基于TDC-GP2的高精度超聲波流量計的設計*

楊兵，崔永俊*

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

基于TDC-GP2的高精度超聲波流量計的設計*

楊兵1，2，崔永俊1，2*

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

基于高精度和可靠性的設計思想，針對傳統(tǒng)型超聲波流量計精度不高、電路復雜和需要對管道進行改裝的問題，提出了一種基于FPGA和TDC-GP2高精度時間測量芯片的流量計系統(tǒng)設計。以FPGA為核心邏輯控制模塊，結合時差法超聲波流量計的原理，采用TDC-GP2實現(xiàn)時差的精確測量，通過串口上傳數(shù)據(jù)給上位機進行數(shù)據(jù)處理和結果顯示。測試結果表明，系統(tǒng)測量精確度和可靠性滿足要求。

超聲波流量計；時差法；高精度時間測量；TDC-GP2；上位機

超聲波流量計作為一種非接觸式流量計，在進行腐蝕性、高溫、高壓等流體流量測量時，只需要將超聲波傳感器安裝在管道外側就可以實現(xiàn)測量，不需要對管道進行修改，也不干擾流體的流動，因此得到廣泛的應用。超聲波流量計工作環(huán)境中存在許多干擾，并且超聲波傳播速度很快，因此順流和逆流的時間差很小，因此要想實現(xiàn)高精度的流量測量就需要設計一種具有較高時差測量分辨率的電路［1～2］。本設計采用ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP2芯片實現(xiàn)高精度的時差測量，有效地減小系統(tǒng)的誤差，實現(xiàn)了高精度的流量測量。

1　時差法超聲波流量計原理

依據(jù)超聲波在流動的介質中進行傳播的時候，會受到介質流速影響的特性，并且這種特性不會受到溫度以及其他環(huán)境因素的影響，所以通過測量同一傳播路徑上順流和逆流的傳播時間差值，結合管道的內徑、外徑以及超聲波換能器的安裝角度，并且根據(jù)與被測流體流速間的關系就能得到實時流量數(shù)據(jù)。

超聲波換能器的安裝方法視具體情況而定，這里采用標準安裝方法，V型安裝法，如圖1所示。

圖1　V型安裝簡圖

在當前結構中，超聲波信號通過兩個傳播路徑L進入到接收裝置中。假設流體的流速為v，超聲波在該介質中的傳播速度為c，聲路與管道的夾角為θ，則上游換能器到下游換能器的超聲波傳播時間為：

下游換能器到上游換能器的超聲波傳播時間為

超聲波流量計主要包括上位機、FPGA邏輯控制芯片、TDC時差測量單元、驅動發(fā)射電路、信號切換電路和信號調理模塊幾個部分。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2　超聲波流量計結構示意圖

系統(tǒng)上電，各模塊初始化，F(xiàn)PGA芯片首先對TDC的寄存器進行設置，在配置完成之后進行待機狀態(tài)。在待機狀態(tài)下，檢測到上位機的測量開始命令后，TDC輸出兩路同相脈沖信號，一路驅動發(fā)射電路，驅動換能器A發(fā)射超聲波，一路進入Start通道，觸發(fā)TDC開始測量；換能器B接受超聲波回波信號，經(jīng)過信號濾波放大，進入時刻鑒別電路，輸出截止信號進入TDC的Stop1通道，結束TDC測量，ALU進行計算得出超聲波的傳輸時間，INIT端口置高；FPGA通過檢測INIT端口的電平變化，讀取結果數(shù)據(jù)，此時完成順流超聲波傳輸時間測量?？刂菩盘柷袚Q電路，切換換能器A、B狀態(tài)，按照上述順序測量得出逆流超聲波傳輸時間測量，對結果數(shù)據(jù)進行處理得出順流逆流的超聲波傳輸時差，根據(jù)管道尺寸和換能器安裝尺寸可以實現(xiàn)流量的測量。

2.1信號調理模塊硬件設計

由于流量計的工作環(huán)境惡劣，所以在測量過程中會引入干擾，這些干擾會影響最終測量結果的準確性，而且換能器輸出的電壓在mV量級，不足以作為觸發(fā)TDC的Stop信號，因此需要對接收信號進行濾波、放大和時刻鑒別［5］。系統(tǒng)設置脈沖信號發(fā)生器的頻率為1 MHz，因此設計一階無源濾波電路的截止頻率為0.8 MHz，主要濾除低頻干擾，之后通過放大器放大，進入時間鑒別電路進行截止時刻提取。

在脈沖波形形狀近似不變時，可以認為脈沖上升沿相同幅度比例點所對應的時間不變，所以可采取在脈沖的固定比例點觸發(fā)計數(shù)器等措施來提高系統(tǒng)的測量精度。定比延時電路主要由衰減電路、延遲電路、高速比較器、閾值比較器、門電路等幾部分組成，如圖3所示。

