代码收藏家 基于FPGA和MCU的超声流量测量互相关算法实现
基于FPGA和MCU的互相关算法实现–超声流量测量
1 引言
超声流量计是一种工业上应用于液体，气体的非接触式测量仪器，具有测量精度高，安装方便的特点，目前是工业上主流的测量仪器。
在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声流量计具有大量程比、无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了管网的输水效率；
在水利水电行业的输水管道、渠道、泵站、电站的流量计量中，超声流量计具有大口径、现场安装、在线标定的特点，使准确测量成为可能。同时通过对水泵、水轮机单泵、单机的计量来实现设备优化、经济运行的目的；
在工业冷却循环水的计量中，超声流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定；
2 摘要
本文详细论述了超声流量计中的互相关算法基于FPGA和MCU的实现方案，以及设计原理。系统模块的组成包括ADC数据处理模块，与MCU通信接口模块，寄存器控制模块，PWM发波模块。MCU向FPGA配置运行参数，并启动测量。然后FPGA开始发波，测量回波信号，正反向各一次，并将测量到的回波信号存到ram，发送中断信号给MCU，然后MCU响应中断后读取FPGAram中的数据，并进行互相关计算。该系统具有测量精度高的特点，另外互相关算法也做了深度定制优化，大大提高了运算速度。
3 FPGA方案设计
3.1 为什么需要FPGA
FPGA主要负责数据的采集与超声波的发送部分。为什么要用FPGA，单片机为什么做了不呢？下面我们来详细分析一下：
首先我们目的是要测量液体在管中的流量，根据超声时差测量法可知，只要测出超声波正向和反向传播的时间或者时间差，就可以简介推算出液体的流量。那么我们主要问题就是解决如何测量出正反向传播时间或者时间差。这个时间差是ns甚至ps级别的，50MHz的ADC 10倍插值，精度才可达到2ns，一般单片机很难挂载50MHz的ADC。
另外一点单片机很难完成的任务是自发出PWM波（t0）后到采集第一个数据的时间点（t1）， t1-t0这个时间差精度必须得保证ps级别。然而这对单片机来说是一项非常艰巨的任务。
以上两点在单片机上很难实现的，而在FPGA上很轻松就能实现。
3.2 FPGA数据采集模块框图
3.3 Interface接口设计
该模块主要工作是负责FPGA与MCU的通信，通信数据位宽为MCU RX 8bit，MCU TX 1bit。通信分为接收端和发送端，接收端采用SPI协议，发送端采用8bit并行端口，并行端口具有很大的传输带宽，主要是为了应对数据打量传输而设计的。
Interface接口模块将MCU读写的时序转换为对寄存器模块的读写控制操作，来完成MCU对寄存器控制和ADC ram内的数据读取操作。具体操作时序如下：
写操作
上图是一个MCU写数据的操作，通过内部逻辑转换后，转化成对寄存器模块的写操作，如下图所示
读操作
上图是一个MCU读数据的操作，读取的16bit数据通过总线两次传输，每次传输8bit。通过内部逻辑转换后，转化成对寄存器模块的读操作，如下图所示
3.4 ADC接口模块设计
ADC接口模块主要是生成系统时钟的4分频时钟，用以采样ADC的数据。数据位宽为10bit，时钟下降沿采样数据，数据格式是10bit有符号二进制整数。
在系统给叔采样窗口信号window后，模块在这个窗口内进行ADC数据采样，进来的数据存入RAM里面。模块内部有两个256深度的ram，跟据输入信号DIR来判断存入哪一个ram。Ram数据存满后等待reg control模块来读取。
以下是此模块的读时序：
3.5 Reg control模块
寄存器控制模块负责接收MCU的读写指令，改变相应的寄存器的值。通过此方式可以间接配置各个模块的功能参数，比如window宽度，采样开始，查询中断，读ram数据等等操作。寄存器接口时序上面已经给出，这里就不再重复阐述了。
3.6 PWM产生模块
PWM产生模块主要负责根据MCU传过来的参数来产生PWM波形，经过外部放大驱动超声模块，产生超声波。
该模块的输入参数有占空比，周期。输出是一对互补的pwm信号，持续3个周期，该模块设计非常简单，基本核心就是使用一个计数器，计都指定的数值改变输出极性。
具体输出波形如下：
3.7 控制模块
控制模块完成系统的核心运转逻辑，pwm发波控制，驱动器电源的使能控制，输出切换器的控制，正反向控制。
MCU只需要发出一个start指令，该模块就会运行一次，完成正反向发波与采集，电源使能控制。模块内部实际运行是用状态机实现的:
状态介绍：
IDLE:空闲
SW：方向切换，控制正反向发波。
WAIT：等待计数，为了等待切换完成。
PWM：PWM发波请求。
