[导读] 文章根据时差法超声波流量计的原理，采用低功耗MSP430单片机为控制核心，选用时间数字转换芯片（TDC-GP2）作为计时芯片，设计了一种高精度的超声波流量计。实验表明，本设计不仅提高了时间测量的精度，测量误差小于±1%，而且功耗低、软件升级和更新方便。
在超声波流量测量系统中，超声波信号的传播速度很快，那么超声波传播时间的测量就是系统精度的关键。目前的超声波流量计适合用于大管径的管道上，多用在工业领域，不适合城市供水行业对用户供水量的计量。传统的家用机械旋翼式水表始动流量大、磨损快、维护麻烦，越来越不能适应节水的要求。针对上述问题，本文提出了一种使用高精度时间转换芯片设计的超声波测量系统，可以实现对小管径、低流速液体的精确测量。此系统硬件电路设计结构简单，并且超低功耗MSP430单片机的使用，降低了系统的功耗，提高了工作效率，增加了系统的稳定性和可扩展性，可用于对家用测量仪表的开发。
1 超声波流量计测量原理
超声波时差法测流量是通过测量超声波信号在顺流和逆流传播时间之差来最终求得流量的，其原理图如图1所示[1]。
图1 时差法超声波流量计原理图
设流体的流速为v，声速为c，管道直径为D，声路与流体流向间的夹角为α，则超声波顺流时传播时间t1为：
（1）
超声波逆流的传播时间t2为：
（2）
传播时间差Δt为：
（3）
结合式（1）、（2）和（3），得到时差法的流速公式为：
（4）
只要测出顺流和逆流传播时间t1和t2就能求出速度v，进而得到流量。这种方法不受温度的影响，可以实现精确测量，高精度的时间测量模块就是整个测量系统的关键。
2 硬件系统设计
2.1 硬件系统的总体设计
系统的硬件设计是采用模块化设计方法。MSP430单片机是系统的控制核心，并且对采集到的数据进行处理。TDC-GP2计时模块电路用来发射超声波换能器驱动信号、采集时间差，也是整个系统的核心。硬件系统结构框图如图2所示。
图2 硬件系统结构框图
整个系统的工作过程是：
系统通电后，单片机完成自身和计时芯片的初始化设置。先给收发时序控制电路一个信号，来确定是顺水测量还是逆水测量。MSP430给GP2发送一个命令信号，通知GP2的脉冲发生器发射信号，用来驱动超声波换能器，同时给GP2一个Start信号，计时开始。超声波信号通过管道中的流体后，接收换能器将接收到的信号修正后送到GP2的STOP引脚，计时结束。最后由GP2中的算术逻辑单元（ALU）算出超声波在流体中的传播时间。然后，MSP430改变收发时序控制电路的方向，再进行一次测量，又得到一个传播时间。两个时间参数，通过时差法的原理公式就能够算出管道中的流量。
2.2 TDC-GP2芯片介绍与详细设计
（1）TDC-GP2芯片概述[2]
TDC-GP2是ACAM公司推出的时间数字转化芯片，利用现代化的纯数字化CMOS技术，可以使时间的测量精度达到ps级。主要功能描述如下：
①可选的测量范围
芯片有两个测量范围。测量范围1是双通道测量，两个Stop通道共用一个Start通道，每个通道典型分辨率50ps，测量范围是0～1.8μs。测量范围2是单通道测量，只有一个Stop通道对应一个Start通道，典型分辨率50ps，测量范围是500ns～4ms。
②高速脉冲发生器
通过对TDC-GP2内部寄存器的设置，就可以触发脉冲发生器产生频率、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，还可以除以因子2～15进行分频，并可以产生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。通过发送代码Start_Cycle来激活触发脉冲发生器。触发脉冲发生器提供两个输出结果Fire1和Fire2。
（2）TDC-GP2时间间隔测量原理
TDC-GP2是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行时间间隔测量的，它可以准确地记下信号通过门电路的个数。图3为TDC-GP2测量单元的主要构架图。芯片测量单元由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出START信号和STOP信号之间时间间隔，测量范围可达20位。
图3 TDC-GP2测量单元构架图
图3中，超声波发射电路发射超声波信号，同时给TDC-GP2的Start引脚一个开始信号，计时开始。接收换能器收到信号后，给TDC-GP2一个Stop信号，计时结束。MSP430对TDC-GP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机进行流量精确计算，并显示结果。
（3）基于TDC-GP2的高精度计时模块设计
TDC-GP2需要使用2个晶振，首先它需要一个2～8MHz的高速时钟进行校准用，在测量范围2中TDC-GP2还需要高速时钟信号作为时间测量单元的一部分；同时还需要一个321768kHz的基准时钟来控制高速时钟和进行时钟校准用，本文中的321768kHz的时钟是由单片机提供。
TDC-GP2与MSP430单片机的连接是通过TDC-GP2的SPI接口来实现的，单片机的I/O口与4线SPI兼容，所以本文用I/O口模拟SPI通信。进行测量之前，需要单片机通过SPI接口对计时芯片寄存器进行设置，然后对计时芯片初始化，之后就是对信号进行计时操作。
3 软件系统设计
软件系统主要工作是对硬件系统采集的数据进行处理、结果的显示等。
系统软件主流程图如图4所示。系统上电后，首先执行对寄存器的设置，然后是初始化操作（包括初始化MSP430单片机与TDC-GP2），主程序进入测量等待状态。在这段过程中，一旦TDC-GP2接收到Start或者Stop信号，则说明在进行测量。之后判断中断，读状态寄存器。如果状态寄存器显示是溢出，则初始化重新测量；数据正常则读数据、显示，进行下一次测量。
图4 系统软件主流程图
4 试验结果及分析
系统用于水流量的测量，试验条件为：超声波换能器工作频率1MHz，超声波以45°角入射，流速范围为0.03～7.5m/s，管径DN=50mm。
（1）误差分析
流量计线性度El：
（5）
流量计某流量点处的重复性（Er）i：
（6）
则仪表的重复性，Er=[（Er）i]max，即各个流量点重复性的最大值。其中，为流量点处的平均流量。
流量计的精确度δ为：
（7）
（2）实验结果
选取多点测量方式，每个流量点测三组数据，计算平均值，测量完成后，计算流量计精确度。选取一组数据，如表1。
本文设计的流量计管径是50mm，工程标准上的测量范围是0.8～50m3/h。从上表可以看出，通过对不同流量点的多次测量，在正常测量范围内，计算出流量计的精确度达到±1%，符合设计的要求。
5 总结
随着电子技术的发展，超声波测流量的硬件与软件方法都有很大的改进。MSP430单片机的超低功耗和TDC-GP2的高精度计时的结合，使整个系统电路结构简单、精度高、软件的升级和更新方便，可以广泛用于水流量计量领域。