天然气体积修正仪数据采集模块设计
天然气在输送、分配和使用过程中，需要对天然气的输送量、分配量和用户用量进行计量。在天然气流量的实用计量中，通常用某一段时间间隔内通过天然气管道输送的天然气总量来表示，即天然气的体积总量。天然气总量的计量对象类型很多，气源售出计量、城市购入计量、区域供气计量和用户用气计量等。目前国内天然气大都使用体积计量的方法，但由于天然气在不同的温度和压力下，气体体积有较为明显的变化，采用简单的体积计量，明显不符合公平交易的原则。如何将工况下的天然气体积通过温度、压力和压缩系数进行修正，从而得到标准状况下的体积，是保证天然气贸易结算公平的关键所在。信息技术的不断发展、计算机技术在计量系统中的广泛应用将会提高天然气的计量精度，加快测量数据的传递速度。
1 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RS232标准进行串口数据传送。图1是体积修正仪的结构示意图。
天然气体积修正仪根据功能设计如下5个模块：数据采集模块、体积修正模块、液晶显示模块、按键模块以及与上位机通信模块。几个功能模块采用低功耗FPGA器件，以Nios Ⅱ嵌入式处理器为核心，利用SoPC技术完成嵌入式开发。
2 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。
2.1 输入检测
天然气体积修正仪前端测量中涉及2个模拟量：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。
2.1.1 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。
2.1.2 压力检测
由于工作压力范围为0～10 MPa，经过选型，采用CGYL-202压力变送器，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。
2.2 A/D转换及数据处理[2]
经采集的温度压力信号在参与压缩因子计算前必须经过模数转换。
本设计采用12位4通道、高速低功耗A/D转换芯片AD7864。AD7864是美国ADI公司生产的逐次逼近式并行输出的A/D转换器，片内由12位ADC、时钟电路、5 V高精度参考电压源和比较器组成，无需任何外部电路即可完成整个A/D转换的过程。该转换器自身带有4路采样/保持电路，可同时进行采样转换，这样就节省了系统的硬件电路空间。该器件最快转换时间可达1.65μs，信号输入范围可为0 V～5 V、±5 V或±10 V。
AD7864的控制状态引脚主要有：
(1)转换启动信号CONVST，下降沿触发一次四通道转换；
(2)工作状态忙信号输出BUSY，高为忙；
(3)读转换结果控制信号RD，低电平有效；
(4)片选信号CS，低电平有效；
(5)转换结束状态输出信号EOC，低电平有效；
(6)通道选择信号线SL1～SL4；
(7)硬件/软件通道选择方式H/S SEL；
(8)第1个数据输出状态信号FRSTDATA，第1通道转换结束数据可读触发为高，第2通道转换结束变为低。
本系统采用EP1C12Q240型FPGA，其足够的引脚资源完全能够满足需求。
2.2.1 数据采集模块总体设计
为了让CPU专注于处理其他任务，专门在FPGA内部设计一个A/D硬件控制器，负责对A/D的采样控制，并将采样数据进行滤波处理。该控制器还可以根据CPU的输出控制字改变采样的频率。
频谱分析的误差很大程度来自采样窗口和实际波形的同步不严格，造成频谱泄漏。为消除频谱泄漏引起的误差，常用的方法有硬件同步和加窗处理。硬件同步的方法比较多，常用的主要有使用PLL电路进行同步。因此，按照GB/T14549-1993要求，用FPGA内部高精度的PLL产生采样时钟来实现严格的同步采样，以保证窗口间无重叠和间隔，并能严格与被测信号频率同步。
在本模块中，所有时序控制均由FPGA完成，采用VHDL语言对FPGA进行配置，配置后的硬件功能包括对A/D转换器的控制、12位并行数据的处理和数据的滤波。
设计2个控制器完成上述功能：A/D控制器和滤波器。A/D控制器用来控制A/D时序，完成A/D转换功能。滤波模块完成数据的后续处理。设计模块图如图2所示。
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