高精度微功耗时差法超声波流量计的设计

1、大连理工大学硕士学位论文高精度微功耗时差法超声波流量计的设计姓名：阎明申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：李明伟20071221大连理匸大学硕士学位论文摘 要随着现代工业的E速发展，流童的测量如今已经不可或缺，超声波流壘计由于其不 接触被测物质，测彊准确度几乎不受介质温度、压力等参数的影响，无须中断管道等优 点，近年来已经得到了广泛应用.本系统利用时差法的测量原理，采用数字电路的抗干扰接收波形处理技术，提高了 测量效果。系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间的测贵以及控制发 射脉冲，以超低功耗的MSP430F155单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理，并 使用C

2、PLD ispMACH4064完成了接收波形脉冲的提取和接收波形自动增益控制的功能。利用CPLD完成对收波信号的处理，大大提离了脉冲提取的精度，有效的去除了干 扰，为时间间隔的高精度测量奠定了基础。采用GP2通过芯片内部门电路的传播时延进行系统传播时间的测量,与传统的高速 计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的 干扰等复杂问题.在嵌入式工作平台IAR Embedded Workbench下使用C语言，完成了硬件之间的控 制与数据通信，实现了工业自动化仪表所需要的测量流程.采用C吾言编程，大大提高 了软件开发的工作效率，提离了程序的可靠性、可读性和可移植性

3、.方便了设计的继续 完善与扩展.本文设计的时差法超声波流址计，采用测时芯片测蜀传播时间差，使用CPLD完成 接收波形提取的硬件抗干扰电路，保证了较高的系统测屢精度；应用单片机的低功耗和 较快的计算能力，完成了系统控制和处理的稳定性；较好地改善了超声波流量计的测量 效果，达到了预期目标通过对本流莹计进行正确的安装、校验调整并准确设置现场参数，系统可以实现大 概1%的测量精度.关键词：超声浪；时差法；流量计；MSP430;大连理工大学硕七学位论文AbstractWith the rapid development of modem industries, flow measurement is i

4、ndispensable now. Due to its* Ultrasonic flowmeter can measure without touching measured substance or intermitting pipe and its* measurement accuracy can hardly be influenced by the temperature of medium, pressure and other parameter. So it has got widely used.Using the measure theory of transit-tim

5、e method and an anti-jamming incepted waveform treatment technique, the system has improved its measure efiect. A time-to-digital converter chip TDC-GP2 which can measure time intervals with very high precision and control pulse transmit is used. A low power loss microcontroller MSP430F155 is used a

6、s the core of system to control and calculate. The CPLD ispMACH4064 complete the function of extraction pulse from incepted wavefbnn and automatic gain controLUsing CPLD to deal with the incepted waveform signal can improve the precision of extraction pulse, eliminate interference effectively, it es

7、tablished the foundation of high precise time intervals measurementGP2 use internal propagation delays of signals through gates to measure propagation time of system It has higher precision than traditional high-speed digital counter method and can work at 1MHz to avoid complicated high frequency ci

8、rcuit interference and whatsoever.In the embedded worktable-IAR Embedded Workbench C language is used to complete controlling and data traffic, which achieving the necessary measurement flow of industry automatic instruments. Using C language for programming can improve work efficiency greatly, impr

9、ove the reliability readability and replanted of the program, and it is convenient to continue perfecting and extending the design.The transit-time ultrasonic flowmeter applied in the thesis has adopted time-measurement chip to measure transit-time and has applied CPLD to accomplish the hardware ant

10、ijamming circuit of extraction in incepted waveform to ensure the high system measurement precision and has used the low power loss and fast computing ability of microcontroller to accomplish the stability of system controlling and manage. The design improves the measurement effect of ultrasonic flo

11、wmeter exactly, which gets the anticipatory aim.After correct fixing, checkout, adjusting and setting locale parameter accurately, the measurement precision of system can be about 1%. Key Words： Ultrasonic; Transit-time; Flowmeter; MSP430独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成杲.尽我所知，除了文中特别加以标注和致

12、谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料.与我一同工作的同志 对本研究所做的贡扶均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意.作者签名：阎观 日期:坪7.1L人:连理丄大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅.本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和

