超聲波流量計低功耗高精度時(shí)間測量方法

    0　引言

    為了建造節約型社會(huì )，并且為了經(jīng)濟耐用，現在對各式各類(lèi)的流量?jì)x表要求更高的精度與低功耗[1-2]。文中采用TI的超低功耗MSP430單片機及Lattice的“零功耗”的CPLD技術(shù)、采用時(shí)差法測量原理設計實(shí)現了一種能夠應用電池供電的高精度超聲波流量計，1節鋰電池能夠連續工作6年以上。

    1　時(shí)差法超聲波流量計的工作原理

    超聲波在流動(dòng)的媒質(zhì)中傳播時(shí)，根據超聲波傳播速度的變化可以求出媒質(zhì)的流速[3-4]。時(shí)差法超聲波流量計需要測量超聲波順流和逆流的時(shí)間差。如果超聲波傳感器發(fā)射一短促超聲波脈沖在流體中傳播，假設管道的內直徑為D，超聲波行走的路徑長(cháng)度為L(cháng)，超聲波順流速度為v₁，逆流速度為v₂，超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為θ。

    由于流體流動(dòng)的原因，超聲波順流傳播L長(cháng)度的距離所用的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，假設流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量，則流體的流速v為

    （1）

    式中：c為超聲波在此靜止介質(zhì)中的聲速；v為流體介質(zhì)的流動(dòng)速度。

    由此可見(jiàn)，對于已定的管道L、θ為固定的已知量，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比，由于c隨溫度的變化有所變化，所以在測量時(shí)需要進(jìn)行溫度補償處理。

    流量Q可以表示為：

    （2）

    時(shí)差法是超聲波流量計的最基本方法，要想得到高精度的流量測量值必需能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間測量，保證測量精度、時(shí)間測量的精度要達到ns、ps級。

    2　超聲波流量計的低功耗高精度設計

    2.1　超聲波流量計的系統組成

    系統原理框圖如圖1所示。該超聲波流量計由測量管道、切換電路、超聲波傳感器驅動(dòng)電路、放大電路、濾波電路、比較電路、溫度補償測量電路、CPLD、MSP430單片機[5]及按鍵電路﹑顯示電路等組成。

    零功耗CPLD[6-7]處理部分主要完成超聲波傳感器驅動(dòng)電路的控制及放大﹑濾波﹑比較后信號的接收，完成低功耗﹑高精度的時(shí)間差測量。MSP430單片機主要完成流量的運算、溫度補償、接收按鍵信號及處理顯示。為了降低功耗，超聲波驅動(dòng)電路，放大、濾波、比較電路的供電與否由MSP430單片機控制開(kāi)關(guān)實(shí)現，MSP430單片機低功耗狀態(tài)可達到幾個(gè)μA級，“零功耗”CPLD的靜態(tài)功耗也只有十幾個(gè)μA，在4MHz的頻率計數器工作時(shí)的功耗在100μA左右，MSP430單片機與“零功耗”CPLD為常供電狀態(tài)。     

圖1　低功耗高精度超聲波流量計系統原理框圖

    2.2　高精度低功耗時(shí)間測量辦法

    在超聲波流量測量系統中，時(shí)間測量是衡量超聲波測量系統測量精度的關(guān)鍵，以往采用的方法都是用提高時(shí)鐘頻率的辦法來(lái)解決高精度測量的問(wèn)題，但是時(shí)鐘頻率的提高導致了功耗的增加，使低功耗與高精度不能同時(shí)獲得，低功耗高精度超聲波流量計較好的解決了此問(wèn)題。文中介紹的低功耗高精度時(shí)間測量采用雙時(shí)鐘完成超聲波信號測量。計時(shí)時(shí)鐘分為頻率較低脈沖的時(shí)鐘信號T₁和頻率較高脈沖的時(shí)鐘信號T₂2個(gè)部分。頻率較低脈沖的時(shí)鐘信號T₁由計數器T₁計量，頻率較高脈沖的時(shí)鐘信號T₂由計數器T₂計量。在超聲波反射信號沒(méi)有到達前用較低頻率的時(shí)鐘信號T₁計時(shí)；當超聲波反射信號到達用頻率較高脈沖的時(shí)鐘信號T₂計時(shí)，這樣采用2個(gè)頻率不同的時(shí)鐘信號測量時(shí)間既可以降低系統功耗，又能保證有較高的測量精度。

    低功耗高精度時(shí)間測量原理圖如圖2所示。

圖2　低功耗高精度時(shí)間測量雙時(shí)鐘方法圖

    圖2中S₁位置是超聲波反射信號到達時(shí)刻，S₂位置為反射信號到達后的T1時(shí)鐘上升沿時(shí)刻。當反射信號到達時(shí)，即在S₁位置，T₁計數器停止計數，此時(shí)計時(shí)時(shí)間設為t₁，同時(shí)立即啟動(dòng)高頻信號計數器T₂，T₂計時(shí)到反射信號到達時(shí)刻的下一個(gè)T₁的上升沿時(shí)停止，此時(shí)T₂計時(shí)時(shí)間設為t₂，那么超聲波傳播的時(shí)間t由頻率較低脈沖的時(shí)鐘信號計時(shí)時(shí)間t₁和頻率較高脈沖的時(shí)鐘信號計時(shí)時(shí)間t₂通過(guò)計算可以得到，如式（3）所示：

