[導(dǎo)讀] 文章根據(jù)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理，采用低功耗MSP430單片機(jī)為控制核心，選用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（TDC-GP2）作為計(jì)時(shí)芯片，設(shè)計(jì)了一種高精度的超聲波流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)不僅提高了時(shí)間測(cè)量的精度，測(cè)量誤差小于±1%，而且功耗低、軟件升級(jí)和更新方便。
在超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)中，超聲波信號(hào)的傳播速度很快，那么超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量就是系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。目前的超聲波流量計(jì)適合用于大管徑的管道上，多用在工業(yè)領(lǐng)域，不適合城市供水行業(yè)對(duì)用戶供水量的計(jì)量。傳統(tǒng)的家用機(jī)械旋翼式水表始動(dòng)流量大、磨損快、維護(hù)麻煩，越來(lái)越不能適應(yīng)節(jié)水的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種使用高精度時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小管徑、低流速液體的精確測(cè)量。此系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且超低功耗MSP430單片機(jī)的使用，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了工作效率，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，可用于對(duì)家用測(cè)量?jī)x表的開(kāi)發(fā)。
1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理
超聲波時(shí)差法測(cè)流量是通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)在順流和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)最終求得流量的，其原理圖如圖1所示[1]。
圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理圖
設(shè)流體的流速為v，聲速為c，管道直徑為D，聲路與流體流向間的夾角為α，則超聲波順流時(shí)傳播時(shí)間t1為：
（1）
超聲波逆流的傳播時(shí)間t2為：
（2）
傳播時(shí)間差Δt為：
（3）
結(jié)合式（1）、（2）和（3），得到時(shí)差法的流速公式為：
（4）
只要測(cè)出順流和逆流傳播時(shí)間t1和t2就能求出速度v，進(jìn)而得到流量。這種方法不受溫度的影響，可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，高精度的時(shí)間測(cè)量模塊就是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是采用模塊化設(shè)計(jì)方法。MSP430單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，并且對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。TDC-GP2計(jì)時(shí)模塊電路用來(lái)發(fā)射超聲波換能器驅(qū)動(dòng)信號(hào)、采集時(shí)間差，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是：
系統(tǒng)通電后，單片機(jī)完成自身和計(jì)時(shí)芯片的初始化設(shè)置。先給收發(fā)時(shí)序控制電路一個(gè)信號(hào)，來(lái)確定是順?biāo)疁y(cè)量還是逆水測(cè)量。MSP430給GP2發(fā)送一個(gè)命令信號(hào)，通知GP2的脈沖發(fā)生器發(fā)射信號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，同時(shí)給GP2一個(gè)Start信號(hào)，計(jì)時(shí)開(kāi)始。超聲波信號(hào)通過(guò)管道中的流體后，接收換能器將接收到的信號(hào)修正后送到GP2的STOP引腳，計(jì)時(shí)結(jié)束。最后由GP2中的算術(shù)邏輯單元（ALU）算出超聲波在流體中的傳播時(shí)間。然后，MSP430改變收發(fā)時(shí)序控制電路的方向，再進(jìn)行一次測(cè)量，又得到一個(gè)傳播時(shí)間。兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，通過(guò)時(shí)差法的原理公式就能夠算出管道中的流量。
2.2 TDC-GP2芯片介紹與詳細(xì)設(shè)計(jì)
（1）TDC-GP2芯片概述[2]
TDC-GP2是ACAM公司推出的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片，利用現(xiàn)代化的純數(shù)字化CMOS技術(shù)，可以使時(shí)間的測(cè)量精度達(dá)到ps級(jí)。主要功能描述如下：
①可選的測(cè)量范圍
芯片有兩個(gè)測(cè)量范圍。測(cè)量范圍1是雙通道測(cè)量，兩個(gè)Stop通道共用一個(gè)Start通道，每個(gè)通道典型分辨率50ps，測(cè)量范圍是0～1.8μs。測(cè)量范圍2是單通道測(cè)量，只有一個(gè)Stop通道對(duì)應(yīng)一個(gè)Start通道，典型分辨率50ps，測(cè)量范圍是500ns～4ms。
②高速脈沖發(fā)生器
通過(guò)對(duì)TDC-GP2內(nèi)部寄存器的設(shè)置，就可以觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生頻率、相位和脈沖個(gè)數(shù)都可調(diào)的脈沖序列。高速振蕩器頻率用作基本頻率。這個(gè)頻率在內(nèi)部被倍頻，還可以除以因子2～15進(jìn)行分頻，并可以產(chǎn)生1～15個(gè)脈沖序列，每個(gè)脈沖序列都可通過(guò)設(shè)置寄存器來(lái)調(diào)節(jié)其相位。通過(guò)發(fā)送代碼Start_Cycle來(lái)激活觸發(fā)脈沖發(fā)生器。觸發(fā)脈沖發(fā)生器提供兩個(gè)輸出結(jié)果Fire1和Fire2。
