基于超低功耗單片機(jī)MSP430F4152微控制器設(shè)計(jì)了時(shí)差式超聲波流量計(jì),實(shí)現(xiàn)了水流量的實(shí)時(shí)檢測(cè).實(shí)驗(yàn)裝置利用高速計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21完成精確的流量計(jì)量,利用RS-485總線方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī),利用LabVIEW軟件將接收到數(shù)據(jù)做成表格并繪制成折線圖以供分析.

超聲波流量計(jì)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、 壓力損失小等特點(diǎn)可以應(yīng)用于氣體液體體以及固體物質(zhì)流量的測(cè)量，流速?gòu)膸?/span>cm/s到十幾m /s被測(cè)量介質(zhì)工作溫度可以達(dá)到上千℃的高溫.在 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛時(shí)差法超聲波流量檢 測(cè)方法是測(cè)量超聲波順流和逆流的時(shí)間差,通過(guò) 計(jì)算得到流體的流速，但是在低流速情況下，時(shí)間 差只有n s級(jí)。使用常規(guī)的時(shí)間測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè) 到，而新型高精度計(jì)時(shí)芯片TDOOP21則可以完 成⑵級(jí)的測(cè)量.本文設(shè)計(jì)了基于超低功耗單片 機(jī)MSP430F4152微控制器的時(shí)差式超聲波流量 計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)其中利用高速計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21完成精確的流量計(jì) 量.利用RS-485通信模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸至 計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)LabvIEW軟件將接收到的 時(shí)間差和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)做成表格并繪制成折線圖以 供分析學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)中掌握超聲波流量計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程.

1.時(shí)差式超聲波流量計(jì)的原理

超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有 關(guān)，順流超聲波的傳播速度大于逆流超聲波的傳 播速度D],本文涉及的時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用 2個(gè)超聲波探頭發(fā)送和接收信號(hào)，通過(guò)測(cè)量沿順、 逆流方向傳播時(shí)的時(shí)間差計(jì)算流體的速度.現(xiàn)考慮利用超聲波u型反射法測(cè)量流速.原理如圖 1所示.

2.實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要有流量 發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、流量計(jì)量模塊數(shù)據(jù)通信模 塊和微機(jī)等流量發(fā)生器包括了水源水泵和閥 門(mén)開(kāi)關(guān)，用于模擬實(shí)際管道的水流情況；流量計(jì)量 模塊包括換能器驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理模塊 顯示模塊；數(shù)據(jù)通信模塊利用Rs-485總線方式 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.微機(jī)接收時(shí)間差和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)數(shù)據(jù)，利用LabVIEW軟件將數(shù)據(jù)做成表格并繪串折線圖以供分析.

3.流量計(jì)量模塊

測(cè)量流量的重點(diǎn)是對(duì)順逆流時(shí)間差的測(cè)量. 以高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21為核心.可以精確 地測(cè)量順逆流時(shí)間差為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的便攜性.采用了電池供電的方式，選擇 超低功耗單片機(jī)作為主控芯片. 使用段式液晶顯示.在硬件上保證了系統(tǒng)的超低 功耗.程序中通過(guò)多種低功耗模式和不同時(shí)鐘頻 率的選擇.使得系統(tǒng)在電池供電條件下，可以長(zhǎng)期 可靠地運(yùn)行.在上述硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，在IAR編 譯環(huán)境下使用C語(yǔ)言編寫(xiě)了控制程序.核心部 分是TDC-GP21的驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)整合硬件資源，完成了流量的測(cè)量和顯示.

硬件電路功能框圖如圖3所示.電路的工作原理是：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對(duì)自身和計(jì)時(shí)芯 片進(jìn)行初始化設(shè)置.發(fā)送控制指令到收發(fā)時(shí)序控 制模塊，用來(lái)確定此次測(cè)量的方向.發(fā)送開(kāi)始指 令到局精度計(jì)時(shí)芯片了TDC-GP21.通知其內(nèi)部的 脈沖發(fā)生器發(fā)射出1組脈沖信號(hào).驅(qū)動(dòng)換能器發(fā) 射超聲波.同時(shí)GPM開(kāi)始計(jì)時(shí).超聲波在通過(guò)

管道流體后換能器將接受的信號(hào)處理后送入GP21的STOP引腳，GP21計(jì)時(shí)結(jié)束，之后由算 術(shù)邏輯單元通過(guò)計(jì)算2次信號(hào)到下個(gè)時(shí)鐘上升沿 的時(shí)間和中間時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)算出聲波信號(hào)在 流體中的傳播時(shí)間.變換超聲波的傳播方向再次 測(cè)量，再次得到傳播時(shí)間，這g個(gè)時(shí)間參量經(jīng)過(guò) 運(yùn)算得到順逆流的時(shí)間差.由lCD顯示模塊進(jìn)行 顯示并由通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù).

