应用于低功耗超声波流量计的超声波信号幅值检测方法

摘要

本发明公开了一种应用于低功耗超声波流量计的超声波信号幅值检测方法。在完成第一次超声波信号幅值检测后，随后每次超声波信号幅值检测过程中控制充电电容的电荷释放量，同时通过对工作模式进行控制，将随后的每次工作时间缩短和将相邻两次的休眠时间延长；并将输入端连接第一比较器，将充电电容连接第二比较器，根据超声波信号的峰值，对第一比较器和第二比较器的比较电压进行调整。本发明通过电路改进和硬件控制，实现了充电电容残余能量的再利用，同时缩短了硬件工作时间，从而降低了功耗，提高超声波流量计的使用年限；并根据检测到的超声波信号峰值调整第一、第二比较器的比较电压，从而实现超声波流量计信号幅值检测电路的自适应调整功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波信号幅值检测方法，涉及一种应用于低功耗超声波 流量计的超声波信号幅值检测方法。

背景技术

随着电子科技的快速发展，超声波流量计以其无压损、宽量程、高精度等 优异性能和卓越表现已在流量计量领域得以应用，其中，时差式超声波流量计 以其测量原理实现简单而得到了最为广泛的应用。

时差式超声波流量计通过测量超声波信号沿同一路径的顺逆流传播时间差 来计算流体流量。在时差式超声波流量计测量技术中，超声波信号幅值检测技 术是最重要的技术之一。超声波信号幅值检测技术不仅是提升时差式超声波流 量计测量精度的关键，也是实现时差式超声波流量计自诊断功能的重要技术之 一。超声波信号幅值检测是指采用运算放大器、二极管和电容设计一个超声波 信号幅值检测电路，通过电容的充电实现在输入的超声波信号幅值不断增大时 输出信号跟随输入的超声波信号幅值变化，输入的超声波信号幅值下降时输出 信号幅值维持在输入的超声波信号幅值的最大值处，从而实现对超声波信号幅 值的检测。

目前市场上存在的时差式超声波流量计均由外电源供电，对于此类时差式 超声波流量计而言，超声波信号幅值检测电路消耗的功耗不予以考虑。但对于 仪表电池供电的时差式超声波流量计而言，超声波信号幅值检测电路消耗的能 量直接关系到流量计的使用年限，由此可见实现低功耗的超声波信号幅值检测 对于仪表电池供电的时差式超声波流量计具有重要意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种应用于低功 耗超声波流量计的超声波信号幅值检测方法，适用于电池供电的时差式超声波 流量计。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

包括建立由运算放大器、二极管和充电电容组成的超声波信号幅值检测电 路，通过充电电容的充电使得超声波信号幅值检测电路的超声波输出信号在超 声波输入信号幅值不断增大时，跟随超声波输入信号增大；并在超声波输入信 号幅值下降时，超声波输出信号幅值维持在超声波输入信号幅值的最大值处， 进行对超声波信号幅值的检测，方法还具体包括：

对连续多个超声波输入信号进行幅值检测时，完成第一次超声波信号幅值 检测后，随后的每次超声波信号幅值检测过程中对充电电容的电荷释放量进行 控制，使得后续超声波信号幅值检测过程中需要的充电电量减少，同时通过对 超声波信号幅值检测电路中芯片的工作模式进行控制，缩短随后的每次超声波 信号幅值检测过程中的工作时间，延长随后相邻两次超声波信号幅值检测过程 之间的休眠时间；

在随后的每次超声波信号幅值检测过程中，将超声波信号幅值检测电路的 输入端连接第一比较器的正端，将充电电容的正端连接第二比较器的负端，根 据超声波信号的峰值，对第一比较器负端和第二比较器正端的比较电压进行调 整，实现超声波流量计信号幅值检测电路的自适应调整功能。

所述的充电电容的电荷释放量控制为前一次超声波信号幅值检测过程中充 电电容的存储电量的20％-30％。

所述的随后的每次超声波信号幅值检测过程中的工作时间缩短为5％-10％。

所述的随后的相邻两次超声波信号幅值检测过程之间的休眠时间延长为 160％-165％。

所述的对第一比较器负端和第二比较器正端的比较电压按照以下步骤进行 调整：

1)若当前超声波信号幅值检测过程中的超声波信号峰值大于前一次超声波 信号幅值检测过程中的第二比较器正端的比较电压，且小于前一次超声波信号 峰值时，将第一比较器负端的比较电压下调10-20mv，将第二比较器正端的比较 电压下调10-20mv；