13、汇编学位论文.导师签名:刃?年宀月"日高精度微功耗时差法超炉波流试计的设计1绪论本章简介了流龜仪表的发展及分类；详细介绍了超声波流量计的测竜优势及其丽 景：叙述了国内外超声波流量计的发展历史现状以及展望；并对本文的主要工作内容作 以介绍。1.1课题背景随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高的 要求。在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就 更加突出并为越來越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量 测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流最测屋方法 和仪表的种类也越来越多。尤其是

14、在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的 发展。流量仪表一般可分为如下十大类：压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、 叶(涡)轮式流庭计、电磁式流量计、流体振荡式(包括涡街式)流量计、超声流量计、热 式流就计、科里奥利质量流量计和明渠(或非满管)用流量计。超声波流議计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展才开始得到实际应用的一种 非接触式仪表.与传统的流量计相比，(1) 解决了大管径、大流1：及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随 着管径的增大会带来制造和运输上的困难，有不少流量计只适用于圆型管道，而且造价 提高，能耗加大，安装不便。这些问题，超声波流置计均可避免，提高了流

15、星仪表的性 能价格比：(2) 超声破流量计对介质几乎无要求。它不仅可以测液体、气体，甚至对双相介质 (主要是应用多普勒法)的流体也可以测量；由于利用超声波测量原理可制成非接触式的 测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并可以解决其它类型流量计所难以 测量的强腐蚀性.非导电性、放射性的流量测量问题；(3) 超声波流盘计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等 参数的彩响；(4) 超声波流量计的测量范围度较宽，一般可达20川現近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测 量流体流量的技术发展很快.基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量

16、 计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的 首选工具卩】目前应用较多的超声波流量计检测方法主要有时差法、多普勒效应法、相 关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测量法 是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间（連率）会随著媒质流速的变化而 变化的原理来实现媒质流速测量的。时差法的关键主要是对于时间测量的高精度，近几年来，随着奥成电路的高速发展， 高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超 声波流量计的发展产生了极大的推动。1.2国内外的发展及现状超声波流量计是通过检测流体流动对超声波（

17、或超声脉冲）的作用以测量流量的仪 表.研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。1928年法国的O.Rutten研制成功了世界上第一台超声波流量计。之后，美国、意 大利等国陆续有人研究，但都限于相位差法，进展不大1955年，应用声循环法的超声 波流撬计首先作为航空燃料用流量计获得成功，随后又岀现了基于时间差法和波束偏移 法的超声波流量计1958年，A.L.Herdrich等人发明了折射式超声波探头，以消除由于 管壁中声波的交混回响而产生的相位失真，为换能器的管道外夹安装提供了理论依据， 超声多普勒流2：计也在这一时期诞生。1963年，超声波流量计开始由口本的Tokyo Keiki 等

18、人引入工业应用，但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位。20世纪70年代后， 集成电路技术迅猛发展，高性能锁相技术的出现与应用，使得实用的超声波流量计得以 迅速发展。到20世纪90年代初期日本、美国、西欧等地区超声波流量计的销售已占到 流量仪表的43%20世纪90年代中期，超声波流量计世界范围的年销售台数约3.6 万台，进入21世纪，全球超声波流量计（不含明渠流壘计）2000年的销售达到2.4亿美 元，到2005年之前，超声波流疑计的销售以年均15.3%的速度快速增长.我国开展近代流量测盘技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，宜 到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家

19、用水表,50年代有了新成仪表 厂（上海仪表厂前身）所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。 至今，我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从事 流篁仪表研究和生产的单位超过230家.对于超声被流St计，我国起步同样较晚，60-70年代机械工业部上海工业自动化仪 表研究所、北京大学相继研制；近年若干科研和生产单位又推出所开发的一些新颖仪表. 上世纪80年代中期，国内仪表厂从国外引进专有技术，生产具有80年代国际水平的仪 表。我国的超声波流量计研究工作虽然起步较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进 大连理匸大学硕士学位论文国外先进的技术，国产的超声波流

20、量计已开始批量生产并投入使用.目前，国内超声 波流量计生产厂家主要冇上海自动化仪表有限公司、南京康创流量计有限公司、唐山汇 中仪衣有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电于有限公可、大连长风电 子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。但是，国内生产的超声波流量计无论从测显精度上还足测量方法上与国外相比都有 一定的差距。如荷兰Instrormet公司、美国Danniel公司、Controlotron公司等厂家生产的 超声波流量计在测量精度上，及便携角度来说都达到了较高的水平。由于超声波流量计 测最液体或气体的独特优点，以及我国现代化建设的突飞猛进，国内对超声波流量计的 需求和在超声波流

