針對(duì)影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度和功耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——超聲波時(shí)差測(cè)量,設(shè)計(jì)了以超低功 耗處理器EFM32G880F128為控制核心，以高精度、低功耗的超聲波模擬前端芯片TOC1000和數(shù)字轉(zhuǎn)換 芯片TDC7200構(gòu)成時(shí)差測(cè)量電路的控制系統(tǒng),較好地控制了在回波信號(hào)的放大及接收過(guò)程中產(chǎn)生的誤 差及功耗,有效地提高了電池供電、大口徑超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，降低了產(chǎn)品功耗。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，其 測(cè)量誤差低于1%,能夠滿足市場(chǎng)需求，具有良好的應(yīng)用前景。

0.引言

流量檢測(cè)是供水、石油、農(nóng)業(yè)灌溉等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動(dòng)化過(guò)程的重要組成部分。超聲波液體流量計(jì)具 有非接觸、檢測(cè)范圍廣、安裝簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、精度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，在流量檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此 外，由于超聲波液體流量計(jì)的流通通道未設(shè)置任何阻 礙器件,在大口徑流量測(cè)量中有比較突出的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)大多采用外接電源供電,在供 電困難的條件下，其使用受到一定的限制，采用電池 供電可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。在電池供電的超聲 波流量計(jì)，尤其是大口徑流量計(jì)的市場(chǎng)需求中，流量 測(cè)量的準(zhǔn)確性、儀表的可靠性，以及電池使用壽命成 為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種 提高大口徑超聲波流量計(jì)測(cè)量精度、降低功耗的解決 方案,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1.流量測(cè)量原理及誤差功耗分析

1.1測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)通常采用時(shí)差測(cè)量法，即利用超聲 波在流體中順流和逆流狀態(tài)下傳輸速度的不同，實(shí)現(xiàn) 流量測(cè)量，其測(cè)量原理如圖1所示卜4。在圖1中管 道的上下游分別布置有2個(gè)換能器,L為2個(gè)換能器 間的距離，為流體的流速，為換能器發(fā)出的超聲波 在室溫靜止流體中的傳播速度,a為2個(gè)換能器安裝 軸線與管渠軸線間的夾角。

1.2誤差功耗分析

由超聲波流量測(cè)量原理知，超聲波傳播時(shí)間的準(zhǔn) 確測(cè)量，在很大程度上決定了流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，是 提高流量計(jì)測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。

超聲波在流體中傳播時(shí)間的測(cè)量，是通過(guò)對(duì)超聲 波發(fā)射信號(hào)時(shí)刻和接收到回波信號(hào)時(shí)刻為計(jì)時(shí)時(shí)間 的。大口徑超聲波流量計(jì)由于發(fā)射和接收換能器之 間距離比較遠(yuǎn),超聲波回波信號(hào)強(qiáng)度比較弱，通常只有 幾十mV,要準(zhǔn)確采集到回波信號(hào),必須對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行 高精度的放大處理。同時(shí),考慮到回波信號(hào)的頻率一般 為1 MHz左右,則必須采用帶寬較高的高速放大器。

高速放大器的使用在一定程度上解決了回波信 號(hào)采集的問(wèn)題，但由于其本身功耗較大，從而增加了 放大電路的總體功耗。此外,對(duì)回波信號(hào)幅值進(jìn)行判 斷的電壓比較電路,其功耗也不能不考慮。如果能夠準(zhǔn) 確控制放大電路和電壓比較電路的供電時(shí)間,必將減少 這2部分電路產(chǎn)生的功耗,從而降低系統(tǒng)的總功耗。

由此,要提高大口徑超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度, 降低系統(tǒng)總功耗，除了采用高性能低功耗的微控制 器,關(guān)鍵還在于超聲波時(shí)差測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與控制。

2.高精度低功耗解決方案

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

高精度低功耗大口徑超聲波流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如 圖2所示。采用EFM32G880F128MCU為控制器，超 聲波時(shí)差測(cè)量電路由超聲波模擬前端芯片TDC1000 與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC7200構(gòu)成,在調(diào)理回波信號(hào) 的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)通過(guò) SPI接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、計(jì)算、存儲(chǔ)等。 外圍電路由穩(wěn)壓電路、晶振、RS485通信接口、LCD液 晶顯示屏、SWD程序調(diào)試下載接口等電路組成。