2)若当前超声波信号幅值检测过程中的超声波信号峰值大于前一次超声波 信号幅值检测过程中的第二比较器正端的比较电压，且大于前一次超声波信号 峰值时，将第一比较器负端的比较电压上调10-20mv，将第二比较器正端的比较 电压上调10-20mv；

3)若当前超声波信号幅值检测过程中的超声波信号峰值等于前一次超声波 信号幅值检测过程中的第二比较器正端的比较电压时，将第一比较器负端和第 二比较器正端的比较电压同时逐次下调20-30mv，直至出现步骤1)或步骤2) 的情况，然后进行步骤1)或步骤2)再进行调整；

其中，第二比较器正端的比较电压逐次下调的最小值设定为50mv，逐次下 调过程中仍未出现步骤1)或步骤2)的情况，则不进行调整。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过对超声波信号幅值检测电路的改进以及对电路内部芯片工作模 式的控制，缩短超声波信号检测电路的硬件工作时间，减少超声波信号幅值检 测过程的充电量，实现充电电容残余能量的再利用，从而降低超声波信号幅值 检测电路的功耗，提高超声波流量计的使用年限。

本发明同时根据超声波信号幅值检测电路检测结果自动调整充电电容的放 电量和超声波信号幅值检测电路的硬件工作时间，实现超声波信号幅值检测电 路的自适应调整。

附图说明

图1是本发明实施例中的测量电路结构示意图。

图2是普通的现有超声波信号幅值检测电路的信号图。

图3是本发明实施例中幅值检测的信号图以及控制时序图。

图中：1、超声波信号，2、超声波信号包络线，3、普通的超声波信号检测 电路输出信号，4、本发明的超声波信号检测电路输出信号，5、比较电压CU1 信号，6、比较电压CU2信号，7、比较器CP1输出信号时序图，8、运放放大 器AP1、AP2、AP3使能信号en_able1时序图，9、比较器CP2输出信号时序图， 10、卸荷开关Switch控制信号时序图，11、卸荷开关卸荷后剩余的电势能；V0-T 表示普通的超声波信号幅值检测电路的接收信号和输出信号与时间的关系， V1-T表示本发明的超声波信号幅值检测电路的接收信号、比较信号和输出信号 与时间的关系，V2-T表示本发明中比较器CP1输出信号与时间的关系，V3-T 表示本发明的运算放大器AP1、AP2、AP3使能信号en_able1与时间的关系， V4-T表示本发明中比较器CP2输出信号与时间的关系，V5-T表示本发明的卸 荷开关Switch控制信号与时间的关系。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明方法包括建立由运算放大器、二极管和充电电容组成的超声波信号 幅值检测电路，通过充电电容的充电使得超声波信号幅值检测电路的超声波输 出信号，在超声波输入信号幅值不断增大时，跟随超声波输入信号增大；并在 超声波输入信号幅值下降时，超声波输出信号幅值维持在超声波输入信号幅值 的最大值处，进行对超声波信号幅值的检测，还具体包括：

对连续多个超声波输入信号进行幅值检测，完成第一次超声波信号幅值检 测后，随后的每次超声波信号幅值检测过程中根据前一次超声波信号幅值检测 过程中充电电容的存储电量控制充电电容的电荷释放量，使得后续超声波信号 幅值检测过程中需要的充电电量减少，同时通过对超声波信号幅值检测电路中 芯片的工作模式进行控制，缩短随后的每次超声波信号幅值检测过程中的工作 时间和延长相邻两次超声波信号幅值检测过程之间的休眠时间。

这样能实现超声波信号幅值检测电路的硬件功耗控制和残余能量再利用， 从而降低了超声波信号幅值检测电路的功耗，提高超声波流量计的使用年限。

在随后的每次超声波信号幅值检测过程中，将超声波信号幅值检测电路的 输入端连接第一比较器的正端，将充电电容的正端连接第二比较器的负端，根 据超声波信号的峰值，对第一比较器负端和第二比较器正端的比较电压进行调 整，实现超声波流量计信号幅值检测电路的自适应调整功能。

实现超声波流量计信号幅值检测电路的自适应调整功能是指调节第一比较 器负端电压和第二比较器正端电压，从而对超声波信号幅值检测电路的工作时 间和充电电容的电荷释放量进行优化调整。

