基于PLL技术的高精度流量计脉冲测量

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.83MB 80 页 15积分

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摘要

科学技术的不断发展，使得流量测量的精度也越来越重要。在流量测量中，按

照流量标准装置工作原理的不同，一般有容积法，标准表法，称重法和体积管法

四种实现方法。为了达到精度要求，通常都需要收集满足一定数目要求的脉冲个

数，自然就会造成测量时间偏长等问题。

高速 FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的出现，并将其应用到流量测量中，就

能很容易解决测量时间长的问题。在研究了 FPGA 的资源以后，本文提出了一种

利用 FPGA 来实现基于其常用锁相环（PLL）IP 核的高精度流量计脉冲测量。其

中，FPGA 的功能是实现整个系统的数据采集、处理及结果液晶显示等功能，也即

利用 FPGA 进行单板实现。这是对以往 FPGA/CPLD 与MCU（单片机）组合系统

的一个改进，可以使得电路更为简单。本文提出利用 FPGA 的单板实现方案的优

势可见一斑。

本文主要研究内容为：了解目前国内外的流量测量发展现状，学习并研究FPGA

的PLL IP 核的构建与使用，结合 FPGA 的资源提出基于 PLL IP 核的高精度流量测

量方案；在 Quartus II 环境下编写、调试、仿真验证系统实现代码；及最终的上板

实现验证。详细记录与分析了实验结果，最终表明此种方法的正确性与可行性。

关键字：脉冲插值流量计量锁相环等精度 FPGA

ABSTRACT

With the continuous development of science and technology, the measurement

accuracy is especially important. In accordance with standard folw meters in flow

measurement,there are four implementation methods:volumetric method,standard meter

method,weighing method and volume of tube method. In order to achieve the accuracy

requirements,the number of pulses meet the requirements of a certain number should be

collected.It will increase the measurement time naturally.

Until the appearance of High-Speed FPGA（Field Programable Gate Array）,and

used in flow measurement,the problem of long measurement time can be solved

easily.After the research of FPGA resources,this paper puts forward an high-precision

flow pluse measurement scheme based on Phase-Locked Loop(PLL) , the commonly

used IP core in FPGA.To use FPGA to implement the whole system job,such as data

acquisition，processing and results display on LCD screen and so on.And it is called

FPGA SBC.This is an improvement compared with the past FPGA/CPLD plus MCU

combined system,the advantage about FPGA SBC is obviously.

The main research contents of this paper are:understanding the development of flow

measurement at home and aboard,learning and researching the build and use about PLL

IP core in FPGA, proposing the high-precision flow measurement solutions basd on

PLL IP core combinated resources of FPGA; writting,debugging and simulation code

module in Quartus II environment;and final validation on board.Detailed recordand and

analysis about experiment results,showing the correctness and feasibility of this method

finally.

KEY WORDS:Pulse Interpolation Flow Measurement Phase Locked-Loop(PLL)

Equal Precision FPGA

摘要

ABSTRACT

第一章序论.....................................................................................................................1

§1.1 传统频率测量方法及提高精度方法简介 .......................................................... 1

§1.2 FPGA 的PLL IP 核研究的意义.......................................................................... 1

§1.3 课题研究的主要内容及关键技术 ...................................................................... 2

§1.4 本文的主要内容与安排 ...................................................................................... 3

第二章锁相环脉冲插值技术与 PLL 简介 ................................................................... 5

§2.1 脉冲插值技术 ...................................................................................................... 5

§2.1.1 脉冲插值技术的产生.....................................................................................5

§2.1.2 锁相环脉冲插值技术....................................................................................5

§2.2 锁相环简介 .......................................................................................................... 6

第三章 PLL 计数器的硬件设计 .................................................................................... 9

§3．1硬件系统组成 ................................................................................................... 9

§3．2器件选型 .......................................................................................................... 10

§3.2.1 FPGA 芯片的选型 ....................................................................................... 10

§3.2.2 FPGA 的晶振选型 ....................................................................................... 10

§3.2.3 单片机芯片的选型......................................................................................10

§3.2.4 稳压芯片的选型..........................................................................................11

