[導讀] 摘要：為實現流體流量測量高精度和低功耗的設計目的，采用TDC-GP2高精度低功耗測時模塊，設計了一種基于ATmega32的時差式超聲流量計。通過實驗測量管徑為20 mm的管道中的家用自來水流量，得到系統測量精度為±1％，LCD上動態顯示瞬時和累計流量以及電池電量等參數，同時可以通過RS 232與外部通信，便于大規模應用時由上位機對信息統一管理。
0 引言
流量計量是計量科學技術的重要組成部分，流量測量技術廣泛應用于水利、化工、農業、石油、冶金以及人民生活各個領域。
現行的流量計主要有：容積式流量計、質量流量計、電磁流量計、渦輪流量計和超聲流量計等。其中，對于腐蝕性、高溫、高壓流體流量測量時，將超聲波傳感器安裝在管道外側，可以實現非接觸測量，同時對流體流動不產生干擾，設計和安裝方便，測量精度較高，管徑測
量范圍寬，因而得到廣泛的應用。
1 時差式超聲波流量計簡介
1．1 測量原理
自20世紀20年代初至今超聲流量計的發展已有80多年的歷史，超聲流量測量技術的基本原理是利用超聲波在流體中傳播時所載流體的流速信息來測量流體流量的。它通過超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收換能器接收后轉換為代表流量并易于檢測的電信號，實現流量的檢測和顯示。超聲波流量計根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法及空間濾波法等不同類型，其中傳播速度差法又分為時差法、相位差法、頻差法。隨著現代電子技術的發展，集成芯片的集成度和處理速度得到很大程度上的提高，從而使得時差法的優勢得到發揮。時差式流量測量原理圖如圖1所示。
圖1中，左側圓形管道里水流流速為v，管道直徑為D，超聲波在水中的傳播速度為C，超聲波傳播方向與管道夾角為θ。于是，超聲波順流發射和逆流發射時的傳播時間分別為：
流體為層流分布時，K取值為4／3，流體為紊流分布時，根據雷諾數Re不同，分別取不同的值。
1．2 時差法測量的關鍵問題
時差法測量流量的原理即通過測量獲得順逆流時間差。首先要合理準確地確定發射和接收時刻，然后將信號發收時間差精確地測量出來，這是實現系統高精度測量的關鍵。由于超聲波的速度很快(在水中約為1 500 m／s)，兩個換能器之間的距離很短，對于小管徑僅有幾個毫米到十多個厘米長，所以，超聲信號所需傳播時間極短。為保證系統達到測量精度為±1％，測量時間差的精度要達到納秒級，在測量低流速流體時要求則更高，所以提高分辨率至關重要。對于時差式超聲波流量計而言，計時模塊的精度直接決定了測量系統的精度等級、重復性誤差、測量下限、始動能量等性能，通常要求計時模塊分辨率要達到1 ns，普通計時模塊無法實現。為解決這個問題，本系統的設計使用了超高精度計時芯片TDC-GP2，其分辨率可達皮秒級別，為實現高精度流量測量奠定了基礎。
1．3 TDC-GP2的概述
TDC-GP2是德國ACAM公司通用的TDC系列的新一代產品。它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業應用領域。GP2具有高速脈沖發生器，停止信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量。
TDC是以信號通過內部門電路的傳輸延時來進行高精度時間間隔測量的，其高速運行時間單元如圖2所示。測量過程中，只需計算出開始信號和結束信號之間所經過的邏輯門的個數，就可以精確地計算出start信號與stop信號之間的時間間隔。芯片上的智能電路結構、擔保電路和特殊的布線方式保證芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數。
TDC測量由start信號觸發而開始，接收到stop信號停止。由環形振蕩器的位置和粗值計數器的計數值可以計算出start信號和stop信號之間的時間間隔，測量范圍可達20b。在3．3V和25℃時，其最小分辨率是65ps，均方根(RMS)噪音大約是50ps。
2 流量測量系統的設計方案
2．1 系統的硬件設計
系統測量原理圖如圖3所示。
該系統使用AVR單片機ATmega32作為系統控制器。其中En_Start，En_Stop1，En_Stop2分別為TDC-GP2的start，stop1，stop2的使能控制端，連接至ATmega32控制芯片的I／O口。INTN為TDC-GP2的中斷信號輸出端，RSTN為TDC-GP2復位信號輸入端。TDC-GP2的SPI口(圖3中SSN，SCK，MOSI，MISO端)與ATmega32的SPI口直接相連，進行數據通信。TDC測量單元中，所有工作模式的選擇、數據傳輸以及最終數據的分析與計算都是由單片機來完成的。TDC-GP2提供的SPI接口的數據位為8 b，方便與單片機通信，由單片機對其進行寄存器的配置、工作狀態的設定和數據傳輸。
TDC-GP2主要由TDC測量模塊，16位算術邏輯模塊(ALU)，溫度測量模塊以及4線SPI串行數據接口組成。通過4線SPI與控制器相連，具有最高1 MHz的連續數據輸出。通過配置內部寄存器，設置TDC-GP2的測量范圍、信號觸發方式等，使得用戶能夠對該芯片進行靈活應用。
時間測量單元使用的是TDC-GP2的測量范圍2，其時間計算圖如圖4所示。此時，只有一個stop通道對應start通道；典型的分辨率為50 ps RMS；間隔脈沖對的分辨率為2Tref；有3次采樣能力；測量范圍為2Tref～4 ms；可選上升／下降沿觸發；每個單獨stop信號都有一個精度為10 ns的可調窗口，可提供準確的stop使能。TDC的核心測量單元并不時刻都在工作，僅測量從start和stop到相鄰的基準時鐘上升沿之間的間隔時間，如圖4所示。測量時間為：
time=Tref×[Coasecount+(Finecount2-Finecount1)]／(cal2-cal1)
在本系統中，start信號由I／O口產生，用來觸發TDC啟動測量。當激勵端使得一換能器發出超聲信號后，另一超聲波換能器在接收到聲信號后，將其轉換成電信號，此時的電信號幅值很小，僅為毫伏級，而且會帶有較多的干擾和噪聲，模擬電路部分需要經過隔直選頻和放大(信號幅值為3 V左右)，得到幅值較大、波形規整的近似變幅正弦波，該波的幅值由零遞增，在達到最大值后再緩慢衰減。最后進行過零檢測，確定stop信號到來時刻。
2．2 系統的軟件設計
系統上電后，首先進行系統初始化并從存儲芯片讀取必要的參數，然后程序就會進入測量功能的大循環。人們關注的是累積流量的數值，實際應用中．一般認為在短時間內的瞬時流量是不變的，因此只需每隔一段時間測量一次瞬時流量值，此瞬時流量值與時間的乘積就作為這段時間內的累積流量。為了降低系統功耗，只有在系統到達定時時間或者有按鍵觸發中斷時，系統由休眠狀態被喚醒，進入工作狀態。
系統總流程圖如圖5所示。
TDC時間測量部分主要根據過零檢測的方式判斷stop信號到來時刻，如圖6所示。
3 結語
本系統以高精度計時芯片TDC-GP2為主要測時模塊，采用時差式測量原理，并進行了實驗，其中，傳感器為V型安裝，流體管徑為20mm，經測量顯示系統精度為±1％，符合系統設計要求。TDC-GP2測時單元的設計不僅在液體類流量測量中廣泛使用，同時也適用于氣體流量的測量，具有較廣的實用性。另外，TDC-GP2為高精度、小封裝、低功耗，加之系統軟件采用低功耗設計，因此，從體積、精度和能耗上大幅提高了系統的總體性能。