优选的充电电容的电荷释放量控制为前一次超声波信号幅值检测过程中充 电电容的存储电量的20％-30％。

优选的随后的每次超声波信号幅值检测过程中的工作时间缩短为5％-10％。

优选的随后的相邻两次超声波信号幅值检测过程之间的休眠时间延长为 160％-165％。

本发明中，通过控制超声波流量计硬件检测电路的硬件器件工作模式，减 少硬件器件的工作时间，从而降低超声波信号幅值检测电路的功耗。残余能量 是指超声波信号幅值检测完成后充电电容内未释放的电能，再利用是指将前一 次超声波信号幅值检测过程中电容内的残余能量利用于本次超声波信号幅值检 测过程中。

同时在第一次超声波信号幅值检测过程之后的每次超声波信号幅值检测过 程中，将超声波信号幅值检测电路的输入端连接第一比较器的正端，将充电电 容的正端连接第二比较器的负端，根据超声波信号的峰值，对第一比较器负端 和第二比较器正端的比较电压按照以下步骤进行调整，从而实现超声波流量计 信号幅值检测电路的自适应调整功能：

1)若当前超声波信号幅值检测过程中的超声波信号峰值大于前一次超声波 信号幅值检测过程中的第二比较器正端的比较电压，且小于前一次超声波信号 峰值时，将第一比较器负端的比较电压下调10-20mV，将第二比较器正端的比 较电压下调10-20mV；

2)若当前超声波信号幅值检测过程中的超声波信号峰值大于前一次超声波 信号幅值检测过程中的第二比较器正端的比较电压，且大于前一次超声波信号 峰值时，将第一比较器负端的比较电压上调10-20mV，将第二比较器正端的比 较电压上调10-20mV；

3)若当前超声波信号幅值检测过程中的超声波信号峰值等于前一次超声波 信号幅值检测过程中的第二比较器正端的比较电压时，将第一比较器负端和第 二比较器正端的比较电压同时逐次下调20-30mV，直至出现步骤1)或步骤2) 的情况，然后进行步骤1)或步骤2)再进行调整；

其中，第二比较器正端的比较电压逐次下调的最小值设定为50mV，逐次下 调过程中仍未出现步骤1)或步骤2)的情况，则说明超声波流量计已经处于故 障状态需要修理，因而不进行调整。

本发明中，通过当超声波信号幅值检测电路检测结果减小时，增加充电电 容的放电时间进行自适应调整功能，即充电电容残余能量下降，同时将超声波 信号幅值检测电路的开启时间提前，当超声波信号幅值检测电路检测结果增大 时，减少充电电容的放电时间，即充电电容残余能量上升，同时将超声波信号 幅值检测电路的开启时间推迟。

本发明在现有的超声波信号幅值检测电路中添加两个比较器，并分别设置 两个比较电压，微处理器根据其中一个比较器的输出情况决定何时开启和闭合 卸荷开关，从而实现超声波信号幅值检测电路中充电电荷残余能量的再利用。 同时，微处理器根据另一个比较器的输出情况决定何时使能和非使能超声波信 号幅值检测电路，从而实现硬件的功耗控制。微处理器根据检测到的超声波信 号幅值调整两个比较电压的大小，确保超声波信号幅值检测电路在不同工况下 均能正常工作，超声波信号幅值检测电路的自适应调整。

上述中，比较电压是指由微处理器D/A输出的模拟电压值，卸荷开关是指 对充电电容进行旁路的模拟开关，该开关的开启与闭合受微处理器控制。上述 的使能超声波信号幅值检测电路是指微处理器向超声波信号幅值检测电路内部 芯片的使能引脚发送高电平，从而开启超声波信号幅值检测电路。上述的非使 能超声波信号幅值检测电路是指微处理器向超声波信号幅值检测电路内部芯片 的使能引脚发送低电平，从而使超声波信号幅值检测电路处于低功耗模式。

本发明的实施例如下：

图1虚线框内所示为普通超声波信号幅值检测电路示意图，电路中包括微 处理器MCU、第一比较器CP1、第二比较器CP2、运算放大器AP1、运算放大 器AP2、运算放大器AP3，充电电容C，二极管D；其中，INPUT为超声波幅 值检测电路输入端，OUTPUT为超声波信号幅值检测电路输出端，CU1为第一 比较器CP1的比较电压，CU2为第二比较器CP2的比较电压，OUT1为第一比 较器CP1的输出信号，OUT2为第二比较器CP2的输出信号，SC为卸荷开关的 控制信号，en_able1为运算放大器AP1、AP2、AP3使能/非使能控制信号，en_able2 为第一比较器CP1使能/非使能控制信号，en_able3为第二比较器CP2使能/非使 能控制信号。