ADC: 进行ADC采集，主要是根据采集窗口的时隙来采集反射波在ADC上的数据。
PWR：电源控制，此阶段关闭一段时间电源。
模块开始处于idle状态，MCU控制start信号，开始运行，进入下一个状态切换开关，用来改变正反向发波，然后进入wait状态等待切换完成，计数完成后进入PWM发波状态，请求发波。待发波后开始等待ADC采集，当ADC采集完成后会返回reflect信号，根据这个信号可以判断何时进入PWR状态。在PWR状态时候关闭驱动电源一段时间。然后进入end状态，在此时需要判断方向，如果DIR=1则表示正反向都已经完成，则回到IDLE，否则再次进入SW状态，重复以上步骤。
case (r_state)
S_IDLE :
if(start_pulse==1'b1)
r_nxtstate = S_SW;
else
r_nxtstate = S_IDLE;
S_SW :
r_nxtstate = S_WAIT;//8 cycle
S_WAIT :
if(wait_cnt[4:0]==5'b11110)//15us
r_nxtstate = S_PWM;
else
r_nxtstate = S_WAIT;
S_PWM :
r_nxtstate = S_ADC;
S_ADC :
if(reflected==1'b1 )
r_nxtstate = S_LOOP;
else if(start_pulse==1'b1)
r_nxtstate = S_SW;
else
r_nxtstate = S_ADC;
r_nxtstate = S_PWR;
S_LOOP :if(loop_cnt == C_CYCLES)
r_nxtstate = S_PWR ;
else if(window==1'b0)
r_nxtstate = S_PWM;
else
r_nxtstate = S_LOOP;
S_PWR :
if(wait_cnt == 9'd460)
r_nxtstate = S_END;
else
S_END :
if(dir==1'b1)
r_nxtstate = S_IDLE;
else
r_nxtstate = S_SW;
default: begin
r_nxtstate = S_IDLE;
end
endcase
4 MCU互相关算法设计
在MCU设计中，主要完成以下功能：
与FPGA进行通信，设计通信接口
看门狗设计
EEPROM存储功能设计
点阵屏驱动显示
按键功能设计
互相关算法模块
4.1 通信接口
该功能模块主要是用GPIO模拟出SPI的写时序和并行接口读时序，来完成与FPGA的通信。来完成对FPGA的寄存器设计与数据的读取。
SPI时序图在上文中已有提及，以下是读写代码部分：
接口通讯 写
FP_WE(0);
delay_us(2);
for(i=8;i>0;i--){
FP_RS(0);
delay_us(5);
if( (addr_temp>>(i-1)) &0x01 ) FP_OE(1);
else FP_OE(0);
FP_RS(1);
delay_us(5);
}
for(i=16;i>0;i--){
FP_RS(0);
delay_us(5);
if( (wdata>>(i-1)) &0x01 ) FP_OE(1);
else FP_OE(0);
FP_RS(1);
delay_us(5);
}
FP_RS(0);
delay_us(5);
FP_WE(1);
delay_us(10);
接口通讯 读
FP_WE(1);
delay_us(2);
FP_RS(0);
delay_us(5);
FP_RS(1);
delay_us(5);
while(FP_ACK==0);
FP_RS(0);
delay_us(5);
RESULT= 0x0000|FP_D0_i|(FP_D1_i<<1)|(FP_D2_i<<2)|(FP_D3_i<<3)|(FP_D4_i<<4)|(FP_D5_i<<5)|(FP_D6_i<<6)|(FP_D7_i<<7);
delay_us(5);
RESULT=RESULT<<8;
FP_RS(1);
delay_us(5);
while(FP_ACK==0);
FP_RS(0);
delay_us(5);
RESULT= RESULT|FP_D0_i|(FP_D1_i<<1)|(FP_D2_i<<2)|(FP_D3_i<<3)|(FP_D4_i<<4)|(FP_D5_i<<5)|(FP_D6_i<<6)|(FP_D7_i<<7);
delay_us(5);
return RESULT;
4.2 互相关算法模块
该算法模块主要是对正反向采集的波形进行互相关计算，来计算出两组波形的Δt延迟。
4.2.1 数据采集模块
采集模块在主程序中一直运行，
程序中主要检测busy信号，以此判断模块是否正在忙于互相关运算。