FM32G880F128是一款超低功耗ARM微控制器, 采用ARM Cortex-M3 CPU平臺(tái)，主頻可達(dá)32 MHz,

具有4X40段LCD驅(qū)動(dòng)器、16位低功耗定時(shí)器、2個(gè)低 功耗UART、超低功耗精密模擬電壓比較器、12 bit ADC 和DAC等。其深度休眠模式功耗為900 nA,且只需要就可以在不用對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘做任何調(diào)整的情況下 返回到激活模式，關(guān)機(jī)模式下功耗可以低至20 nA。 創(chuàng)新的超高能效與多種工作模式,使EFM32G880H28 比傳統(tǒng)的低功耗微控制器能效節(jié)約近40%,非常適合 電池持久供電的智能儀表應(yīng)用。

2.2時(shí)差測(cè)量電路

超聲波時(shí)差測(cè)量電路如圖3所示，由超聲波模擬 前端芯片TDC1000與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC7200構(gòu) 成,可以實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)射、回波信號(hào)的調(diào)理、接 收、傳播時(shí)間的測(cè)量等。

2.2.1超聲波模擬前端TDC1000

TDC1000是專(zhuān)為超聲波傳感器測(cè)量開(kāi)發(fā)的全集 成模擬前端芯片（analog front end, AFE),可用于測(cè)量 流量、物位、距離和流體識(shí)別，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)、 醫(yī)療和消費(fèi)等領(lǐng)域。

TDC1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，集成了兩級(jí) 放大電路，第一級(jí)是增益為20 dB的低噪聲放大器 (LNA),只需要簡(jiǎn)單的電容或電阻即可組成電容反饋 或電阻反饋放大電路;第二級(jí)為一個(gè)可編程增益放大 器（PGA),其增益能夠以3 dB的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，最大 增益可達(dá)21 dB。

TDC1000有3種測(cè)量模式，分別為Short TOF Measurement, Standard TOF Measurement 和 Standard TOF Measurement with Power Blanking。在超聲波信號(hào) 傳播時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可以使用第三種測(cè)量模式來(lái)控制內(nèi) 部放大電路的通斷，使放大電路在信號(hào)傳輸過(guò)程關(guān) 閉，并在回波到達(dá)之前打開(kāi)，內(nèi)部的雙比較器可在識(shí) 別到回波信號(hào)后發(fā)送停止脈沖，隨后放大器立即 關(guān)閉 。

這樣不僅可以顯著降低放大電路功耗，還可以有 效避免信號(hào)傳輸過(guò)程中對(duì)放大電路產(chǎn)生的干擾,進(jìn)一 步提高測(cè)量精度。

2.2.2時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC7200

TDC7200是一款時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，適用于流量 計(jì)、燃?xì)獗砗蜔崃勘淼瘸暡ǜ袦y(cè)，尤其是高精度零 流量和低流量測(cè)量。

TDC7200有2種工作模式,測(cè)量范圍分別為0.012 ~0.5 ms 和 0. 25 ~8 ms,分辨率為 55 ps,功耗為 0.5 ^A。 采用SPI接口與微控制器通訊，可以測(cè)量起始脈沖信 號(hào)與多達(dá)5個(gè)停止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔,使用戶 能夠選擇回聲性能最佳的停止脈沖信號(hào)。內(nèi)置的自 校準(zhǔn)時(shí)基，可對(duì)時(shí)間和溫度偏差進(jìn)行補(bǔ)償,從而獲得 ps級(jí)的測(cè)量精度。

2.2.3回波信號(hào)濾波電路

為了盡量減小回波信號(hào)接收通道噪聲，提高超聲 波信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度，利用TDC1000信號(hào)濾 波端口 ： LNAOUT 和 PGAIN、PGAOUT 和 COMPIN,分 別設(shè)計(jì)濾波電路，如圖3所示，從而構(gòu)成一個(gè)1 MHz 的無(wú)源帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的高效濾波 處理。

這樣，由TDC1000和TDC7200構(gòu)成的超聲波時(shí) 差測(cè)量電路,除了微控制器以外,只需用電阻、電容等 無(wú)源元器件構(gòu)成相應(yīng)外圍電路即可，不僅電路簡(jiǎn)潔, 測(cè)量精度高,功耗也得到有效控制。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，主要由初始化程 序、超聲波傳播時(shí)間測(cè)量程序、流量計(jì)算程序、顯示程 序等部分組成。

系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、顯示模塊、定時(shí) 器、通訊模塊、I/O端口和按鍵模塊等進(jìn)行初始化，然 后再對(duì)TDC1000和TDC7200進(jìn)行初始化，設(shè)定其工 作模式，在非測(cè)量周期內(nèi)關(guān)閉TDC1000和TDC7200 的使能信號(hào),使其進(jìn)入休眠模式降低功耗。