3.1超聲波換能器

在超聲波流量計(jì)中，超聲波換能器是重要的 組成部分.也是本裝置利用超聲波技術(shù)進(jìn)行流量 測(cè)量的關(guān)鍵.它直接影響流量計(jì)的準(zhǔn)確性和性能 .本裝置采用了目前應(yīng)用最廣泛的壓電式超聲波換 能器其性能相對(duì)于其他超聲波換能器較好并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于激勵(lì)方便安裝.

超聲^頻率越高.其對(duì)于測(cè)量而言,分辨率就 越高,測(cè)量精度就越高.用于水流的測(cè)量時(shí).超聲 波頻率范圍一般為?理論上講，為了 提高檢測(cè)精度.應(yīng)該選用頻率較高的超聲波.但是 對(duì)于同一種介質(zhì)而言.超聲波頻率越高,衰減就越 大.衰減速度就越快,所以在實(shí)際應(yīng)用￥要選擇合 適的超聲波頻率，在本裝置中，為了保證超聲波 不被水吸收過(guò)多并保證接收信號(hào)的測(cè)量精度.選 擇的超聲波中心頻率為丨MHz、入射角為90'本 裝置所用超聲波換能器的連接如圖4所示.2個(gè)超聲波換能器被安裝在管段的正上方中心間距為L，管段底端正對(duì)著換能器的位置是2個(gè)不銹 鋼反射鏡面.可以有效地減少超聲波反射時(shí)的能 量損耗換能器

3.2時(shí)間計(jì)量芯片TDC-GP21

在靜水中超聲波的傳播速度為1 450 m 設(shè) 計(jì)的超聲波流量計(jì)檢測(cè)水的流速范圍為0.05 %? 20 m/s. 在相同路徑傳播下，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波順逆流時(shí)間差是檢測(cè)的關(guān)鍵.以超聲波在水中 的傳播距離L=10.00cm為例.計(jì)算得其在靜水 中的傳播時(shí)間為68. 966Us 根據(jù)(4)式可知，水的 流速范圍為0.05-20 m s時(shí)，順流和逆流時(shí)間差 為4. 75 ns?1. 90 因此計(jì)時(shí)精度必須達(dá)到！ ns 以下，若水流速更k則要求的計(jì)時(shí)精度就更高?有 時(shí)甚至要求計(jì)時(shí)精度達(dá)到ps級(jí)，

隨著集成電路的高速發(fā)展，高速時(shí)間芯片不 斷出現(xiàn)，使得…級(jí)的測(cè)量精度成為可能本裝置 采用的計(jì)時(shí)芯片是德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的新一 代局精度時(shí)間間隔數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片了DOGP21,內(nèi) 部具有高速脈沖發(fā)生器溫度測(cè)量時(shí)鐘控制以及 停止信號(hào)使能等功能.測(cè)量精度^到幾十ps,另 外芯片功耗非常低適合用于超聲流量表中⑴

圖5顯不了 TDC~OP21測(cè)量絕對(duì)時(shí)間的主 要構(gòu)架芯片是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門(mén)電路的傳播延 遲進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量?芯片所包含的智能 電路結(jié)構(gòu)和冗余電路以及特殊的布線方法.使得 芯片可以精確地計(jì)算信號(hào)通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數(shù)該系統(tǒng)采用的GP21芯片的測(cè)量范圍為500 ns? 4 ms.如圖6所示，在該測(cè)量范圍下芯片的高速 測(cè)量單元測(cè)量的并不是整個(gè)時(shí)間間隔.而是測(cè)量START和STOP到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間 的精確間隔時(shí)間在2次精確測(cè)量之間，芯片內(nèi)部 會(huì)記下基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù),最后再精確測(cè)量2個(gè) 周期的精確時(shí)間用于校準(zhǔn)時(shí)鐘周期,通過(guò)計(jì)算得 出該次測(cè)量時(shí)間的精確值，測(cè)量單元由START 信號(hào)觸發(fā)，接收到STC)P信號(hào)后停止，測(cè)量范圍 可達(dá)位

了 DOGP21具有精確的溫度測(cè)量、觸發(fā)脈沖 產(chǎn)生器和時(shí)鐘校準(zhǔn)器等多種功能，只要在其基礎(chǔ) 上加上微處理器和傳感器驅(qū)動(dòng)模塊.就可以構(gòu)成 超聲波流量計(jì)?微處理器只需發(fā)送開(kāi)始命令， TDC-GP21發(fā)i脈沖觸發(fā)超聲波傳感器并測(cè)量超 聲波渡越時(shí)間計(jì)算出結(jié)果通過(guò)SPI串行 總線傳給微處理器圖7為時(shí)間計(jì)量的原理圖