21、量测量领域研究的投入都会不断增加，相信在不远的将来，国内的超 声波流量测量计数和产品都会达到世界一流水平.目前，超声波流量计主要分为单声道和多声道两种类型.单声道超声波流量计是在 被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式 和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适 应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多 声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各 声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适 应能力强，测量精度髙，可用于大

22、口径管道和流态分布复杂的管渠.近年來，国外竞 相开发出经实流核准的高精度带测量管段的中小口径超声流量计，且用双声道或多声道 以改善单声道测量平均流速的不确定影响量，使测量精度大大提高。传播速度差法超声波流量计是目前极具竞争力的流量测量手段之一，其测量精度已 优于1.0%。多声道超声波流量计的精度已高于0.5%。1.3本文的内容本文围绕时差法超声波流疑计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软 件各部分的组成和设计原理，并给出了进一步的改进想法与方案.本文内容由以下7部 分组成：(1) 绪论：分析了流量测議的意义，介绍了国内外流量计，尤其是超声波流量计的 发展与现状，介绍了本论文的主要内容

23、。(2) 简述流量与流量计的概念，分析了时差法超声波流量计的基本测量原理以及速 度分布产牛的彫响.介绍了其它几种超声波流量计测量的方法以及流址计探头的安装方 式.系统硬件设计使用了高精度时间间隔测量数字转换芯片TDC43P2、超低功耗16 -3 -高精度微功耗时差法超冷波流域计的设计位单片机MSP430F155和ispMACH4064CPLD等芯片，并详细地介绍了设计电路及方案, 阐述了设计原理。(3) 系统软件设计部分采用C语言进行编写，对软件部分四个组成模块的软件运行 流程作以详尽的介绍，阐述了各部分的功能及设置。(4) 介绍了流量计的安装、校验调整过程，分析了产生系统误差的原因，讨论了数

24、 据滤波的方法.(5) 对于测量精度要求较高的场合，可以通过进一步的改进方案达到要求，文中提 出了几点有效的改进措施。结论：对论文完成的内容和得出的数据进行了总结，给出了系统的实现结果。大连理工大学硕士学位论文2超声波流量计测量原理2.1流量和流量计在流体的流动中，具有某一定面积的截面，把流过该截面的体积或质址与时间之比 称为流量。用流体流过的体积与时间之比來表示流量时，称为体积流量(或容积流量)。 用流体流过的质量与时间之比来表示流量时，称为质量流量。一般地说，流量的测量对象就是流过管路或沟渠的流体。在这种情况下，我们來研 究具有某个一定面积的管路或沟渠的截面，称流过该截面的流量为流过该管路

25、或沟渠的 流体流量。如果流体的流动是不随时间而变化的流动，即稳定流.那么，体积流鈕可以用流体 在单位时间内通过具有一定面积的截面时的体积来表示。质量流量可以用流体在单位时 间内通过具有一定面积的截面时的质量来表示。当流体是非稳定流时，流址时时刻刻地 都在变化着。这种情况下的某一时刻的流量，可以假定该时刻的流动保持恒定不变，用 单位时间内流过的流体的体积或质量来表示。设流体通过截面中的某一微小面积为dF,并将通过该微小面积流体的流速取为v 时，则流体通过微小面积亦的体积流StHQ为：d0 = vdF(2.1)所以，流体通过整个截面的体积流量。可对截面面积F进行积分而求出，即：Q = JwiF(2

26、.2)F如果整个截面上各点流速相同，从式(2.2)可以导出：Q = vF(2.3)质量流量可以用体积流量和流动流量的密度之积來表示。如果质最流量为G,流动 流体的密度为P，则：G = pQ = eF(2.4)测量这些流蜃的仪器叫做流量计.专门测量体积流量的流量计称为体积流量计，测 量质量的流量计称为质量流董计.它们一般都是用于测量流过管路或沟渠的流体的流 量。现在使用的很多流量计，都是在测量流量的同时，也测量出通过体枳或通过质量.大连理匸大学硕士学位论文A/ =如果体积流为0,质址流量为G,那么，在时间f内流体的通过体积7和通过质 址M为：(2. 5) (2.6)因此，如果流动为稳定流，流动流