輸入的脈沖信號分為兩路，一路經(jīng)過延時，不改變振幅大小，一路經(jīng)過衰減變小，兩路信號輸入到高速比較器的輸入端，比較器的轉態(tài)發(fā)生在兩輸入信號的相對大小改變的時刻，而轉態(tài)的時刻與原始信號的振幅和上升沿改變關系不大，消除了信號幅度變化對精度的影響［7～8］。其中，τ1和τ2是超聲波在順流和逆流時，在非流體介質中的傳播時間，并且這兩個值相等，則順流和逆流的傳播時間差為：

其中由于c2>>v2×cos2θ，并且由于管道截面上的流速并不是線性分布的，基于簡化計算的目的，這里設置一般認為介質的流速在短時間內時一定的，因此瞬時流速與測量周期的乘積就是測量周期內的總流量［2～4］，因此時間差、面平均流速vˉ和瞬時流量Qv分別為：

2　總體結構設計

圖3　定比延時電路

2.2時差測量單元硬件設計

對于一般管道25 mm到400 mm的內徑，超聲波的傳輸時間很短，因此需要高精度的時差測量才可以精確的進行流量的測量，這里采用德國ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP2時間測量芯片。結合使用的環(huán)境設計，選擇測量范圍2，選通Stop1通道，其典型時差測量分辨率為65 ps。

TDC時差測量模塊由TDC-GP2芯片及其外圍電路組成，TDC產(chǎn)生的1 MHz脈沖信號Fire1和Fire2共同驅動超聲波發(fā)生電路，該信號由FPGA控制寄存器生成，并且該信號作為Start信號觸發(fā)測量，經(jīng)過調理的反射信號作為Stop信號接入TDC-GP2，盡量保證信號調理模塊靠近TDC時差測量模塊，以保證接入的布線誤差最?。?］。TDCGP2芯片通過SPI總線（包括SSN、SCK、SI和SO 4個端口）與FPGA實現(xiàn)通信，并且INTN中斷信號與FPGA的I/O端口相連，如圖4所示。FPGA通過INTN的電平變化去讀取狀態(tài)寄存器判斷測量完成或者測量溢出。模塊采用兩個晶振，4 MHz的高速晶振和32.768 kHz的低速晶振，由于這里高速晶振采用石英晶振，因此不需要對高速晶振進行時鐘校準。

圖4　TDC時差測量模塊

為了防止灌電流對于芯片的損壞，TDC-GP2 的Vio和Vcc電源需要滿足以下要求：首先電源為TTL和CMOS電平兼容，需要滿足公式Vio＞Vcc-0.5 V，否則如果Vcc過大，將會形成灌電流，I/O內部的保護2級管將會被擊穿，可能使芯片過熱甚至燒毀芯片，所以這里選用Vio和Vcc都為3.3 V，但是彼此通過電源隔離芯片隔離，防止干擾。芯片測量主要是脈沖式的電流，因此一個充足的雙通濾波非常重要，而且離TDC-GP2越近越好［9］。

3　軟件設計

3.1FPGA邏輯實現(xiàn)

在超聲波流量測量系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制整個系統(tǒng)的邏輯時序，控制各個模塊執(zhí)行相應的功能，系統(tǒng)時序流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)時序流程圖

FPGA通過內部定時器和計數(shù)器控制測量的進行，其中定時器控制每次測量的間隔，計數(shù)器記錄采樣數(shù)量。測量的間隔不易過大，過大將導致測量偏差增大，過小則產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，增大系統(tǒng)的功耗。

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA接收上位機界面的參數(shù)設置定時器，并通過SPI總線對TDC-GP2進行參數(shù)配置，具體配置為：選擇測量范圍2，自動校準，上升沿觸發(fā)，Stop1通道3次采樣，ALU計算設置為Hit1-Start，所有中斷激活，設置Stop信號門控，100 μs后接受第1個Stop信號，102 μs后接受第2個，104 μs后接受第3個，對于觸發(fā)脈沖發(fā)生器，高速時鐘內部倍增后除以8得到1 MHz，輸出3個脈沖。配置成功之后進入查詢模式，檢測到開始命令后，啟動定時器，開始測量，進入測量過程，測量結束后讀取順流傳輸時間，并通過信號切換電路切換換能器的狀態(tài)測量逆流傳輸時間，計數(shù)器加一，并將兩次數(shù)據(jù)添加幀頭（EB90+計數(shù)器計數(shù)）后通過串口上傳上位機，進入等待狀態(tài)，直到定時器觸發(fā)下一測量循環(huán)。如果檢測到結束命令，則測量終止。

其中FPGA通過SPI總線控制TDC進行傳輸時間的測量，上電首先發(fā)送0X50對TDC進行復位，并對TDC的工作模式進行設置，檢測到定時器的測量開始命令后，發(fā)送0X70進行初始化，發(fā)送0x01觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生1 MHz 的3個脈沖信號，驅動超聲波發(fā)生裝置，換能器發(fā)出超聲波信號，信號經(jīng)過傳輸路徑反射給接收電路，采樣到預定采樣數(shù)后輸出中斷信號，當FPGA檢測到測量中斷信號之后，判斷狀態(tài)寄存器，確認不是溢出后讀取結果寄存器，一次測量結束［10］。