§3.2.5 整形和光电隔离芯片的选型......................................................................11

§3.2.6 电压转换芯片的选型..................................................................................11

§3.2.7 FPGA 配置芯片的选型 ................................................................................11

§3.2.8 液晶的选型..................................................................................................12

§3.2.9 MAX232 芯片选型 ...................................................................................... 12

§3．3系统硬件电路 ................................................................................................. 12

§3.3.1 系统的 FPGA 硬件电路设计 ..................................................................... 13

§3.3.2 单片机功能电路设计..................................................................................17

§3.4 电源模块电路设计 ............................................................................................ 18

§3.5 电路原理图设计小结 ......................................................................................... 19

第四章 PLL 计数器的程序设计 .................................................................................. 20

§4.1 系统的软件编程环境介绍 ................................................................................ 20

§4.2 系统测量原理 .................................................................................................... 20

§4.2.1 PLL 测量原理 .............................................................................................. 20

§4.2.2 等精度门控测量原理..................................................................................21

§4.2.3 普通门控与等精度和 PLL 技术的误差比较 ............................................ 22

§4．3系统实现的整体方案设计 ............................................................................. 23

§4.4 FPGA 系统代码设计 ..........................................................................................25

§4.4.1 PLL 模块设计 .............................................................................................. 25

§4.4.2 等精度门控...................................................................................................26

§4.4.3 光电管门控产生模块设计...........................................................................27

§4.4.4 两个计数器的设计......................................................................................28

§4.4.5 数据处理模块的代码设计..........................................................................32

§4.4.5 液晶显示模块代码设计..............................................................................50

第五章系统调试与验证...............................................................................................60

§5．1验证环境与实验仪器 ...................................................................................... 61

§5.2 分模块代码在 FPGA 上的验证........................................................................ 62

§5.2.1 PLL 模块验证 .............................................................................................. 62

§5.2.2 光电管门控信号验证..................................................................................63

§5.2.3 LCD 显示模块的上板验证.........................................................................64

§5.3 模块级联上板验证 ............................................................................................ 65

§5.4 实验验证与小结 ................................................................................................ 66

第六章结论与展望.......................................................................................................69

§6.1 系统的优点与不足 ............................................................................................ 69

§6.2 系统的应用 ........................................................................................................ 70

§6.3 系统改进与优化 ................................................................................................ 70

§6.4 展望 .................................................................................................................... 70

参考文献.........................................................................................................................72

附录一：原理图.............................................................................................................75

附录二：PCB 板............................................................................................................ 76

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................77

致谢.............................................................................................................................78

