楊兵，崔永俊*

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

基于TDC-GP2的高精度超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)*

楊兵1，2，崔永俊1，2*

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

基于高精度和可靠性的設(shè)計(jì)思想，針對(duì)傳統(tǒng)型超聲波流量計(jì)精度不高、電路復(fù)雜和需要對(duì)管道進(jìn)行改裝的問(wèn)題，提出了一種基于FPGA和TDC-GP2高精度時(shí)間測(cè)量芯片的流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以FPGA為核心邏輯控制模塊，結(jié)合時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理，采用TDC-GP2實(shí)現(xiàn)時(shí)差的精確測(cè)量，通過(guò)串口上傳數(shù)據(jù)給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量精確度和可靠性滿(mǎn)足要求。

超聲波流量計(jì)；時(shí)差法；高精度時(shí)間測(cè)量；TDC-GP2；上位機(jī)

超聲波流量計(jì)作為一種非接觸式流量計(jì)，在進(jìn)行腐蝕性、高溫、高壓等流體流量測(cè)量時(shí)，只需要將超聲波傳感器安裝在管道外側(cè)就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量，不需要對(duì)管道進(jìn)行修改，也不干擾流體的流動(dòng)，因此得到廣泛的應(yīng)用。超聲波流量計(jì)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(shí)間差很小，因此要想實(shí)現(xiàn)高精度的流量測(cè)量就需要設(shè)計(jì)一種具有較高時(shí)差測(cè)量分辨率的電路［1～2］。本設(shè)計(jì)采用ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP2芯片實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)差測(cè)量，有效地減小系統(tǒng)的誤差，實(shí)現(xiàn)了高精度的流量測(cè)量。

1　時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理

依據(jù)超聲波在流動(dòng)的介質(zhì)中進(jìn)行傳播的時(shí)候，會(huì)受到介質(zhì)流速影響的特性，并且這種特性不會(huì)受到溫度以及其他環(huán)境因素的影響，所以通過(guò)測(cè)量同一傳播路徑上順流和逆流的傳播時(shí)間差值，結(jié)合管道的內(nèi)徑、外徑以及超聲波換能器的安裝角度，并且根據(jù)與被測(cè)流體流速間的關(guān)系就能得到實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)安裝方法，V型安裝法，如圖1所示。

圖1　V型安裝簡(jiǎn)圖

在當(dāng)前結(jié)構(gòu)中，超聲波信號(hào)通過(guò)兩個(gè)傳播路徑L進(jìn)入到接收裝置中。假設(shè)流體的流速為v，超聲波在該介質(zhì)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(shí)間為：

下游換能器到上游換能器的超聲波傳播時(shí)間為

超聲波流量計(jì)主要包括上位機(jī)、FPGA邏輯控制芯片、TDC時(shí)差測(cè)量單元、驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路、信號(hào)切換電路和信號(hào)調(diào)理模塊幾個(gè)部分。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2　超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)上電，各模塊初始化，F(xiàn)PGA芯片首先對(duì)TDC的寄存器進(jìn)行設(shè)置，在配置完成之后進(jìn)行待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)下，檢測(cè)到上位機(jī)的測(cè)量開(kāi)始命令后，TDC輸出兩路同相脈沖信號(hào)，一路驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路，驅(qū)動(dòng)換能器A發(fā)射超聲波，一路進(jìn)入Start通道，觸發(fā)TDC開(kāi)始測(cè)量；換能器B接受超聲波回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波放大，進(jìn)入時(shí)刻鑒別電路，輸出截止信號(hào)進(jìn)入TDC的Stop1通道，結(jié)束TDC測(cè)量，ALU進(jìn)行計(jì)算得出超聲波的傳輸時(shí)間，INIT端口置高；FPGA通過(guò)檢測(cè)INIT端口的電平變化，讀取結(jié)果數(shù)據(jù)，此時(shí)完成順流超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量。控制信號(hào)切換電路，切換換能器A、B狀態(tài)，按照上述順序測(cè)量得出逆流超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出順流逆流的超聲波傳輸時(shí)差，根據(jù)管道尺寸和換能器安裝尺寸可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。

2.1信號(hào)調(diào)理模塊硬件設(shè)計(jì)

由于流量計(jì)的工作環(huán)境惡劣，所以在測(cè)量過(guò)程中會(huì)引入干擾，這些干擾會(huì)影響最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且換能器輸出的電壓在mV量級(jí)，不足以作為觸發(fā)TDC的Stop信號(hào)，因此需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和時(shí)刻鑒別［5］。系統(tǒng)設(shè)置脈沖信號(hào)發(fā)生器的頻率為1 MHz，因此設(shè)計(jì)一階無(wú)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(guò)放大器放大，進(jìn)入時(shí)間鑒別電路進(jìn)行截止時(shí)刻提取。

