基于TDC-GP2的時(shí)差式超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)流體流量測量高精度和低功耗的設(shè)計(jì)目的，采用TDC-GP2高精度低功耗測時(shí)模塊，設(shè)計(jì)了一種基于ATmega32的時(shí)差式超聲流量計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)測量管徑為20 mm的管道中的家用自來水流量，得到系統(tǒng)測量精度為±1％，LCD上動(dòng)態(tài)顯示瞬時(shí)和累計(jì)流量以及電池電量等參數(shù)，同時(shí)可以通過RS 232與外部通信，便于大規(guī)模應(yīng)用時(shí)由上位機(jī)對(duì)信息統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞：TDC-GP2；低功耗；單片機(jī)；時(shí)差法

0 引言
    流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，流量測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利、化工、農(nóng)業(yè)、石油、冶金以及人民生活各個(gè)領(lǐng)域。
    現(xiàn)行的流量計(jì)主要有：容積式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和超聲流量計(jì)等。其中，對(duì)于腐蝕性、高溫、高壓流體流量測量時(shí)，將超聲波傳感器安裝在管道外側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，同時(shí)對(duì)流體流動(dòng)不產(chǎn)生干擾，設(shè)計(jì)和安裝方便，測量精度較高，管徑測
量范圍寬，因而得到廣泛的應(yīng)用。

1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)簡介
1．1 測量原理
    自20世紀(jì)20年代初至今超聲流量計(jì)的發(fā)展已有80多年的歷史，超聲流量測量技術(shù)的基本原理是利用超聲波在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來測量流體流量的。它通過超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收換能器接收后轉(zhuǎn)換為代表流量并易于檢測的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流量的檢測和顯示。超聲波流量計(jì)根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法及空間濾波法等不同類型，其中傳播速度差法又分為時(shí)差法、相位差法、頻差法。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，集成芯片的集成度和處理速度得到很大程度上的提高，從而使得時(shí)差法的優(yōu)勢得到發(fā)揮。時(shí)差式流量測量原理圖如圖1所示。

    圖1中，左側(cè)圓形管道里水流流速為v，管道直徑為D，超聲波在水中的傳播速度為C，超聲波傳播方向與管道夾角為θ。于是，超聲波順流發(fā)射和逆流發(fā)射時(shí)的傳播時(shí)間分別為：

   
    流體為層流分布時(shí)，K取值為4／3，流體為紊流分布時(shí)，根據(jù)雷諾數(shù)Re不同，分別取不同的值。
1．2 時(shí)差法測量的關(guān)鍵問題
    時(shí)差法測量流量的原理即通過測量獲得順逆流時(shí)間差。首先要合理準(zhǔn)確地確定發(fā)射和接收時(shí)刻，然后將信號(hào)發(fā)收時(shí)間差精確地測量出來，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度測量的關(guān)鍵。由于超聲波的速度很快(在水中約為1 500 m／s)，兩個(gè)換能器之間的距離很短，對(duì)于小管徑僅有幾個(gè)毫米到十多個(gè)厘米長，所以，超聲信號(hào)所需傳播時(shí)間極短。為保證系統(tǒng)達(dá)到測量精度為±1％，測量時(shí)間差的精度要達(dá)到納秒級(jí)，在測量低流速流體時(shí)要求則更高，所以提高分辨率至關(guān)重要。對(duì)于時(shí)差式超聲波流量計(jì)而言，計(jì)時(shí)模塊的精度直接決定了測量系統(tǒng)的精度等級(jí)、重復(fù)性誤差、測量下限、始動(dòng)能量等性能，通常要求計(jì)時(shí)模塊分辨率要達(dá)到1 ns，普通計(jì)時(shí)模塊無法實(shí)現(xiàn)。為解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用了超高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP2，其分辨率可達(dá)皮秒級(jí)別，為實(shí)現(xiàn)高精度流量測量奠定了基礎(chǔ)。
1．3 TDC-GP2的概述
    TDC-GP2是德國ACAM公司通用的TDC系列的新一代產(chǎn)品。它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止信號(hào)使能，溫度測量和時(shí)鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量。
    TDC是以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳輸延時(shí)來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測量的，其高速運(yùn)行時(shí)間單元如圖2所示。測量過程中，只需計(jì)算出開始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)之間所經(jīng)過的邏輯門的個(gè)數(shù)，就可以精確地計(jì)算出start信號(hào)與stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方式保證芯片可以精確地記下信號(hào)通過門電路的個(gè)數(shù)。

    TDC測量由start信號(hào)觸發(fā)而開始，接收到stop信號(hào)停止。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)之間的時(shí)間間隔，測量范圍可達(dá)20b。在3．3V和25℃時(shí)，其最小分辨率是65ps，均方根(RMS)噪音大約是50ps。