27、体的密度p为一定的话，从式(25)可得VQt9从 式(26)可得A/ = G/,如果应用式(2.4)的关系对此进行整理，则：(2.7)M = Gt = pQt pV通过体积？和通过质量M分别如式(2.5)和式(2.6)的关系所表示的那样，为体积流 量和质量流量的累积值，因此，把这样测量的/和M称为累积流以测量累积流量 为主的流址计称为累积流量计。准确地说，累积流量就是流过流体的体积或质垦。体积 流量的单位为m'/h, cm3/s：质量流量单位为kg/h, g/h；流量单位为m/h, m/s等。2.2时差法超声波流量计测量原理2.2.1时差法原理分析如果以频率/来表征声波，并以人的可感觉

28、频率为分界线，则可以把声波划分为次 声波於20Hz),可闻声波(20Hz20kHz)及超声波(/5>20kHz)在超声波检测中，垠 常使用的频率范围是0.510MH*刃超声波流量计按其测量原理其常用的测杲方法有：传播速度差法、多普勒法、波束 偏移法、嗪声法、旋涡法、相关法、流速一液面法。传播速度差法又包括直接时差法、 相差法和频差法，其基本原理都是测蜃超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流 体的流速，从而测出流量。时差法测量是在被测流体内由超声波发射器和接收器分时的 在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲，测量其传播的时间差加。时差法基本原理如图 2.1.如图，顺流方向发射超声波脉冲的传

29、播时间为：(2.8)(2.9)D/sin&fj =C+VCOS0逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为：D/snOt2 =C-VCOS0式中：C被测流体静止时的超声波传播速度: V被测流体的流速在顺流和逆流情况下超声波的传输速度差为-7 -大连理匸大学硕士学位论文-# -大连理匸大学硕士学位论文2DVCOS0sin。® -v2 cos2)(2.10)-# -大连理匸大学硕士学位论文-# -大连理匸大学硕士学位论文由于超声波传播速度c远大于流体速度，故可以认为?-v2cos2c故(2.11)由此可得:(2.2D由上式可见：当超声波在静止流体中传播速度可认为是常数时，流体流速就与时间

30、 差彳成正比.测量/即可得到流速，进而求得流足:2. 2.2速度分布产生的影响传播速度差法从原理上看是测量超声波传播途径上的平均流速，其测量所得到的值 也只应是线平均值。这一线平均值是否能正确反映流通截面上的流速，对于测量的准确性是有形响的.确切地说，测量用的超声波能遍历整个流通截面的面平均值才能真正反 映出流量，而线平均与面平均(亦称截面平均流速)的差异，正是取决于流速的分布情况。对于流速小的层流情况.圆管内的流速分布属抛物面分布，苴真平均流速是最大流 速的二分之一，而由采用线平均方法的流壘计测童的一般是表示最大流速值的三分之 二.因此，用超声波流凰计测出的流量足其正的流量的三分之四倍，这个

31、关系在流体层 流流动的范围内，即雷诺数Re约2320以下的场合可以保持一定，即可经过简单的修正 而获得准确的结果。可是在流速大的湍流情况下，与流动截面有关的流速分布因雷诺数Re变化而异。 随着Re的增大，流速分布近似于均匀分布。因此，当用超声波流量计测量包含有中心 的途径上的平均流速值“时，将它与截面平均流速匸之比称为流量修正系数斤的值可 以作为雷诺数Re的函数表示出来.在流速分布按对数规律分布时，可用下式表示(2. 13)"2 = 1 + 0.0心6.25 + 431九4却但由于上式利用了尼库拉兹的摩擦系数，在Re为10以下的范围内需要利用布拉 修斯摩擦系数加以修正，或者也可以用简

32、单的实验式曰.1194).011 lg&来表示.如果 流速变化10侣，其对数为1,则*的变化仅为1%流动若在层流与湍流之间，即过渡状态的情况下，流动是不稳定的.而实际上对于 特大口径的管道而言，那种范围内的流速只是极小的问题，而流动在管中心轴上的不对 称所造成的误差才是重要的【.2.3超声波流量计其它测量方法(1) 相位差法相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系:=(2.14)通过测诡顺、逆两个方向接收波的相位差A卩来实现“的测最，这里/为超声波的 发射频率.(2) 频差法频差法是由顺流发射的一组超声波发生器和接收器T1和R1,另一组逆流的T2和R2各白组成发射一接收的闭

