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基于FPGA的家用高精度超声波燃气表实现
摘要：
随着现代工业的发展，燃气的使用范围不断扩大，使得燃气表的识别精度和数据采集能力显得越来越重要。因此，本论文以FPGA为核心，设计了一种实现家用高精度超声波燃气表的系统。该燃气表系统采用超声波测量方式，获得燃气的流量，并通过FPGA芯片实现信号采集、处理和数据输出。实验结果表明，该系统具有高准确度和稳定性，可以满足家用燃气表的要求。
关键词：FPGA；超声波测量；燃气表；信号处理；数据采集。
Abstract：
Withthedevelopmentofmodernindustry,theuseofgasisconstantlyexpanding,makingtheidentificationaccuracyanddataacquisitioncapabilityofgasmetersmoreandmoreimportant.Therefore,thispapertakesFPGAasthecoreanddesignsasystemtoimplementhouseholdhigh-precisionultrasonicgasmeters.Thegasmeteringsystemusesultrasonicmeasurementmethodtoobtaintheflowrateofgas,andrealizessignalacquisition,processinganddataoutputthroughFPGAchip.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhashighaccuracyandstability,whichcanmeettherequirementsofhouseholdgasmeters.
Keywords:FPGA;ultrasonicmeasurement;gasmeter;signalprocessing;dataacquisition.
1.引言
家用燃气表是指用于计量住宅燃气使用量的一种仪表。其主要功能是实现燃气的计量和计费。随着市场的扩大和用户需求的不断增加，燃气表的识别精度和数据采集能力也越来越受到重视。
目前，燃气表分为机械式燃气表和电子式燃气表两种。机械式燃气表采用机械结构实现燃气流量的检测和计量，由于结构较为复杂，所以误差较大。而电子式燃气表采用电子技术实现燃气的检测和计量，精度较高，但成本较大。
因此，为了提高燃气表的精度和稳定性，本文以FPGA为核心，设计了一种基于超声波测量的家用高精度燃气表系统。该系统采用超声波技术实现燃气流量的测量，采集信号后通过FPGA芯片进行处理，并输出计量数据。实验结果表明，该系统具有高准确度和稳定性，可以满足家用燃气表的要求。
2.系统架构
图1为基于FPGA的家用高精度燃气表系统的总体架构图。该系统由超声波传感器模块、FPGA信号处理模块和计量数据输出模块等部分组成。
其中，超声波传感器模块用于实现对燃气流量的测量，该模块采用双向测量方式，即在同一管道内同时设置发送和接收超声波的传感器，而测量的流量为燃气流过管道的速度。该传感器模块将测量获得的信号送至FPGA信号处理模块。
FPGA信号处理模块对传感器模块采集到的信号进行处理，包括去除杂音、放大信号、去噪等，然后将处理后的信号送至计量数据输出模块中。计量数据输出模块主要负责将处理后的信号转化为流量数据，并将它们以数码方式输出，最终实现家用高精度燃气表的计量和计费。
图1基于FPGA的家用高精度燃气表系统总体架构图
3.系统设计与实现
3.1超声波传感器模块设计
超声波传感器模块的设计是实现高精度燃气表的关键之一。该模块利用超声波技术实现对燃气流量的测量。其中，超声波传感器模块包括双向传感器和控制电路两部分。
该传感器模块由两个压电陶瓷片组成，其工作频率为40kHz至60kHz，送入ESAOTE的光纤放大器，并将信号输出至FPGA信号处理模块。控制电路采用斯托克斯电路，用于控制发送和接收超声波的压电陶瓷片的振荡和驱动。
3.2FPGA信号处理模块设计
FPGA信号处理模块主要实现对采集到的超声波信号的处理，包括去噪、滤波和数字信号处理等。
在去噪方面，本文采用了基于小波变换的去噪方法。该方法是一种高效的噪声去除方法，可以有效的去除信号中的噪声。在滤波方面，本文采用了数字低通滤波器，以保留超声波信号中的主要频率成分。
数字信号处理方面，本文采用了自适应门限法和基于再生算法的信号检测技术。这些方法能够有效的检测超声波信号，并将其转化为数字信号输出，以便计量数据输出模块进行计量和计费。
3.3计量数据输出模块设计
计量数据输出模块采用C++语言开发，用于将FPGA信号处理模块处理后的信号转化为数字信号，并计量输出。该模块使用了