2 流量測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)測量原理圖如圖3所示。

    該系統(tǒng)使用AVR單片機(jī)ATmega32作為系統(tǒng)控制器。其中En_Start，En_Stop1，En_Stop2分別為TDC-GP2的start，stop1，stop2的使能控制端，連接至ATmega32控制芯片的I／O口。INTN為TDC-GP2的中斷信號(hào)輸出端，RSTN為TDC-GP2復(fù)位信號(hào)輸入端。TDC-GP2的SPI口(圖3中SSN，SCK，MOSI，MISO端)與ATmega32的SPI口直接相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。TDC測量單元中，所有工作模式的選擇、數(shù)據(jù)傳輸以及最終數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算都是由單片機(jī)來完成的。TDC-GP2提供的SPI接口的數(shù)據(jù)位為8 b，方便與單片機(jī)通信，由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行寄存器的配置、工作狀態(tài)的設(shè)定和數(shù)據(jù)傳輸。
    TDC-GP2主要由TDC測量模塊，16位算術(shù)邏輯模塊(ALU)，溫度測量模塊以及4線SPI串行數(shù)據(jù)接口組成。通過4線SPI與控制器相連，具有最高1 MHz的連續(xù)數(shù)據(jù)輸出。通過配置內(nèi)部寄存器，設(shè)置TDC-GP2的測量范圍、信號(hào)觸發(fā)方式等，使得用戶能夠?qū)υ撔酒M(jìn)行靈活應(yīng)用。
    時(shí)間測量單元使用的是TDC-GP2的測量范圍2，其時(shí)間計(jì)算圖如圖4所示。此時(shí)，只有一個(gè)stop通道對(duì)應(yīng)start通道；典型的分辨率為50 ps RMS；間隔脈沖對(duì)的分辨率為2Tref；有3次采樣能力；測量范圍為2Tref～4 ms；可選上升／下降沿觸發(fā)；每個(gè)單獨(dú)stop信號(hào)都有一個(gè)精度為10 ns的可調(diào)窗口，可提供準(zhǔn)確的stop使能。TDC的核心測量單元并不時(shí)刻都在工作，僅測量從start和stop到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的間隔時(shí)間，如圖4所示。測量時(shí)間為：
    time=Tref×[Coasecount+(Finecount2-Finecount1)]／(cal2-cal1)

    在本系統(tǒng)中，start信號(hào)由I／O口產(chǎn)生，用來觸發(fā)TDC啟動(dòng)測量。當(dāng)激勵(lì)端使得一換能器發(fā)出超聲信號(hào)后，另一超聲波換能器在接收到聲信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此時(shí)的電信號(hào)幅值很小，僅為毫伏級(jí)，而且會(huì)帶有較多的干擾和噪聲，模擬電路部分需要經(jīng)過隔直選頻和放大(信號(hào)幅值為3 V左右)，得到幅值較大、波形規(guī)整的近似變幅正弦波，該波的幅值由零遞增，在達(dá)到最大值后再緩慢衰減。最后進(jìn)行過零檢測，確定stop信號(hào)到來時(shí)刻。
2．2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化并從存儲(chǔ)芯片讀取必要的參數(shù)，然后程序就會(huì)進(jìn)入測量功能的大循環(huán)。人們關(guān)注的是累積流量的數(shù)值，實(shí)際應(yīng)用中．一般認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)流量是不變的，因此只需每隔一段時(shí)間測量一次瞬時(shí)流量值，此瞬時(shí)流量值與時(shí)間的乘積就作為這段時(shí)間內(nèi)的累積流量。為了降低系統(tǒng)功耗，只有在系統(tǒng)到達(dá)定時(shí)時(shí)間或者有按鍵觸發(fā)中斷時(shí)，系統(tǒng)由休眠狀態(tài)被喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)。
    系統(tǒng)總流程圖如圖5所示。

    TDC時(shí)間測量部分主要根據(jù)過零檢測的方式判斷stop信號(hào)到來時(shí)刻，如圖6所示。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)以高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP2為主要測時(shí)模塊，采用時(shí)差式測量原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中，傳感器為V型安裝，流體管徑為20mm，經(jīng)測量顯示系統(tǒng)精度為±1％，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。TDC-GP2測時(shí)單元的設(shè)計(jì)不僅在液體類流量測量中廣泛使用，同時(shí)也適用于氣體流量的測量，具有較廣的實(shí)用性。另外，TDC-GP2為高精度、小封裝、低功耗，加之系統(tǒng)軟件采用低功耗設(shè)計(jì)，因此，從體積、精度和能耗上大幅提高了系統(tǒng)的總體性能。