普通的超声波信号检测电路的输入信号与输出信号如图2所示。当超声波 信号未达到超声波信号幅值检测电路时，超声波信号幅值检测电路输出零电势。 超声波信号到达超声波信号幅值检测电路后，超声波信号幅值不断增大的过程 中，超声波信号幅值检测电路输出跟随超声波信号幅值变化，

如图2中普通的超声波信号检测电路输出信号3在T1时间段所示，超声波 信号幅值下降时，超声波信号检测电路输出保持在超声波信号的最大幅值，直 到微处理器MCU打开卸荷开关Switch前始终保持该最大幅值信号，

如图2中普通的超声波信号检测电路输出信号3在T2时间段所示。微处理 器MCU在超声波信号接收完后开始读取超声波信号幅值检测电路输出信号，如 图2中微处理器MCU在t1时刻开始读取，读取完成后微处理器MCU开启卸荷 开关Switch，如图2中t2时刻开启卸荷开关Switch。

经过充足的放电时间后关闭卸荷开关Switch，为后续超声波信号幅值检测 做准备。图2中T3时间段为卸荷开关Switch开启时间，从图2中普通的超声波 信号检测电路输出信号3的信号曲线可知，经过T3时间段放电后充电电容内存 储电荷全部释放完毕，随后微处理器MCU在t3时刻关闭卸荷开关Switch。

本发明在普通超声波信号幅值检测电路基础上添加了第一比较器CP1和第 二比较器CP2，接收信号接入比较器CP1正端，比较电压CU1接入比较器CP1 负端，充电电容正端接入比较器CP2负端，比较电压CU2接入比较器CP2正端。

测量程序开始前微处理器MCU非使能运算放大器AP1、AP2、AP3和比较 器CP2，即将en_able1和en_able3均设置为低电平，使能比较器CP1，即将 en_able2设置为高电平，并向比较器CP1负端输出比较电压CU1。

测量程序开始后至信号抵达峰值保持模块之前，比较器CP1正端电压为零， 因此比较器CP1输出低电平，如图3的V2-T中T4时间段所示。

当超声波信号刚抵达比较器CP1时，由于设定的比较电压CU1大于超声波 信号，比较器CP1输出仍为低电平，如图3的V2-T中T5时段所示。

当超声波信号大于比较电压CU1时，比较器CP1输出为高电平，如图3的 V2-T中t4时刻上升沿所示。微处理器MCU捕捉到比较器CP1输出的上升跳变 沿后执行以下三个动作：

(1.1)使能运算放大器AP1、AP2、AP3，即将en_able1设置为高电平， 如图3的V3-T中t4时刻的上升沿；

(1.2)开启内部定时器，定时器的定时时间由程序设定；

(1.3)非使能比较器CP1，此后比较器CP1处于低功耗模式，输出信号变 为零，如图3的V2-T中t5时刻下降沿所示。

动作(3.1)发生的时间点t5与比较器CP1输出上升跳变沿的时间点t4之 间时间差很小，为明显表示出比较器CP1的输出情况，示意图中将t5时刻绘制 在离t4时刻较远的地方。使能运算放大器AP1、AP2、AP3之后，幅值检测电 路输出开始跟随超声波信号幅值，如图3的V1-T中T6时段所示，当超声波幅 值信号下降时超声波信号幅值检测电路维持超声波信号的最大幅值，直至微处 理器MCU打开卸荷开关Switch，如图3的V1-T中T7时间段所示。微处理器 MCU的定时器到达设定时间后，微处理器MCU非使能运算放大器AP1、AP2、 AP3，即将en_able1设置为低电平，如图3的V3-T中t6时刻的下降沿所示，使 超声波信号幅值检测电路处于低功耗模式，图3的V3-T中T8时间段表示本发 明的超声波信号幅值检测电路的工作时间。由此可见，本发明的超声波信号幅 值检测电路仅在超声波信号大于比较电压CU1后开启工作，并且工作时间由微 处理器MCU设定，从而实现了超声波信号幅值检测电路的硬件功耗控制。