在脈沖波形形狀近似不變時(shí)，可以認(rèn)為脈沖上升沿相同幅度比例點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間不變，所以可采取在脈沖的固定比例點(diǎn)觸發(fā)計(jì)數(shù)器等措施來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。定比延時(shí)電路主要由衰減電路、延遲電路、高速比較器、閾值比較器、門(mén)電路等幾部分組成，如圖3所示。

輸入的脈沖信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)過(guò)延時(shí)，不改變振幅大小，一路經(jīng)過(guò)衰減變小，兩路信號(hào)輸入到高速比較器的輸入端，比較器的轉(zhuǎn)態(tài)發(fā)生在兩輸入信號(hào)的相對(duì)大小改變的時(shí)刻，而轉(zhuǎn)態(tài)的時(shí)刻與原始信號(hào)的振幅和上升沿改變關(guān)系不大，消除了信號(hào)幅度變化對(duì)精度的影響［7～8］。其中，τ1和τ2是超聲波在順流和逆流時(shí)，在非流體介質(zhì)中的傳播時(shí)間，并且這兩個(gè)值相等，則順流和逆流的傳播時(shí)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(xiàn)性分布的，基于簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，這里設(shè)置一般認(rèn)為介質(zhì)的流速在短時(shí)間內(nèi)時(shí)一定的，因此瞬時(shí)流速與測(cè)量周期的乘積就是測(cè)量周期內(nèi)的總流量［2～4］，因此時(shí)間差、面平均流速vˉ和瞬時(shí)流量Qv分別為：

2　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3　定比延時(shí)電路

2.2時(shí)差測(cè)量單元硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于一般管道25 mm到400 mm的內(nèi)徑，超聲波的傳輸時(shí)間很短，因此需要高精度的時(shí)差測(cè)量才可以精確的進(jìn)行流量的測(cè)量，這里采用德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP2時(shí)間測(cè)量芯片。結(jié)合使用的環(huán)境設(shè)計(jì)，選擇測(cè)量范圍2，選通Stop1通道，其典型時(shí)差測(cè)量分辨率為65 ps。

TDC時(shí)差測(cè)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(hào)Fire1和Fire2共同驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生電路，該信號(hào)由FPGA控制寄存器生成，并且該信號(hào)作為Start信號(hào)觸發(fā)測(cè)量，經(jīng)過(guò)調(diào)理的反射信號(hào)作為Stop信號(hào)接入TDC-GP2，盡量保證信號(hào)調(diào)理模塊靠近TDC時(shí)差測(cè)量模塊，以保證接入的布線(xiàn)誤差最?。?］。TDCGP2芯片通過(guò)SPI總線(xiàn)（包括SSN、SCK、SI和SO 4個(gè)端口）與FPGA實(shí)現(xiàn)通信，并且INTN中斷信號(hào)與FPGA的I/O端口相連，如圖4所示。FPGA通過(guò)INTN的電平變化去讀取狀態(tài)寄存器判斷測(cè)量完成或者測(cè)量溢出。模塊采用兩個(gè)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(duì)高速晶振進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)。

圖4　TDC時(shí)差測(cè)量模塊

為了防止灌電流對(duì)于芯片的損壞，TDC-GP2 的Vio和Vcc電源需要滿(mǎn)足以下要求：首先電源為T(mén)TL和CMOS電平兼容，需要滿(mǎn)足公式Vio＞Vcc-0.5 V，否則如果Vcc過(guò)大，將會(huì)形成灌電流，I/O內(nèi)部的保護(hù)2級(jí)管將會(huì)被擊穿，可能使芯片過(guò)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(guò)電源隔離芯片隔離，防止干擾。芯片測(cè)量主要是脈沖式的電流，因此一個(gè)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(shè)計(jì)

3.1FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)

在超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制整個(gè)系統(tǒng)的邏輯時(shí)序，控制各個(gè)模塊執(zhí)行相應(yīng)的功能，系統(tǒng)時(shí)序流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)時(shí)序流程圖

