[導讀] 文章根據時差法超聲波流量計的原理，采用低功耗MSP430單片機為控制核心，選用時間數字轉換芯片（TDC-GP2）作為計時芯片，設計了一種高精度的超聲波流量計。實驗表明，本設計不僅提高了時間測量的精度，測量誤差小于±1%，而且功耗低、軟件升級和更新方便。
在超聲波流量測量系統中，超聲波信號的傳播速度很快，那么超聲波傳播時間的測量就是系統精度的關鍵。目前的超聲波流量計適合用于大管徑的管道上，多用在工業領域，不適合城市供水行業對用戶供水量的計量。傳統的家用機械旋翼式水表始動流量大、磨損快、維護麻煩，越來越不能適應節水的要求。針對上述問題，本文提出了一種使用高精度時間轉換芯片設計的超聲波測量系統，可以實現對小管徑、低流速液體的精確測量。此系統硬件電路設計結構簡單，并且超低功耗MSP430單片機的使用，降低了系統的功耗，提高了工作效率，增加了系統的穩定性和可擴展性，可用于對家用測量儀表的開發。
1 超聲波流量計測量原理
超聲波時差法測流量是通過測量超聲波信號在順流和逆流傳播時間之差來最終求得流量的，其原理圖如圖1所示[1]。
圖1 時差法超聲波流量計原理圖
設流體的流速為v，聲速為c，管道直徑為D，聲路與流體流向間的夾角為α，則超聲波順流時傳播時間t1為：
（1）
超聲波逆流的傳播時間t2為：
（2）
傳播時間差Δt為：
（3）
結合式（1）、（2）和（3），得到時差法的流速公式為：
（4）
只要測出順流和逆流傳播時間t1和t2就能求出速度v，進而得到流量。這種方法不受溫度的影響，可以實現精確測量，高精度的時間測量模塊就是整個測量系統的關鍵。
2 硬件系統設計
2.1 硬件系統的總體設計
系統的硬件設計是采用模塊化設計方法。MSP430單片機是系統的控制核心，并且對采集到的數據進行處理。TDC-GP2計時模塊電路用來發射超聲波換能器驅動信號、采集時間差，也是整個系統的核心。硬件系統結構框圖如圖2所示。
圖2 硬件系統結構框圖
整個系統的工作過程是：
系統通電后，單片機完成自身和計時芯片的初始化設置。先給收發時序控制電路一個信號，來確定是順水測量還是逆水測量。MSP430給GP2發送一個命令信號，通知GP2的脈沖發生器發射信號，用來驅動超聲波換能器，同時給GP2一個Start信號，計時開始。超聲波信號通過管道中的流體后，接收換能器將接收到的信號修正后送到GP2的STOP引腳，計時結束。最后由GP2中的算術邏輯單元（ALU）算出超聲波在流體中的傳播時間。然后，MSP430改變收發時序控制電路的方向，再進行一次測量，又得到一個傳播時間。兩個時間參數，通過時差法的原理公式就能夠算出管道中的流量。
2.2 TDC-GP2芯片介紹與詳細設計
（1）TDC-GP2芯片概述[2]
TDC-GP2是ACAM公司推出的時間數字轉化芯片，利用現代化的純數字化CMOS技術，可以使時間的測量精度達到ps級。主要功能描述如下：
①可選的測量范圍
芯片有兩個測量范圍。測量范圍1是雙通道測量，兩個Stop通道共用一個Start通道，每個通道典型分辨率50ps，測量范圍是0～1.8μs。測量范圍2是單通道測量，只有一個Stop通道對應一個Start通道，典型分辨率50ps，測量范圍是500ns～4ms。
②高速脈沖發生器
通過對TDC-GP2內部寄存器的設置，就可以觸發脈沖發生器產生頻率、相位和脈沖個數都可調的脈沖序列。高速振蕩器頻率用作基本頻率。這個頻率在內部被倍頻，還可以除以因子2～15進行分頻，并可以產生1～15個脈沖序列，每個脈沖序列都可通過設置寄存器來調節其相位。通過發送代碼Start_Cycle來激活觸發脈沖發生器。觸發脈沖發生器提供兩個輸出結果Fire1和Fire2。
（2）TDC-GP2時間間隔測量原理
TDC-GP2是以信號通過內部門電路的傳播延遲來進行時間間隔測量的，它可以準確地記下信號通過門電路的個數。圖3為TDC-GP2測量單元的主要構架圖。芯片測量單元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信號之間時間間隔，測量范圍可達20位。
圖3 TDC-GP2測量單元構架圖
圖3中，超聲波發射電路發射超聲波信號，同時給TDC-GP2的Start引腳一個開始信號，計時開始。接收換能器收到信號后，給TDC-GP2一個Stop信號，計時結束。MSP430對TDC-GP2進行寄存器配置以及時間測量控制，時間測量結果傳回給單片機進行流量精確計算，并顯示結果。
（3）基于TDC-GP2的高精度計時模塊設計
TDC-GP2需要使用2個晶振，首先它需要一個2～8MHz的高速時鐘進行校準用，在測量范圍2中TDC-GP2還需要高速時鐘信號作為時間測量單元的一部分；同時還需要一個321768kHz的基準時鐘來控制高速時鐘和進行時鐘校準用，本文中的321768kHz的時鐘是由單片機提供。
TDC-GP2與MSP430單片機的連接是通過TDC-GP2的SPI接口來實現的，單片機的I/O口與4線SPI兼容，所以本文用I/O口模擬SPI通信。進行測量之前，需要單片機通過SPI接口對計時芯片寄存器進行設置，然后對計時芯片初始化，之后就是對信號進行計時操作。
3 軟件系統設計
軟件系統主要工作是對硬件系統采集的數據進行處理、結果的顯示等。
系統軟件主流程圖如圖4所示。系統上電后，首先執行對寄存器的設置，然后是初始化操作（包括初始化MSP430單片機與TDC-GP2），主程序進入測量等待狀態。在這段過程中，一旦TDC-GP2接收到Start或者Stop信號，則說明在進行測量。之后判斷中斷，讀狀態寄存器。如果狀態寄存器顯示是溢出，則初始化重新測量；數據正常則讀數據、顯示，進行下一次測量。
圖4 系統軟件主流程圖
4 試驗結果及分析
系統用于水流量的測量，試驗條件為：超聲波換能器工作頻率1MHz，超聲波以45°角入射，流速范圍為0.03～7.5m/s，管徑DN=50mm。
（1）誤差分析
流量計線性度El：
（5）
流量計某流量點處的重復性（Er）i：
（6）
則儀表的重復性，Er=[（Er）i]max，即各個流量點重復性的最大值。其中，為流量點處的平均流量。
流量計的精確度δ為：
（7）
（2）實驗結果
選取多點測量方式，每個流量點測三組數據，計算平均值，測量完成后，計算流量計精確度。選取一組數據，如表1。
本文設計的流量計管徑是50mm，工程標準上的測量范圍是0.8～50m3/h。從上表可以看出，通過對不同流量點的多次測量，在正常測量范圍內，計算出流量計的精確度達到±1%，符合設計的要求。
5 總結
隨著電子技術的發展，超聲波測流量的硬件與軟件方法都有很大的改進。MSP430單片機的超低功耗和TDC-GP2的高精度計時的結合，使整個系統電路結構簡單、精度高、軟件的升級和更新方便，可以廣泛用于水流量計量領域。