图3的V1-T中t7时刻微处理器MCU开始对本发明的超声波信号幅值检测 电路输出进行采样，t8时刻采样完成，随后微处理器MCU进行以下三个动作：

(2.1)使能比较器CP2，即将en_able3设置为高电平；

(2.2)将本次采样得到的超声波信号幅值与前一次采样得到的超声波信号 幅值、前一次设置的比较电压CU2进行做差处理，根据两个差值的大小对比较 电压CU1和比较电压CU2进行相应调整。具体情况可以分为以下三种：

①本次超声波信号幅值大于上一次设置的比较电压CU2，但小于上一次超 声波信号幅值。②本次超声波信号幅值大于上一次设置的比较电压CU2，同时 大于上一次超声波信号幅值。③本次超声波信号幅值等于上一次设置的比较电 压CU2。

情况①时，将比较电压CU1下调ΔV2＝10mv，在下一次超声波信号幅值检 测过程中更早开启运算放大器AP1、AP2、AP3，将比较电压CU2下调ΔV1＝10mv， 确保下一次超声波信号幅值检测过程中比较电压CU1不大于超声波信号，如图 3中V1-T的t8时刻所示。情况②时，将比较电压CU1上调ΔV4＝10mv，在下 一次超声波信号幅值检测过程中延迟开启运算放大器AP1、AP2、AP3，减少超 声波信号幅值检测电路功耗，将比较电压CU2上调ΔV3＝10mv，减少充电电荷 释放量，如图3中V1-T的t12时刻所示。情况③时，逐次下调比较电压CU1 和比较电压CU2，每次下调20mv，直至出现情况②或情况③，程序中设定CU2 的最小值为50mv，当CU2调整至最小值时仍未出现情况②或情况③，说明超声 波流量计已经处于故障状态。

(2.3)开启卸荷开关Switch，如图3的V5-T中t9时刻上升沿所示。当充 电电容电压值大于比较电压CU2时，比较器CP2输出低电平，如图V4-T的T9 时间段所示，当充电电容电压值小于比较电压CU2时，比较器CP2输出高电平， 如图3的V4-T中t10时刻上升沿所示。微处理器MCU捕捉到比较器CP2输出 的上升跳变沿后执行如下两个动作：

(3.1)关闭卸荷开关Switch，如图3的V5-T中t10时刻下降沿所示；

(3.2)非使能比较器CP2，即将en_able3设置为低电平，此后比较器CP2 处于低功耗模式，输出信号变为零，如图3的V4-T中t11时刻下降沿所示。

动作(3.2)发生的时间点t11与比较器CP2输出上升跳变沿的时间点t10 之间时间差很小，为明显表示出比较器CP2的输出情况，示意图中将t11时刻 绘制在离t10时刻较远的地方。通过该方法可以实现对卸荷开关Switch开启时 间的精确控制，能够控制每次放电过程电荷释放量，而残余部分电荷将在下一 次峰值保持时被重新利用。

本实施例中100口径的超声波流量计幅值检测电路中运算放大器工作电流 为I₁，比较器工作电流为I₂，休眠电流为I₃，单次超声波传播时间为T₁。普通的 超声波峰值检测电路工作时间T₂，工作电流I₄。本发明中超声波信号幅值检测方 法可以使运算放大器AP1、AP2、AP3工作时间所短至T₃，比较器1工作时间为 T₄，比较器2工作时间为T₅。

I₁＝0.67mA，I₂＝0.3mA，I₃＝20nA，I₄＝10mA

T₁＝2.5ms，T₂＝1000us，T₃＝50us，T₄＝450us，T₅＝10us

使用3.6V仪用电池供电时，普通的超声波信号幅值检测电路一次传播过程 消耗电能E₁＝3.6V×[T₂×I₄+(T₁-T₂)×(I₄-3×I₁)]＝7.92×10^-5J。 本发明在一次传播过程中消耗电能E₂＝3.6V×{(T₄+T₅)×[(I₄-3×I₁)+ I₂+I₃]+T₃×(I₄+2×I₃)+[T₁-(T₃+T₄+T₅)]×[(I₄-3×I₁)+2×I₃]}＝ 7.286×10^-5。由此可知，本发明在一次超声波信号幅值检测过程中可节约能量 ΔE＝E₁-E₂＝6.34×10^-6J。由此可计算出在一次超声波信号幅值检测过程中 本发明可降低功耗为$\frac{{6.34\times 10}^{-6}}{{7.92\times 10}^{-5}}\times 100\%\approx 8\%.$

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落 入本发明的保护范围。