    （3）

    這樣在用較低頻率計數時(shí)可以實(shí)現較低的功耗，當用較高頻率計時(shí)時(shí)雖然功耗很大，但用時(shí)很短所消耗的電量很小。

    2.3　低功耗高精度計時(shí)的硬件實(shí)現電路

    超聲波流量計低功耗高精度計時(shí)的硬件實(shí)現電路設計采用IspMach4064ZCCPLD芯片，此芯片最高頻率400MHz，靜態(tài)功耗只有10μA，非常適合低功耗系統的設計。I₁與I₂為2個(gè)8位計數器，I₅與I₆組成高頻率振蕩器，I₇為D觸發(fā)器。低功耗高精度計時(shí)電路實(shí)現如圖3所示。    

圖3　低功耗高精度計時(shí)電路實(shí)現

    當超聲波信號發(fā)射時(shí)，Stop信號為低電平，I₁計數較低頻率時(shí)鐘信號T₁的脈沖，Stop信號保持低電平，D觸發(fā)器I₇輸出為低電平，I₅與I₆組成的高頻振蕩器不震蕩；當接收到超聲波反射信號時(shí)，Stop信號為高電平，此時(shí)計數器I₁停止計數，Stop的高電平信號使I₅與I₆組成的高頻振蕩器產(chǎn)生振蕩信號，D觸發(fā)器沒(méi)發(fā)生翻轉，輸出信號將保持低電平直到下一個(gè)T₁脈沖高電平的到來(lái)，所以計數器I₂將I₅與I₆產(chǎn)生的振蕩信號記下；當下一個(gè)低頻脈沖時(shí)鐘信號T₁上升沿到達，D觸發(fā)器的輸出發(fā)生翻轉，輸出為高電平，經(jīng)反相使I₂停止計數并且保持計數的數據不變，直到CLR清除為止。

    2.4　電路工作過(guò)程

    在進(jìn)行測量前，由MSP430單片機輸出一標準的計時(shí)時(shí)鐘信號，去校準圖3中I₅與I₆所組成的振蕩器，以便適應不同的環(huán)境溫度，然后由MSP430單片機輸出4MHz的時(shí)鐘脈沖，進(jìn)行大時(shí)間計量，也就是CPLD運行在高頻模式的最長(cháng)時(shí)間只有250ns，這樣可以實(shí)現低功耗的高精度時(shí)間測量。CPLD測量的時(shí)間差由MSP430單片機讀出，進(jìn)行運算，然后MSP430單片機所測得的溫度信號進(jìn)行補償運算，最終測量出流量值，進(jìn)行顯示或遠傳等。

    3　實(shí)驗數據

    應用該方法開(kāi)發(fā)的超聲波流量計（任意抽取5只DN20），利用精度為0.2%的3個(gè)分別為10L、20L、100L的標準容器進(jìn)行檢定，其中在50L/h的流速情況下，應用10L標準量筒；250L/h的流速情況下，應用20L的標準量筒；2500L/h的流速情況下，應用100L的標準量筒，壓力均為1.3MPa壓力，檢定結果如表1所示。

    4　結束語(yǔ)

    與傳統的機械式流量測量?jì)x表相比，超聲波流量計具有不易堵塞、計量精度高、管徑范圍寬、不接觸流體、使用方便等特點(diǎn)。采用雙時(shí)鐘法的時(shí)間測量方法開(kāi)發(fā)的超聲波流量計已經(jīng)試驗成功，測時(shí)精度可以達到2.5ns以上，增大計數器的位數可以提高測量時(shí)間的范圍，選擇不同信號的IspMach4000ZC芯片可以達到不同的分辨率。在功耗方面，所設計的產(chǎn)品1節5Ah的鋰電池可以應用6年以上，可以看出所設計的超聲波流量計將會(huì )有很好的發(fā)展前景。

    參考文獻：

    [1]　孫延祚.論流量計的合理選型.第十八屆多國儀器儀表學(xué)術(shù)會(huì )議暨展覽會(huì )學(xué)術(shù)論文集（應用篇），2007.
    [2]　王朝暉，于佰儉.流量測量新技術(shù)-非接觸測量.石油庫與加油站，2004，13（4）：29-32.
    [3]　袁易全.近代超聲原理及應用.南京：南京大學(xué)出版社，1996.
    [4]　王玉輝.CPLD技術(shù)在時(shí)差法超聲波流量計中的應用.微計算機信息，2005，21（8-2）：117-119.
    [5]　MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.
    [6]　李蓉，粟鵬義.零功耗超快速CPLD器件ispMACH4000Z及其應用.國外電子元器件，2003（9）：64-66.
    [7]　陳恒.低功耗超快速CPLD.電子產(chǎn)品世界，2002（6）：30-31.[8]　Lattice公司.IspMach4000系列數據手冊M.2004.