33、路循环系统.其发射一接收的循环频率分别为；fi =(2.15)/2=(2.16)L其差值V = (2.17)L八彳/(2.18)由此可通过测最一定时间内两组闭路循环系统中的循坏频率之差来测得流速.(3) 多普勒法多普勒超声波流量计的测量原理是利用声波的多普勒效应进行测量的，多普勒效应 可表述为：当发射器和接收器之间有相对运动时，接收器的接收声频率与发射器的声频 率之差与两者之间的相对速度成正比。多普勒效应如图2.2所示.图2.2多普勒效应原理 Fig. 2.2 Theory of doppler effect-11 -大连理匸大学硕士学位论文-# -大连理匸大学硕士学位论文当多普勒超声波流量计

34、的发射换能器以一定的角度0向流体发射频率为/；的连续 超声波时，流体中的悬浮颗粒体将声波反射到接收换能器，因为悬浮颗粒的运动，所以 反映的超声波将产生多普勒频移y,设频移后接收换能器收到的超声波频率为f2,超声 波在流体中速度为G悬浮颗粒与流体速度相同，都为妬则多普勒频移：-# -大连理匸大学硕士学位论文-# -大连理匸大学硕士学位论文lucosG(2.19)-# -高精度微功耗时差法超声波流址计的设计(5) 噪声法噪声法是一种对信号仅仅进行接收的无源方法。一般而言，当液体在管道内流动时, 在流体中会产生紊流或涡流等，由于液体的剪切作用，在-定的频举范国内产生声波或 超声波，此时产生的噪声强度

35、与流速成比例，通过噪声的检测可以得出流体的流速。如 图2.4所示.被测液体流动的管道0 2.4嗓声法流址计示意图Fig. 2A Scltcuiaiic plan of noise method flowmeter由于在一股的现场低频振动和电噪声很强，因而信噪比很低，通常使用奇通滤波器 来消除低频的影响，可在高频范围内不受干扰地进行测量。(6) 旋涡法旋涡法的测量原理如图2.4所示，换能器A发射一束连续.等幅的超声波，超声波 束穿过流体到达接收换能器B时，会由于流体的运动而使信号发生改变。在流体静止时, 流体中无旋涡，B收到的仍然是等幅的超声波：当流体运动时所产生的旋涡运动速度几 乎与流体运动速

36、度相等，超声波束穿过每个旋涡时，由于旋涡对声波的折射和反射都使 B收到的信号幅度被调制一次，只要能获得强旋涡，并在一个较宽的流速范围内旋涡稳 定即可根据调制频率而获得流速(切图24旋涡流量计示意图Fig. 2.4 Schematic plan of volution flowmeter(7) 相关法相关法测览流呈的原理如图2.5所示：多数流体在管道内的流动是以相关方式运动 的紊流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的表点为A和B(同轴上)，则A点记录 的信号x(r)和B点记录的信号在时间变址为f时，所表示的相关函数可表达为：| T= 陆)咋 + 0(2.22)卄£0若所有湍流扰动或声场

37、瞬变在A, B上产生幅度、相位相同的信号，且f等于A、 B间扰动的平均传输时间，则卩“岀现最大值，其对应的f值为/当流体的速度为ut A、B间距为1时：u = (2.23)显然，被测流速与声速无关.(8) 流速一液面法流速一液面法主要用于敞开河道、水渠和非充满管道的流量测豆。其测量系统的组 成有超声液位计，超声流速计和流倉积算仪。液位计测得的液位用于换算成液体的流通 截面积X,流速计用于求得截面平均流速“，积算仪则对信号进行计算处理，其计算公 式为：.q. = Au(2. 24)-#-奇精度微功耗时差法超声波流竝计的设计需要说明的是，上述方法中，如旋涡法和相关法，虽然用超声方法检测，但通常分

38、属涡街式流暈计和相关式流量计的范畴|川图2.5超声相关流址计Fig. 2.5 Ultrasonic correlative flowmeter奇精度微功耗时差法超声波流竝计的设计奇精度微功耗时差法超声波流竝计的设计2.4探头安装方式作为外夹式超声波流量计安装时需将超声波探头固定安装在测量管道的管壁上，对 于仅有两个超声波探头的流毘计，探头安装方式一般有Z法、V法、N法、W法等.此 外，对于多探头的超声波流量计，还有X法、ZV法、平行法等.V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便、测量准确。可测管径范围为25mm 至大约400mm,安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平.V法安