另外还有smpl_rdy状态，这个是指示FPGA侧数据采集完毕的标志。此标志在MCU中断中设置为1，数据采集完成后设计为0。
4.2.2 互相关计算
互相关计算原理
公式：
由此可见，互相关计算其实就是计算两个函数在0-tc时间内的乘积的积分。最后判断在t=？时候C（t）有最大值。由于我们的使用环境比较特别，在Cmax的时候t一般不会太大，所以我们在t=0-100内计算出C（t）。
本设计中互相关计算模块主要利用互相关算法，来对输入的两组数据进行插值滤波，相乘累加运算，求得最大相关的点位（C（t）最大时t的值）。FPGA端采集的数据是240个，在算法中经过10倍插值，最终数据是2400个，如此下来，精度就扩大了10倍，假设FPGA端ADC的时钟是50MHz，那么经过10倍插值后精度就是2nS。由此可以算出在10cm的管径中测水的流量，精度可以达到0.01m/s，测量范围1m/s。
软件设计流程如下：
5 仿真验证
5.1 FPGA部分仿真
测试程序里面需要模拟ADC芯片的动作，产生假数据，让FPGA采集，然后再模拟MCU的动作从FPGA的ram读取数据，检查是否一致。
测试代码如下：
//sensor test
$display("sensor test start");
fpga_write(8'h06,16'h1);//start pwm
wait(irq_ram);//wait for ram adc sample done
fpga_write(8'h06,16'h2);//clear rdy flag
#1000;
fpga_write(8'h2f,16'h0);//关闭读ram1
#1000
fpga_write(8'h2e,16'h1);//使能读ram0
for (i=0; i<240; i=i+1) begin
addr_temp=8'h2d;
fpga_read(addr_temp,ram0[i]);//read ram data
//fpga_setaddr(8'h2d);
//fpga_cont_rd(ram0[i]);
@(posedge clk) #1
#500;
$display("addr : %d ; data is %x",i,ram0[i]);
end
#1000;
fpga_write(8'h2e,16'h0);//关闭读ram0
#1000
fpga_write(8'h2f,16'h1);//使能读ram1
for (i=0; i<240; i=i+1) begin
addr_temp=8'h2d;
fpga_read(addr_temp,ram1[i]);//read ram data
//fpga_setaddr(8'h2d);
//fpga_cont_rd(ram0[i]);
@(posedge clk) #1
#500;
$display("addr : %d ; data is %x",i,ram1[i]);
end
fpga_write(8'h2f,16'h0);//关闭读ram1
$stop;
end
仿真结果：
从结果上来看，读出来的数据跟预设的数据是一致的，证明逻辑是没有问题的。
5.2 MCU部分仿真
在MCU软件部分，只针对互相关算法进行仿真，两组采样数据预先设置初值，然后代入算法模块进行计算，检查计算结果是否与预期的一致。另外需要注意的是测试程序插值采用5倍插值。
初值设置：将da_buff初始化为0，0，0，0，0，5到119，118，117，…0，0，0，0一个先递增再递减的向量数据，将db_buff初始化为da_buff右移一个数据的向量。
测试主程序如下：
for (i = 0; i < 240; i++) {
if ((i > 4) && (i < 236)) {
if (i < 120)
da_buff[i] = i;
else
da_buff[i] = 239 - i;
}
else
da_buff[i] = 0;
}
db_buff[0] = 0;
for (i = 1; i < 240; i++) {
if ((i > 5) && (i < 237)) {
if ((i+1) < 120)
db_buff[i] = i-1;
else
db_buff[i] = 239 - i+1;
}
else
db_buff[i] = 0;
}
while(1){
offset = hxg1(da_buff, db_buff);
printf("offset is: %d",offset);
在print处设置断点，运行仿真：
从结果上看，offset为5,与预期的结果相符合。
6 总结
本设计采用FPGA和MCU的方案，充分发挥FPGA的优势，利用FPGA采集两组相关数据。MCU部分解决的最大的问题就是如何提升采样精度，该设计中没有复杂的fft，和fft逆变换，大大节省了CPU的资源开销，提高了系统的稳定性和运行速率。