第一章序论

§1.1 传统频率测量方法及提高精度方法简介

电子测量技术中最基本的就是频率测量。频率测量或周期测量在许多领域中

都有着广泛的应用。在对流量计的标定，以及在流量积算过程中，都要对流量计

脉冲进行精确的测量。流量计的高精度频率测量有着非常重要的意义。

传统的频率测量方式是电子计数器测量。然而计数器测量受到其计数误差的

限制，其内部计数器只计算完整的脉冲信号所代表的流体流量，而不计算残缺方

波所代表的流量，因而造成了计量误差。

为了提高精度，传统有两种技术方法：

1、使用频率相当高的计数时钟，时钟频率越高，计数中产生的±1 个脉冲计数

误差就越小。但对于大多数数字电路来说，当时钟频率达到一定高的程度时，都

是无法正常响应的。

2、增加待测脉冲的计数脉冲数，常见的就是 10,000 个脉冲规则[2]，这可以适

应在脉冲检测时遇到的非同步的随机起始和结束信号，进而保证测量误差在±1 个

脉冲之内，这样也只保证了 0.01%的精度。但在小流量下，待检测脉冲的频率在几

十到几百赫兹以内。按 1,000Hz 来算，检测 10,000 个脉冲，则需要 10 分钟以上的

检测时间，这样长的时间就会使得流量标定时间增加了很多。

基于以上原因，使得传统对于累计脉冲测量精度的提高受到了一定的限制。这

样就需要一种能够打破这种限制，又能进一步提高精度的累计脉冲测量方法的产

生。

§1.2 FPGA 的PLL IP 核研究的意义

怎样才能打破传统累计脉冲测量精度提高的限定，又能利用较短的时间，较低

的时钟频率，采集较少的脉冲数，而仍能保证对脉冲测量的精度，就显得尤其重

要。

起初，工程师们按照 ISO 7278-3:1998 国标[2]，利用单片机和数字 IC 以及必要

的模拟电路来实现脉冲插值技术，但设计出来的产品在成本、研发周期、运行稳

定性、功能丰富性、维护维修等诸多方面存在着问题。

现场可编程门阵列（即 FPGA, Filed Programmable Gate Array）的出现给工程师

们带来了希望。鉴于 FPGA 简单、易用、高速、稳定等特点，采用 FPGA 单板系

统来实现脉冲插值技术，不仅克服和解决了普通方法存在的困难与问题，而且大

基于 PLL 技术的高精度流量计脉冲测量

大降低了成本，提高了系统运行的可靠性和稳定性。Cyclone™ FPGA 具有锁相环

（PLL）和全局时钟网络[3]，提供完整的时钟管理方案。Cyclone PLL 具有时钟倍

频和分频、相位偏移、可编程占空比和外部时钟输出，进行系统级的时钟管理和

偏移控制[4]。而且 Altera® Quartus® II 软件无需任何外部器件，就可以启用

Cyclone PLL 及其相关功能。

但遗憾的是，

FPGA的PLL IP核在使用时的最小输入时钟受到限制。以Cyclone

II系列的E2C8Q208C8为例，其PLL IP核的最小输入时钟为10MHz[3]，也即无法用

FPGA的PLL IP核对待测的流量信号实现脉冲差值技术。因为流量信号的频率范围

为几十到几千赫兹之间。正因为如此，本文提出的基于FPGA 的PLL实现流量的高

精度测量才有了意义和挑战。

FPGA的PLL模块不可以对待测的脉冲信号进行倍频处理，但可以对FPGA的工

作时钟，也即测量中的标准时钟进行倍频，用来提高计数分辨率。这也是本文研

究FPGA的PLL技术的意义所在。另外，再利用被测的流量信号实现等精度门控

[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]控制，这样就可以更有效的减小测量误差。在此，本文提

出了一种利用FPGA的PLL宏模块来构建基于PLL技术的新型等精度的流量脉冲的

高精度测量方案。

§1.3 课题研究的主要内容及关键技术

1、本课题研究的内容

本课题主要是研发一套采用 FPGA 单板系统，设计出基于 PLL 的高精度流量

计脉冲测量装置。它的主原理是及时响应由外部光电管产生的流量测量的启动和

结束信号，以实时检测外部脉冲测量信号，并将测量的结果进行数据处理，得到

具有两位小数位的累积脉冲数，与测量时间（精确到 0.01s），并在液晶屏上进行实

时显示，累积脉冲数的测量精度达 0.01 个。本系统与以往系统不同的是，设计了

4路测量结束位置与选择，这样可以根据之前估算的待测信号的频率大小，来决定

测量的时间长短。

另外，由于本系统是利用 PLL 倍频以后的 100MHz 作为标准计数时钟，所以

即使测量时间仅有 1S，也会产生数量级为

的数据，而且测量时间越长，产生的

数据量将越大。如果测量时间为 1,000s，就会产生数量级高达

数据，所以测量

过程中产生的庞大数据，及后续的数据处理将给不擅长于运算处理的 FPGA 带来