39、装简图如图2.6图2.6 V法安装简图Fig. 2.6 Fix diagram ofV-metbod当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管壁结垢太甚及衬里太厚，而造成V法不能 正常工作时，要选用Z法安装.原因是：使用Z法时.超声波在管道中直接传输，没有 折射（称为单声程几 信号衰减小。Z法可测管径范围为50mm至大约6000mm.N法安装时，超声波束在管道中折射两次穿过流体三次（三个声程），适于测量小管 径管路。N法通过延长趙声波传输距离，提高测量精度图2.8为N法简图。图2.8 N法安装简图Fig. 2.8 Fix diagram of N-method同N法一样，W法也通过延长超声波传输距离

40、的办法来提高小管径测量精度.适 用于测量50mm以下的小管。使用W法时，超声波朿在管内折射三次，穿过流体四次（四 个声程）.图29 *法安装简图Fig. 2.9 Fix diagram of W-method关于多探头的安装方式，这里不加赘述。2.5小结本章介绍了流宣及流量计的定义和公式；仔细研究了超声波流量计的时差法测最原 理以及速度分布对于流虽测量的影响；简介了超声波流量计的其它测量方法以及外夹式 超声波流量计的探头安装方式.髙精度微功耗时差法超声波流试计的设计3流量计硬件设计硬件部分的作用足以各模块构建出基本的系统，为软件运行提供基础平台.本时差 法超声波流量计作为测量仪表，系统要求能够

41、准确测皇信号的时差并智能化地根据时差 法的测量原理计算岀流量流速，并进行处理及显示。根据系统的原理，本设计选用了数 字时间转换芯片TDC-GP2； 16位单片机MSP430F155以及复杂可编程逻辑器件（简称 CPLD）ispMACH 4064等芯片.充分利用了 TDC-GP2的髙精度时间间隔测量和内置脉 冲发生器的脉冲可设置功能，发挥了 CPLD的在系统可编程能力，结合MSP430较强的 运算处理能力、超低功耗及丰富的片上外围设备等优点，实现了较高精度的测量系统。 以下将详细介绍系统的硬件结构组成及各主要电路的设计原理与实现。3.1系统硬件总体结构本设计的硬件结构大体可以分成五个部分：时差测

42、绘:电路；单片机及其外围电路； CPLD内部数字逻辑电路;超声波收发处理电路及显示电路。硬件主要部分构成如图3.1图3.1系统硬件结构框图Fig. 3.1 System hardware structure系统的时差测量电路采用德国ACAM公司生产的高精度时间间隔数字转换芯片 TDC-GP2. GP2具有高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这 些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流址测量和热最测量方直的应用；单片机部 分主要由MSP430单片机及其外围电路组成，为系统的控制核心，完成芯片驱动，菜单 显示，数据处理等工作；CPLD使用Lattice公司的ispMACH 406

43、4V芯片，完成时钟信 -# -大连理工大学硕士学位论文号的同步，收波脉冲的Stop信号提取，自动增益控制等功能，具有高精度、快速、方 便的优点；超声波收发电路完成能量的放大输岀以及由双级放大可调増益电路完成输入 信号的信号放大；显不电路由键盘，LCD及其外围电路组成，实现方便的菜单控制和处 理功能。采用了高精度的时间数字转换芯片以及在CPLD中设计对接收波形进行处理的 数字电路是本设计的创新之处。进行测量时的系统工作过程如下：首先，根据实际情况，选择好超声波探头安装方 式，由工作人员精确测岀超声波传感器的安装角度以及流体所在管道的内外管径，通过 键盘输入单片机FLASH进行存储，同时，确定好管

44、材，流体类型以及探头安装间距等 流量测量时所必须的参数值。测量时，单片机控制GP2芯片发出一串确定的含有相位变 化的脉冲序列，该序列被送至超声波发射电路，驱动发射趙声波在管道中传输并通过接 收电路返回，接收到的整形后的收波脉冲先通过4064的自动增益控制电路，使系统自 动调整增益为最适合测量的大小，此时，变为最佳增益的收波脉冲通过脉冲提取电路， 将提取出的有效Stop信号传给GP2,计算出单程传输的时间。经过顺流逆流两次测量 得到精确时差，在单片机中进行数据处理，根据时差法原理计算出相应的流量及流速， 存储于FLASH中，并在LCD±显示。下面五小节将具体介绍系统各部分硬件电路的组成