3.3 控制芯片 MSP430F4152

選擇單片機(jī)除了要考慮到期望功能和開(kāi)發(fā)環(huán) 境外，特別要關(guān)注單片機(jī)自身的功率和它所能提 供的節(jié)能方式以及重要的1(3接口線等.本裝置 使用電池供電.首先要考慮單片機(jī)的能耗問(wèn)題，采

用丁1公司的MSP430F4152單片機(jī)?它是專門(mén)為 低功耗而設(shè)計(jì)的16位的單片機(jī).其自身具有非 常多的優(yōu)點(diǎn):在超低功耗方面，其處理器功耗在 業(yè)界是最低的.遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品，非常適合由 電池供電的場(chǎng)合.在運(yùn)算性能上.單片機(jī)采用16位RISC結(jié)構(gòu)?其在16 MHz晶振工作頻率時(shí)，指 令速度可達(dá)16 MIPS，保證了運(yùn)算的速度.單片 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力.可以有效地處理 由GP21傳來(lái)的時(shí)間信息.在開(kāi)發(fā)工具上. MSP430系列單片機(jī)支持先進(jìn)的JTAX}調(diào)試.利 用其軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR可以非常方便地用 e語(yǔ)言完成軟件的開(kāi)發(fā)? MSP430系列單片機(jī)均 為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品.性能穩(wěn)定.可靠性高，可用于各種 民用工業(yè)產(chǎn)品利用這種局性能 低功耗的單片機(jī)作為控制芯片.可以進(jìn)行有效系 統(tǒng)控制并且大大減少系統(tǒng)耗能.

4.數(shù)據(jù)通信模塊

遠(yuǎn)程抄表是新興的抄表技術(shù).能夠解決人工抄表存在的效率低和易出錯(cuò)的問(wèn)題,提高了工作效率和工作質(zhì)量流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置中，通信接口電 路和端口轉(zhuǎn)換器組成了數(shù)據(jù)通信部分,用于實(shí)現(xiàn)流 量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量表與上位機(jī)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸

4.1通信接口電路

因?yàn)?/span>RS-485總線具有設(shè)計(jì)成本低成本、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn).所以本裝置用 485總線標(biāo)準(zhǔn),電路圖如圖8所示，由TXD和 RXD端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收?信號(hào)由A和B 端口輸出.所連接的TVS 二極管用于保護(hù)芯片免 受浪涌脈沖的破壞⑷?

42端口轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介

在與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，所用到的端口轉(zhuǎn)換 器是商業(yè)級(jí)USB轉(zhuǎn)RSr485單口防雷防浪涌接口 轉(zhuǎn)換器.以臺(tái)灣PU303HX芯片為主芯片.原理 圖如圖9所示.該產(chǎn)品從上取電，無(wú)需外加電源，兼容USI3L0/L 1/2. 0.RS-485標(biāo)準(zhǔn)，能 夠?qū)?/span>USB信號(hào)及協(xié)議幀轉(zhuǎn)換為平衡差分的485信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)星形USB網(wǎng)絡(luò)到RS-485網(wǎng)絡(luò) 的橋接.轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換模 塊其獨(dú)有的丨m電路可以自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流方向 而不需任何握手信號(hào).也無(wú)需跳線設(shè)置實(shí)現(xiàn)全雙工（RS^422)、半雙工(R&485)模式轉(zhuǎn)換，即插即 用確保適合一切現(xiàn)有的通信軟件和接口硬件.

5.數(shù)據(jù)測(cè)試

微機(jī)接收到時(shí)間差和瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)使用abVIEW軟件將數(shù)據(jù)做成表格?如表1所示?并 且繪出折線圖如圖1()所示、可以看出時(shí)間差與瞬 時(shí)流量成線性關(guān)系

6.結(jié)語(yǔ)

本裝置的核心是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握超聲波 流量計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)方法，利用RS-485通信同 時(shí)采集流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量表的數(shù)據(jù)并利用計(jì)算機(jī) 進(jìn)行表格和圖像的繪制，可看出在外界溫度不變 的情況下瞬時(shí)流量與流量計(jì)測(cè)得的時(shí)間差是成 線性的?此外.超聲波的波速會(huì)因溫度的變化而 變化裝置還配有溫度測(cè)量部分.利用18B20 溫度傳感器測(cè)量溫度.學(xué)生可自行研究溫度對(duì)超 聲波波速的影響并編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償