測(cè)量周期開(kāi)始時(shí)，TDC1000根據(jù)微控制器的指 令,發(fā)射超聲波激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)將發(fā)射起始脈沖信號(hào) 送給TDC7200。在超聲波信號(hào)傳播過(guò)程中，先關(guān)閉 TDC7200以降低功耗，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)TDC1000進(jìn)行濾波、PGA增益調(diào)節(jié)、放大等環(huán)節(jié)后,微控制器內(nèi)部集成 的低功耗電壓比較器和12 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，判斷超聲 波回波信號(hào)是否被調(diào)整到合適的范圍。當(dāng)回波信號(hào) 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的強(qiáng)度范時(shí),TDC1000重新發(fā)射激勵(lì) 信號(hào)和起始脈沖信號(hào)，內(nèi)部雙比較器識(shí)別回波信號(hào) 后，隨即關(guān)閉放大器和識(shí)別電路。超聲波起始停止脈 沖信號(hào)均發(fā)送至TDC7200,并由TDC7200依據(jù)脈沖信 號(hào)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間。

TDC7200測(cè)量結(jié)束產(chǎn)生中斷信號(hào),微控制器響應(yīng) 中斷請(qǐng)求,通過(guò)SPI讀取測(cè)量結(jié)果,經(jīng)過(guò)軟件濾波后計(jì) 算出超聲波信號(hào)順流和逆流飛行時(shí)間和時(shí)差，最后計(jì) 算得到流速和流量，并將相關(guān)信息顯示在液晶顯示 器上。

4.系統(tǒng)測(cè)試

采用TDC1000和TDC7200設(shè)計(jì)的高精度低功耗 大口徑超聲波流量計(jì),通過(guò)流量校驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行濕標(biāo)確定 流量特性。根據(jù)流量計(jì)最小流量、分界流量、常用流 量及過(guò)載流量實(shí)測(cè)的流速數(shù)據(jù)制定流量特性表,通過(guò) 分段插值計(jì)算進(jìn)行流量補(bǔ)償,這樣就可以根據(jù)測(cè)得的 流速數(shù)據(jù)查表得到相應(yīng)的流量。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該流量計(jì) 的測(cè)量誤差可控制在1%以內(nèi)，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)精 度要求（依據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 1030—2007《超 聲流量計(jì)》）,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。整機(jī)平均功耗小于 0.75 mW (每s測(cè)量1次），單節(jié)鋰電池供電 (ER34615)可連續(xù)工作6年,2節(jié)鋰電池供電可工作10a以上。

此外,在調(diào)試及分析的基礎(chǔ)上，還通過(guò)以下措施 來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量精度：

（1）對(duì)于采集到的時(shí)差數(shù)據(jù)，可綜合運(yùn)用滑動(dòng)平 均濾波和中位值平均濾波法進(jìn)行濾波處理?；瑒?dòng)平 均濾波算法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度 高；中位值平均濾波算法對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干 擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，綜合 運(yùn)用上述2種濾波方法，可以有效提高測(cè)量精度。

（2）對(duì)于如TDC1000的高精度數(shù)模混合器件,穩(wěn) 定的電源和合理的地線分布能有效減少系統(tǒng)噪聲。 電源部分可采用自有噪聲極低、電源抑制比較高的低 壓差線性穩(wěn)壓器，配合大容量鉭電容濾波，提高電源 部分的抗噪能力。單獨(dú)設(shè)立電源層和地線層，可以有 效減少脈沖信號(hào)引起的串?dāng)_。

（3）系統(tǒng)布線時(shí)，應(yīng)盡量使順逆流測(cè)量通道的激 勵(lì)脈沖在PCB板上延時(shí)一致,順流逆流導(dǎo)線長(zhǎng)度與線 寬也應(yīng)盡量保持一致，甚至過(guò)孔數(shù)量也要保持一致， 并合理增加線寬,盡量減少使用過(guò)孔，以控制傳輸線 之間的寄生電容。

5.結(jié)束語(yǔ)

以提高超聲波傳播時(shí)間測(cè)量精度，降低測(cè)量電路 功耗為目標(biāo),采用高精度、低功耗的超聲波模擬前端 芯片TDC1000和數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC7200構(gòu)成時(shí)差測(cè) 量電路,較好地解決了在回波信號(hào)的放大及接收過(guò)程 中產(chǎn)生的誤差及功耗，有效地提高了電池供電、大口 徑超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，控制了產(chǎn)品的功耗，達(dá) 到國(guó)家2級(jí)表的標(biāo)準(zhǔn),滿足市場(chǎng)需求,具有良好的應(yīng)用 前景。