45、及原理。3.2时差测量电路时差法超声波流量计测量流屋的关键是对于时差的精确测量，因而，对于顺逆流时 间差测量的方法选择对于流量计精确与否至关重要本设计采用了一款高精度的时间间 隔测量数字转换芯片TDC-GP2來进行时差的测量。TDC-GP2（以下简称GP2）是健国 ACAM公司通用TDC系列的新一代产品，它具有高精度和小封装的特点，尤其适合于 低成本的工业应用领域。另外，它还提供了与微处理器的多种接口方式，用户可以很方 便地用它构成自己的系统或仪器（.GP2由脉冲发生器、TDC（时间数字转换单元）、 ALU（算术逻辑单元）、配置寄存器、控制单元、SPI接口及测温单元等模块组成.该芯 片的内部结

46、构如图3.2所示.大连理工大学硕七学位论文-# *大连理工大学硕七学位论文?1叩乂乂 00 00 J:J:Stop使能产生脉讐生TDC-GP2rir«lFir«2ALUTDCUUTS«sueTFT4rt3H2EE到衍有址元到阳有单元控制单元配3寄存器温度单元时钟控制ksti«Wz32.766KMz图3.2 GP2芯片内部结构图Fig. 3.2 Internal structure of GP2脉冲发生器：触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列。高 速振荡器频率用作基本频率。这个频率在内部被倍频，它还可以自由地除以因子2-15 进行分频。

47、可以产生1-15个脉冲序列，每个脉冲序列都可通过设置寄存器来调节其相 位。在本系统中，发送出1MHz的15个脉冲序列，在其第8个脉冲处产生相位翻转作 为真正的Start信号，这样就可以从收波中相应位置提取出脉冲作为Stop信号.TDC模块：本系统采用GP2芯片的测量范围2,其测量范围为500ns-4ms.在测量 范围2中，采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔。此模式下，TDC的高速单元 并不测量整个时间间隔，仅测量从Start信号或者Stop信号到相邻基准时钟的上升沿之 间的间隔时间Finecounts) 在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数 (Coarsecount) #在3.3

48、V、25C的条件时，GP2的最小分辨率为65叫 图3.3为测量范围 2的测时原理。Finecount 1coarsecountFinecount 2Stop图3.3测量范围2测址原理Fig. 3.3 Theory of the measurement rage 2ALU模块：在测量之后，算术逻辑单元根据计算公式：“j HITH1T2“ 八RES X = CoarseCourt + (3.1)(3. 2)-Call - CaliTime = RES _XxTx2caHSDh,计算时间，将32位定点数结果送到结果寄存器中。选择ALU空闲作为中断源，只要结 果寄存器中有可读的数据，中断标志位就会置位

49、.然后输出寄存器的载入指针增1,并 指向下一个要存储的单元.状态寄存器的位0-2可以显示出载入指针的实际位置。配置寄存器：用来根据用户的需要对芯片进行设置.控制单元：根据芯片的具体设置，控制各个模块进行工作。SPI接口：用于单片机与GP2之间的通信。测温单元：温度测量是全自动的.通过单片机发送代码来启动温度测量。GP2自动 控制4次测量。测量完成之后中断标志置位。四次测量数据被存储在寄存器卜3中。后四个模块的具体应用及工作流程将在第4章的相关章节中作详细阐述。时差测量的主要电路如图3.4所示，本设计的脉冲频率为1MHz, I/O电压和Core 电压为3.3V。-19 *大连理工大学硕士学位论文

50、仆15PlbTDC-GP232761/|7 11 |Q 20A小访 OS8>W20INTN Fire INFire24i«% 4064Fircl GND Vio XOUT4呼图3.4时井测量电路Fig 3.4 The circuit of transit-time measurement3.3单片机及其外围电路考虔到低功耗，集成度高，外围设备丰富等优点，系统选用了 MSP430单片机.MSP430系列单片机是美国徳州仪器公司推出的16位超低功耗、髙性能产品，它具 有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各 国已经得到了广泛的应用，在国内已经进入

