén)限判決模塊的兩個(gè)門(mén)限之間,。如果信號(hào)乘以增益后,、環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)大于門(mén)限判決模塊的高門(mén)限時(shí)，計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù),，降低環(huán)路增益,，直到信號(hào)重新回到可以準(zhǔn)確解調(diào)所需的接收信號(hào)范圍,。
圖5是加/減計(jì)數(shù)器模塊的仿真波形。gain_counter_out為截位前的增益值,，gain_control_out為截位后實(shí)際輸出的增益值,。從圖5看出，當(dāng)reset=‘1’時(shí),，計(jì)數(shù)器復(fù)位,，設(shè)增益初始值gain_control_out=‘32’。而當(dāng)deadband_in=‘O’,，updn_count_in=‘1’,，加／減計(jì)數(shù)器按步進(jìn)量accelerate_gain_in向上計(jì)數(shù)；而當(dāng)deadband_in=‘O’,，updn_count_in=‘0’,，加／減計(jì)數(shù)器按步進(jìn)量accelerate_gainjn向下計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)所得的值即為輸出的增益控制因子,。
4 結(jié)論
本文實(shí)現(xiàn)了一種全數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)方案,。此方案可實(shí)現(xiàn)40 dB動(dòng)態(tài)范圍的控制，并且具有控制精度高,，調(diào)節(jié)速度快,，調(diào)試簡(jiǎn)單，受環(huán)境影響小,，穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),。隨著集成器件的發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的全數(shù)字AGC,，以便應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域中,。
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