3.2上位機數(shù)據(jù)處理

上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、結果顯示和數(shù)據(jù)保存等功能。數(shù)據(jù)處理程序采用C#語言編寫，通過調用SerialPort（）函數(shù)實現(xiàn)對RS232串口的數(shù)據(jù)傳輸和通信。串口波特率設置為9 600，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗。程序通過幀頭（EB90+計數(shù)器計數(shù)）區(qū)分每一次的測量結果，計算順流和逆流的超聲波傳輸時間差，結合安裝尺寸和角度，根據(jù)式（5）、式（6）計算得出瞬時流速和瞬時流量。

圖6　傳輸時間測量流程圖

4　調試與運行

結合使用的狀態(tài)設計測試設備和環(huán)境，采用外徑20 mm、內徑12 mm的管道進行測試，并且超聲波安裝角度為30°，同時在測試管道上安裝用于結果比對的IFS4000電磁流量計，精度為0.1%。在進行試驗時，通過設備調節(jié)水流在管道內的流量在0～3 m3/s內變化，設置計數(shù)器采樣數(shù)為50，測量結果為50次采用數(shù)據(jù)的平均值，并與電磁流量計結果進行比對。誤差曲線如圖7所示。

圖7　測量誤差曲線圖

通過誤差曲線看以看出系統(tǒng)的測量誤差不大于1%，分析誤差主要來源于管道內部氣泡和層流對超聲波傳輸產(chǎn)生干擾，并且安裝角度和尺寸的精度、液體流速分層估計精度都會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

5　結論

本文設計了一種高精度的超聲波流量計系統(tǒng)，利用FPGA為系統(tǒng)的控制核心，通過TDC-GP2時間測量芯片實現(xiàn)高精度的傳輸時間的測量，經(jīng)過上位機的數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)高精度的瞬時流速和累積流量測量。通過試驗驗證，系統(tǒng)的精確性和可靠性可以達到設計安裝要求，測量準確度能夠達到1%，具有很高的實用價值。

［1］王銘學，王文海，田文君，等.數(shù)字式超聲波氣體流量計的信號處理及改進［J］.傳感技術學報，2008，21（6）：1010-1014.

［2］孫凌逸，胡昌華，蔡偉，等.一種小型化超聲波管外測壓節(jié)點設計［J］.傳感技術學報，2014，27（4）：477-483.

［3］冉揚潔，江中偉，楊繼森，等.基于TDC-GP2的高速時柵位移傳感器信號處理系統(tǒng)的研究［J］.傳感技術學報，2014，27 （12）：1654-1658.

［4］陸健，張自嘉.基于ARM和CPLD的無線風速儀設計［J］.電子器件，2014，37（6）：1130-1135.

［5］瞿鑫，吳云峰，江桓，等.基于FPGA的時間間隔測量系統(tǒng)的設計［J］.電子器件，2013，36（6）：825-827.

［6］賴國強，石為人，熊慶宇，等.基于回波包絡上升沿擬合的超聲波飛行時間測量方法［J］.傳感技術學報，2014，27（7）：921-927.

［7］王雪峰，唐禎安.基于自干涉驅動技術的超聲波飛行時間測量系統(tǒng)優(yōu)化設計［J］.傳感技術學報，2010，23（10）：1439-1443.

［8］劉曉宇，楊江.時間比例放大技術在超聲波流量計中的應用［J］.傳感技術學報，2007，20（2）：454-457.

［9］李英偉，孔令富，劉興斌.基于互相關理論的油井流量測量系統(tǒng)［J］.電子器件，2007，30（4）：1458-1461.

［10］周國清，周祥，張烈平，等.面陣激光雷達多通道時間間隔測量系統(tǒng)研制［J］.電子器件，2015，38（1）：166-173.

楊兵（1988-），男，漢族，河南禹州市人，中北大學碩士研究生，主要從事電路與系統(tǒng)方向的研究，yangyb007@163.com；

崔永?。?973-），男，漢族，山西忻州市人，中北大學副教授，博士生，主要從事納米測試技術與儀器方向的研究，anna?yucyj@nuc.edu.cn。

Design of High Precision Ultrasonic Flowmeter Based on TDC-GP2*

YANG Bing1，2，CUI Yongjun1，2*
（1.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Based on high precision and reliability of the design idea and in view of the traditional ultrasonic flowme?ters the accuracy is not high and the circuit is complicated and the pipeline requires a modification.A design of flowmeter system is proposed based on FPGA and TDC-GP2 high precision time measurement chip.Using FPGA as the core of logic control module，and the principle of time difference method of ultrasonic flow meter，TDC-GP2 was made to achieve the precise measurement of time difference，the upload data were sent through the serial port to the host computer for data processing and results display.The results show that the accuracy and reliability of the sys?tem meet the requirements of the system.

ultrasonic flowmeter；transit-time difference method；TDC-GP2；PC

TN911.7

A

1005-9490（2016）02-0447-06

EEACC：7250C；7320W10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.040

項目來源：國家自然科學基金項目（61335008）

2015-06-27修改日期：2015-07-06