51、了飞速发展的阶段。其具体优势体现在，在超低功耗方面,其处理器功耗（1.8V3.6V,0.1400uA, 250uAA4IPS）和口线输入 漏电流（最大50nA）远低于其它系列产品.在运算性能上，其16位RISC结构，使MSP430单片机在8MHz晶振工作时.指令 速度可达8MIPS,不久还将推岀2530MIPS的产品。同时，采用了一般只有DSP中才 有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘一加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结 构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些常用的如FET、DTMF 等数字信号处理的算法.在开发工具上，MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试，其

52、硬件仿真工具（仿真 器）只是一个非常简单的并口转换器，而且适用于所有MSP430系列单片机，既便于推 广，又大大降低了用户开发投入。其软件集成环境由著名的1AR公司提供，功能比较完 善，实际使用效果并不亚于其他成熟的开发坏境。在系统整合方面，MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，抿据其不同产品， 集成了多功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口、LCD驱动器、硬件乘 法器、10/12位ADC、12位DAC、看门狗定时器、I/O端口、DMA控制器、210KB 的RAM,以及丰富的中断功能。使用户可以根据应用需求，选择最适合的MSP430系列 产品來实现。另外，大部分MSP430

53、系列单片机采用FLASH技术，支持在线编程，并 有保密熔丝。其BOOTSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段。MSP430 系列单片机均为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品.本系统采用了该系列中的MSP43OF155单片机作为流量计的核心，用来协调控制整 个系统的通信、测量、计算、显示等工作。MSP430F155为64引脾的QFP封装，具有 16K+256B的FLASH存储器及512B的RAM。并有DMA、双12位D/A同步转换、12 位A/D、串行通信模块和片内比较器A等丰富的功能模块，完全满足超声波流量计硬件 设计的需要W单片机的外围电路连接及口线利用情

54、况如图3.5所示.其中：P1.BP1.7用来作为键 盘识别电路的输入和输出；P2.O-P2.6通过3.3V-5V转换芯片，以5V电压输出，作为外 围一些芯片的控制信号；P2.7和P3.BP3.3连到GP2上，作为GP2的复位控制以及用于 进行SPI通信：P3.4P3.5用来与PC机进行通信；P3.6-P3.7, P4.3P4.1通过4064处理 分配，作为顺逆流及GP2的控制信号：P4.5J5/7连接到LCD模块各管脚用作控制和数 据传输。另外单片机的5457脚作为JTAG接口，用于在线的程序下载;仿真，此外其它 剩余引脚主要用于连接电源、时钟晶振以及一些外围芯片。3.4 CPLD内部数字逻辑

55、电路系统采用Lattice公司的ispMACH 4064V似下简称4064）型CPLD芯片，用于完成 时钟处理，脉冲提取和增益控制等功能。其在线可编程的功能使得系统的硬件电路的设 计和更改变得更加灵活。4064工作速度为168MHz,有44个管脚，其中I/O 口 32个， 有4个全局时绅，内部包含64个宏单元，固定传输延迟是2.5ns,静态电流11.5mA, 工作电流12mA,温度范围为40匸至+1309,为工业级器件回。此外，4064为在系统可编程器件，可不用编程器而直接在已设计好的目标系统或线 路板上进行编程，欲改变设计也十分方便卩71。本设计也利用了 CPLD此优点，利用4064进行数字

56、电路的在线实时修改和编程，极大的方便了系统的研制和调试。单片机芯片控制信号图36 CPLD内部电路结构图Fig. 3.6 Circuit structure in CPLD4064的内部结构如图3.6所示.其内部数字电路主要包括时钟处理，收波脉冲提取 以及自动增益控制三个部分，另外还有一些管脚连接以及电平转换。3.5超声波收发处理电路超声波收发处理电路结构框图如图3.7所示Start图37收发处理电路结构框图 Fig. 3.7 Structure of receive and transmit circuit发波部分：由GP2发出的脉冲序列经由4064后,先通过SN74LVC4245A芯片完成 由3.3V到5V的电压转换，然后通过VQ3001芯片驱动超声波换能器向管道中发送超声 波信号.收波部分：向管道中的发送的超声波信号进入超声波接收探头就产生了收波信号， 由于在空间管道中传输，对信号衰减很大，导致收波信号十分微弱，所以必须通过放大 电路对其进行信号放大，本设计采用了 MC1350和UA733两个芯片同其外围电路组成 了初、次两级放大电路，并通过LF398接收单片机DAC的输出电压作为MC135O的 AGC电压控制其放大增益，放大的信号