基于TDC-GP2的时差式超声流量计的设计

摘要：为实现流体流量测量高精度和低功耗的设计目的，采用TDC-GP2高精度低功耗测时模块，设计了一种基于ATmega32的时差式超声流量计。通过实验测量管径为20 mm的管道中的家用自来水流量，得到系统测量精度为±1％，LCD上动态显示瞬时和累计流量以及电池电量等参数，同时可以通过RS 232与外部通信，便于大规模应用时由上位机对信息统一管理。
关键词：TDC-GP2；低功耗；单片机；时差法

0 引言
    流量计量是计量科学技术的重要组成部分，流量测量技术广泛应用于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域。
    现行的流量计主要有：容积式流量计、质量流量计、电磁流量计、涡轮流量计和超声流量计等。其中，对于腐蚀性、高温、高压流体流量测量时，将超声波传感器安装在管道外侧，可以实现非接触测量，同时对流体流动不产生干扰，设计和安装方便，测量精度较高，管径测
量范围宽，因而得到广泛的应用。

1 时差式超声波流量计简介
1．1 测量原理
    自20世纪20年代初至今超声流量计的发展已有80多年的历史，超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。它通过超声波换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收后转换为代表流量并易于检测的电信号，实现流量的检测和显示。超声波流量计根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法及空间滤波法等不同类型，其中传播速度差法又分为时差法、相位差法、频差法。随着现代电子技术的发展，集成芯片的集成度和处理速度得到很大程度上的提高，从而使得时差法的优势得到发挥。时差式流量测量原理图如图1所示。

    图1中，左侧圆形管道里水流流速为v，管道直径为D，超声波在水中的传播速度为C，超声波传播方向与管道夹角为θ。于是，超声波顺流发射和逆流发射时的传播时间分别为：

   
    流体为层流分布时，K取值为4／3，流体为紊流分布时，根据雷诺数Re不同，分别取不同的值。
1．2 时差法测量的关键问题
    时差法测量流量的原理即通过测量获得顺逆流时间差。首先要合理准确地确定发射和接收时刻，然后将信号发收时间差精确地测量出来，这是实现系统高精度测量的关键。由于超声波的速度很快(在水中约为1 500 m／s)，两个换能器之间的距离很短，对于小管径仅有几个毫米到十多个厘米长，所以，超声信号所需传播时间极短。为保证系统达到测量精度为±1％，测量时间差的精度要达到纳秒级，在测量低流速流体时要求则更高，所以提高分辨率至关重要。对于时差式超声波流量计而言，计时模块的精度直接决定了测量系统的精度等级、重复性误差、测量下限、始动能量等性能，通常要求计时模块分辨率要达到1 ns，普通计时模块无法实现。为解决这个问题，本系统的设计使用了超高精度计时芯片TDC-GP2，其分辨率可达皮秒级别，为实现高精度流量测量奠定了基础。
1．3 TDC-GP2的概述
    TDC-GP2是德国ACAM公司通用的TDC系列的新一代产品。它具有更高的精度和更小的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。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量测量和热量测量。
    TDC是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的，其高速运行时间单元如图2所示。测量过程中，只需计算出开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数，就可以精确地计算出start信号与stop信号之间的时间间隔。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方式保证芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。

    TDC测量由start信号触发而开始，接收到stop信号停止。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信号之间的时间间隔，测量范围可达20b。在3．3V和25℃时，其最小分辨率是65ps，均方根(RMS)噪音大约是50ps。

2 流量测量系统的设计方案
2．1 系统的硬件设计
    系统测量原理图如图3所示。

    该系统使用AVR单片机ATmega32作为系统控制器。其中En_Start，En_Stop1，En_Stop2分别为TDC-GP2的start，stop1，stop2的使能控制端，连接至ATmega32控制芯片的I／O口。INTN为TDC-GP2的中断信号输出端，RSTN为TDC-GP2复位信号输入端。TDC-GP2的SPI口(图3中SSN，SCK，MOSI，MISO端)与ATmega32的SPI口直接相连，进行数据通信。TDC测量单元中，所有工作模式的选择、数据传输以及最终数据的分析与计算都是由单片机来完成的。TDC-GP2提供的SPI接口的数据位为8 b，方便与单片机通信，由单片机对其进行寄存器的配置、工作状态的设定和数据传输。
    TDC-GP2主要由TDC测量模块，16位算术逻辑模块(ALU)，温度测量模块以及4线SPI串行数据接口组成。通过4线SPI与控制器相连，具有最高1 MHz的连续数据输出。通过配置内部寄存器，设置TDC-GP2的测量范围、信号触发方式等，使得用户能够对该芯片进行灵活应用。
    时间测量单元使用的是TDC-GP2的测量范围2，其时间计算图如图4所示。此时，只有一个stop通道对应start通道；典型的分辨率为50 ps RMS；间隔脉冲对的分辨率为2Tref；有3次采样能力；测量范围为2Tref～4 ms；可选上升／下降沿触发；每个单独stop信号都有一个精度为10 ns的可调窗口，可提供准确的stop使能。TDC的核心测量单元并不时刻都在工作，仅测量从start和stop到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间，如图4所示。测量时间为：
    time=Tref×[Coasecount+(Finecount2-Finecount1)]／(cal2-cal1)

    在本系统中，start信号由I／O口产生，用来触发TDC启动测量。当激励端使得一换能器发出超声信号后，另一超声波换能器在接收到声信号后，将其转换成电信号，此时的电信号幅值很小，仅为毫伏级，而且会带有较多的干扰和噪声，模拟电路部分需要经过隔直选频和放大(信号幅值为3 V左右)，得到幅值较大、波形规整的近似变幅正弦波，该波的幅值由零递增，在达到最大值后再缓慢衰减。最后进行过零检测，确定stop信号到来时刻。
2．2 系统的软件设计
    系统上电后，首先进行系统初始化并从存储芯片读取必要的参数，然后程序就会进入测量功能的大循环。人们关注的是累积流量的数值，实际应用中．一般认为在短时间内的瞬时流量是不变的，因此只需每隔一段时间测量一次瞬时流量值，此瞬时流量值与时间的乘积就作为这段时间内的累积流量。为了降低系统功耗，只有在系统到达定时时间或者有按键触发中断时，系统由休眠状态被唤醒，进入工作状态。
    系统总流程图如图5所示。

    TDC时间测量部分主要根据过零检测的方式判断stop信号到来时刻，如图6所示。

3 结语
    本系统以高精度计时芯片TDC-GP2为主要测时模块，采用时差式测量原理，并进行了实验，其中，传感器为V型安装，流体管径为20mm，经测量显示系统精度为±1％，符合系统设计要求。TDC-GP2测时单元的设计不仅在液体类流量测量中广泛使用，同时也适用于气体流量的测量，具有较广的实用性。另外，TDC-GP2为高精度、小封装、低功耗，加之系统软件采用低功耗设计，因此，从体积、精度和能耗上大幅提高了系统的总体性能。