（2）TDC-GP2時(shí)間間隔測(cè)量原理
TDC-GP2是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門(mén)電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量的，它可以準(zhǔn)確地記下信號(hào)通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數(shù)。圖3為T(mén)DC-GP2測(cè)量單元的主要構(gòu)架圖。芯片測(cè)量單元由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出START信號(hào)和STOP信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá)20位。
圖3 TDC-GP2測(cè)量單元構(gòu)架圖
圖3中，超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號(hào)，同時(shí)給TDC-GP2的Start引腳一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，計(jì)時(shí)開(kāi)始。接收換能器收到信號(hào)后，給TDC-GP2一個(gè)Stop信號(hào)，計(jì)時(shí)結(jié)束。MSP430對(duì)TDC-GP2進(jìn)行寄存器配置以及時(shí)間測(cè)量控制，時(shí)間測(cè)量結(jié)果傳回給單片機(jī)進(jìn)行流量精確計(jì)算，并顯示結(jié)果。
（3）基于TDC-GP2的高精度計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)
TDC-GP2需要使用2個(gè)晶振，首先它需要一個(gè)2～8MHz的高速時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)用，在測(cè)量范圍2中TDC-GP2還需要高速時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)間測(cè)量單元的一部分；同時(shí)還需要一個(gè)321768kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)控制高速時(shí)鐘和進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)用，本文中的321768kHz的時(shí)鐘是由單片機(jī)提供。
TDC-GP2與MSP430單片機(jī)的連接是通過(guò)TDC-GP2的SPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)的I/O口與4線SPI兼容，所以本文用I/O口模擬SPI通信。進(jìn)行測(cè)量之前，需要單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)計(jì)時(shí)芯片寄存器進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)計(jì)時(shí)芯片初始化，之后就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)操作。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)主要工作是對(duì)硬件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、結(jié)果的顯示等。
系統(tǒng)軟件主流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行對(duì)寄存器的設(shè)置，然后是初始化操作（包括初始化MSP430單片機(jī)與TDC-GP2），主程序進(jìn)入測(cè)量等待狀態(tài)。在這段過(guò)程中，一旦TDC-GP2接收到Start或者Stop信號(hào)，則說(shuō)明在進(jìn)行測(cè)量。之后判斷中斷，讀狀態(tài)寄存器。如果狀態(tài)寄存器顯示是溢出，則初始化重新測(cè)量；數(shù)據(jù)正常則讀數(shù)據(jù)、顯示，進(jìn)行下一次測(cè)量。
圖4 系統(tǒng)軟件主流程圖
4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
系統(tǒng)用于水流量的測(cè)量，試驗(yàn)條件為：超聲波換能器工作頻率1MHz，超聲波以45°角入射，流速范圍為0.03～7.5m/s，管徑DN=50mm。
（1）誤差分析
流量計(jì)線性度El：
（5）
流量計(jì)某流量點(diǎn)處的重復(fù)性（Er）i：
（6）
則儀表的重復(fù)性，Er=[（Er）i]max，即各個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)性的最大值。其中，為流量點(diǎn)處的平均流量。
流量計(jì)的精確度δ為：
（7）
（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果
選取多點(diǎn)測(cè)量方式，每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)三組數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，測(cè)量完成后，計(jì)算流量計(jì)精確度。選取一組數(shù)據(jù)，如表1。
本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)管徑是50mm，工程標(biāo)準(zhǔn)上的測(cè)量范圍是0.8～50m3/h。從上表可以看出，通過(guò)對(duì)不同流量點(diǎn)的多次測(cè)量，在正常測(cè)量范圍內(nèi)，計(jì)算出流量計(jì)的精確度達(dá)到±1%，符合設(shè)計(jì)的要求。
5 總結(jié)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)流量的硬件與軟件方法都有很大的改進(jìn)。MSP430單片機(jī)的超低功耗和TDC-GP2的高精度計(jì)時(shí)的結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、軟件的升級(jí)和更新方便，可以廣泛用于水流量計(jì)量領(lǐng)域。