FPGA通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器和計(jì)數(shù)器控制測(cè)量的進(jìn)行，其中定時(shí)器控制每次測(cè)量的間隔，計(jì)數(shù)器記錄采樣數(shù)量。測(cè)量的間隔不易過(guò)大，過(guò)大將導(dǎo)致測(cè)量偏差增大，過(guò)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(jī)界面的參數(shù)設(shè)置定時(shí)器，并通過(guò)SPI總線(xiàn)對(duì)TDC-GP2進(jìn)行參數(shù)配置，具體配置為：選擇測(cè)量范圍2，自動(dòng)校準(zhǔn)，上升沿觸發(fā)，Stop1通道3次采樣，ALU計(jì)算設(shè)置為Hit1-Start，所有中斷激活，設(shè)置Stop信號(hào)門(mén)控，100 μs后接受第1個(gè)Stop信號(hào)，102 μs后接受第2個(gè)，104 μs后接受第3個(gè)，對(duì)于觸發(fā)脈沖發(fā)生器，高速時(shí)鐘內(nèi)部倍增后除以8得到1 MHz，輸出3個(gè)脈沖。配置成功之后進(jìn)入查詢(xún)模式，檢測(cè)到開(kāi)始命令后，啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)始測(cè)量，進(jìn)入測(cè)量過(guò)程，測(cè)量結(jié)束后讀取順流傳輸時(shí)間，并通過(guò)信號(hào)切換電路切換換能器的狀態(tài)測(cè)量逆流傳輸時(shí)間，計(jì)數(shù)器加一，并將兩次數(shù)據(jù)添加幀頭（EB90+計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)）后通過(guò)串口上傳上位機(jī)，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到定時(shí)器觸發(fā)下一測(cè)量循環(huán)。如果檢測(cè)到結(jié)束命令，則測(cè)量終止。

其中FPGA通過(guò)SPI總線(xiàn)控制TDC進(jìn)行傳輸時(shí)間的測(cè)量，上電首先發(fā)送0X50對(duì)TDC進(jìn)行復(fù)位，并對(duì)TDC的工作模式進(jìn)行設(shè)置，檢測(cè)到定時(shí)器的測(cè)量開(kāi)始命令后，發(fā)送0X70進(jìn)行初始化，發(fā)送0x01觸發(fā)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1 MHz 的3個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生裝置，換能器發(fā)出超聲波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸路徑反射給接收電路，采樣到預(yù)定采樣數(shù)后輸出中斷信號(hào)，當(dāng)FPGA檢測(cè)到測(cè)量中斷信號(hào)之后，判斷狀態(tài)寄存器，確認(rèn)不是溢出后讀取結(jié)果寄存器，一次測(cè)量結(jié)束［10］。

3.2上位機(jī)數(shù)據(jù)處理

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、結(jié)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(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)調(diào)用SerialPort（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)RS232串口的數(shù)據(jù)傳輸和通信。串口波特率設(shè)置為9 600，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。程序通過(guò)幀頭（EB90+計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)）區(qū)分每一次的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算順流和逆流的超聲波傳輸時(shí)間差，結(jié)合安裝尺寸和角度，根據(jù)式（5）、式（6）計(jì)算得出瞬時(shí)流速和瞬時(shí)流量。

圖6　傳輸時(shí)間測(cè)量流程圖

4　調(diào)試與運(yùn)行

結(jié)合使用的狀態(tài)設(shè)計(jì)測(cè)試設(shè)備和環(huán)境，采用外徑20 mm、內(nèi)徑12 mm的管道進(jìn)行測(cè)試，并且超聲波安裝角度為30°，同時(shí)在測(cè)試管道上安裝用于結(jié)果比對(duì)的IFS4000電磁流量計(jì)，精度為0.1%。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)設(shè)備調(diào)節(jié)水流在管道內(nèi)的流量在0～3 m3/s內(nèi)變化，設(shè)置計(jì)數(shù)器采樣數(shù)為50，測(cè)量結(jié)果為50次采用數(shù)據(jù)的平均值，并與電磁流量計(jì)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。誤差曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7　測(cè)量誤差曲線(xiàn)圖

通過(guò)誤差曲線(xiàn)看以看出系統(tǒng)的測(cè)量誤差不大于1%，分析誤差主要來(lái)源于管道內(nèi)部氣泡和層流對(duì)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(jì)精度都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種高精度的超聲波流量計(jì)系統(tǒng)，利用FPGA為系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)TDC-GP2時(shí)間測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)高精度的傳輸時(shí)間的測(cè)量，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)高精度的瞬時(shí)流速和累積流量測(cè)量。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的精確性和可靠性可以達(dá)到設(shè)計(jì)安裝要求，測(cè)量準(zhǔn)確度能夠達(dá)到1%，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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

崔永俊（1973-），男，漢族，山西忻州市人，中北大學(xué)副教授，博士生，主要從事納米測(cè)試技術(shù)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(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61335008）

2015-06-27修改日期：2015-07-06