如何实现天然气体积修正仪的系统设计？

仪表总体设计
天然气体积修正仪主要完成天然气流量的自动修正，适于安装在工厂、住宅等环境，实时反映天然气的 流量计 量情况，并可与上位机进行通信，为上位机管理软件提供数据支持。
体积修正仪通过压 力传感器 和 温度传感器 采集压力和温度信息，结合气体流量计采集的流量脉冲信号进行天然气流量的自动修正，并通过 RS 232标准进行串口数据传送。图1是体积修正仪的结构示意图。

　　数据采集模块设计
　　在天然气体积修正仪设计中，数据采集模块是保证测量和计算精度的首要模块。分为输入检测和数据处理两部分。
　　1 输入检测
　　天然气体积修正仪前端测量中涉及模拟量：温度和压力信号。根据温度和压力值可计算出天然气的压缩因子，从而校正天然气的体积。
　　1.1 温度检测
　　照顾到民用和商用的范围，设计采用Pt100陶瓷高性能铂热电阻温度计作为测温元件，铂在氧化性介质中，甚至在高温下的物理、化学性质都很稳定。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
　　本设计气体温度范围为：-30 ℃～70 ℃。经放大电路放大后电压变化范围在0V～4.5 V之间。
　　1.压力检测
　　由于工作压力范围为0～10 MPa，经过选型，采用CGYL-力变送器，其三线制输出电压范围为0 V～5 V，配合温度信号，方便后续模数转换。压力变送器采用硅杯压阻传感器为敏感元件，具有体积小、质量轻、结构简单和稳定性好的优点，精度也较高。且具有本安防爆认证，防震性能好。

本文采用硬件选择通道方式，SL1、SL2置高，两通道依次按顺序转换。由于两通道采样数据使用同一路数据总线依次读出，采用有限状态机（FSM）实现各通道数据的采集。状态机是逻辑设计中最重要的设计内容之一，通过状态转移图设计手段可以将复杂的控制时序 图形 化表示，分解为状态之间的转换关系，将问题简化。VHDL流水线设计方法可以提高系统的工作频率，采用VHDL语言编写控制程序。
状态机的状态转移图如图4所示，共分为6个工作状态：零状态（idle）、等待状态（STAND_BY）、转换第一通道数据（CH0_CONVST）、读第一通道数据（CH0_RD）、转换第二通道数据（CH1_CONVST）以及读第二通道数据（CH1_RD）。


FSM结构体定义信号类型ST和count。ST为状态，且初始状态为零状态；count用于读数据的计数，用于滤波。
为了实现快速状态转换同时增强稳定性，避免出现 毛刺 现象，A/D转换器的时序控制采用多进程有限状态机来实现。
（1） 时序逻辑
时序逻辑进程STATE_TRANS负责状态转换，当时钟信号SYS_CLK上升沿到来时，判断转换条件使状态机转入相应状态。
（2） 组合逻辑
组合逻辑进程STATE_BEHV负责状态输出，当状态变量ST发生变化时，产生对应此状态的CNV_ST，AD_RD AD_CS，CH（0为第一通道，1为第二通道）及STATUS相应输出。
（3） 计数逻辑
定义P0进程，敏感参数为CNV_ST，当一组数据采样结束（CNV_ST信号由0变为1），如果已经采集10组数据，则置位FULL信号，表示采样过程已经结束。
2.2.3 滤波器设计
A/D转换后的数据还不能立即送入处理器中处理，为了提高数据的准确性，设计滤波单元对数据进行处理。滤波滤波器设计实现经A/D转换后的数据滤波处理及数据的输出。
数字滤波模块的滤波算法采用中位值平均滤波法，相当于“中位值滤波法”+“算术平无度滤波法”，该方法计算简单、速度快，还可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，使得经滤波后的输出信号为“干净”信号，可直接用于工业控制。中位值平均滤波法的时域差分方程是：

本系统设计10组数据进行滤波处理，取N=8。为了节约FPGA内部资源，滤波器的设计中采用移位 寄存器 代替除法器来实现平均滤波部分的算法。滤波模块的设计从采样数据的输入、数值累加、去极值、求平均值到数字量的输出共5个处理步骤，并且整个数据处理是“单流向”的，前一步骤的输出是下一步骤的输入，符合流水线设计要求。采用流水线设计方法可以提高系统的工作频率，从宏观上看数字滤波模块不占用额外的处理时间，对于超高速A/D转换控制中显得格外重要。从VHDL语言的角度看，流水线操作是用面积换速度思想的具体体现［3］。
定义滤波器端口类型见表2所示。


从仿真图中可以看出，当时钟处于上升沿，AD_START变为高电平时，启动A/D转换，依次读2个通道的数据。当读满10组时，进行滤波处理。当CPU发出读信号时，数据读出。可见，设计的A/D控制器和滤波器完全符合设计要求。
对设计程序进行编译，可以看出，EP1C12Q240C8总的逻辑元数目为12 060，本控制模块只占用了227个，完全达到数据采集及滤波处理功能，极大地减轻了CPU的负担，可以让CPU专注于其他的任务。是一种可行且值得推广的方法。

总体功能仿真及编译结果
设计完成，生成顶层模块。该模块可直接加入到体积修正仪的SOPC设计中。其总体功能仿真如图5所示。


从仿真图中可以看出，当时钟处于上升沿，AD_START变为高电平时，启动A/D转换，依次读2个通道的数据。当读满10组时，进行滤波处理。当CPU发出读信号时，数据读出。可见，设计的A/D控制器和滤波器完全符合设计要求。
对设计程序进行编译，可以看出，EP1C12Q240C8总的逻辑元数目为12 060，本控制模块只占用了227个，完全达到数据采集及滤波处理功能，极大地减轻了CPU的负担，可以让CPU专注于其他的任务。是一种可行且值得推广的方法。