新的挑战。

为了保证系统长时间运行的稳定性，及温度对精度的影响等，本设计的核心

第一章序论

部件 FPGA 所用晶振为±1ppm，具有温度补偿功能的高精度晶振。即便如此，在长

时间的测量过程中，它的性能会产生怎样的变化，以及如何解决这个问题，需要

专门进行试验和研究。

2、关键技术

（1）、PLL IP 核的正确使用

FPGA 的PLL 宏模块资源的使用，需要按设计需要对其进行配置，使其能够很

好的完成倍频与移相的功能。PLL 宏模块的输入信号，最好是稳定的频率、固定

的占空比和恒定的幅值的理想脉冲。然而实际使用晶振并不是理想的，并且，对

于FPGA 来说，PLL 在正常工作前需要经历一定的锁定时间，而且锁定时间因芯

片而异。所以在使用 PLL 之前，必须搞清楚其可能产生的问题等，以避免给实际

测量带来误差。

（2）、等精度测量的起始和结束信号的控制

精度的提高，不光要从提高测量频率上着手，还应该从测量方法上解决精度问

题，双管齐下才能达到更高的精度。外部发出的实际脉冲测量开始和结束信号，

并不是 FPGA 内部计数器开启的起始和结束信号，测量精度的提高也就体现在这

些门控之间的关系上面。所以如何协调这些门控之间的关系，也就是实现等精度

门控控制将是很关键的一步。

§1.4 本文的主要内容与安排

本文对传统频率测量装置及其精度提高方法做了详细的介绍，并对高精度累

计脉冲测量中使用 PLL 技术进行了研究，使用了等精度门控方法来控制计数器的

开启与结束，并通过简单的仿真，验证了 PLL 宏模块在不同占空比、不同测量时

间下的优越性与测量的精确性，旨在设计出一种准确性好、精度高、适应性强、

可靠性高的专用于高精度脉冲测量的“PLL 计数器”。论文涉及了插值算法、数

据采集与处理、精度分析、误差分析以及误差补偿、锁相环、FPGA 等领域的相关

理论与技术。本文涉及的内容及文章结构安排如下：

第一章，绪论。简要地介绍了课题来源及研究意义，对传统的累计脉冲测量

与精度解决问题做了介绍，就此引出了本文研究的内容与关键技术，并对论文的

组织形式与安排进行了说明。

第二章，锁相环脉冲插值技术与 PLL 简介。重点介绍了 ISO 7278-3:1998 国际

标准的锁相环脉冲插值技术及其实现原理。对锁相环进行了简单的介绍，最后提

出了本文的设计方案以及开发、测试环境等内容。

第三章，PLL 计数器的硬件设计。本系统目前是在黑金开发板上验证实现的，

基于 PLL 技术的高精度流量计脉冲测量

为了后续的使用，又根据系统要求进行了电路原理图的设计与 PCB 版的制作。本

章详细介绍了本设计的硬件组成结构。为了后续的扩展使用，将整个系统的硬件

分为 FPGA 部分和单片机部分，两部分的连接纽带是数据并行交换接口，而每部

分又有各自的模块电路，文章对此都做了详细的介绍。

第四章，PLL 计数器的程序设计。本系统的软件全是在 Quartus II 环境下利用

VHDL 硬件描述语言进行编写的。但就其功能来说，软件主要包括两大部分，一

是利用 FPGA 进行数据采集部分，主要包括门控检测、计数器的设计等；另一部

分就是利用 FPGA 进行数据处理与液晶显示代码的设计。

第五章，系统调试与验证。包括硬件平台通路测试、模块正常工作情况测试

与板子设计修改、各个模块代码下载到板子中的运行测试与验证、对软件代码进

行修改，以及最后将板子放在实验室环境中测试板子整体的各项功能指标等。最

后，对试验结果作了详细地分析。

第六章，结论与展望。将本文的研究成果应用到脉冲的测量中。根据应用要

求，在 ISO 7278-3:1998 国标基础上，提出了本设计实际的适用范围，分析了系统

的不足并提出了改进意见和校验装置。

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摘要：

6摘要科学技术的不断发展，使得流量测量的精度也越来越重要。在流量测量中，按照流量标准装置工作原理的不同，一般有容积法，标准表法，称重法和体积管法四种实现方法。为了达到精度要求，通常都需要收集满足一定数目要求的脉冲个数，自然就会造成测量时间偏长等问题。高速FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的出现，并将其应用到流量测量中，就能很容易解决测量时间长的问题。在研究了FPGA的资源以后，本文提出了一种利用FPGA来实现基于其常用锁相环（PLL）IP核的高精度流量计脉冲测量。其中，FPGA的功能是实现整个系统的数据采集、处理及结果液晶显示等功能，也即利用FPGA进行单板实现。这是对以往FPGA/CPLD与M...

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