一种低功耗超声波传输时间的测量方法及电路

摘要

本发明公开了一种低功耗超声波传输时间的测量方法及电路。传统的超声波传输时间测量方法采用硬件阈值法，功耗大，测量精度不高。本发明包括超声换能器A、超声换能器B、模拟开关单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、电源控制稳压单元、时间测量单元、温度检测单元以及单片机单元。本发明的低功耗超声波传输时间的测量方法利用可变延时的滤波方法，通过对阈值的设定，准确的捕捉回波信号的到达时间，精确的计算出超声波的传输时间，通过软件和硬件电路的设计，降低整个系统的功耗，节省了装置的成本。

说明书

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，涉及一种低功耗超声波流量的测量方法 及电路。

背景技术

与其它类型的流量计比较，超声波流量计有着高精度、高重复性、低压 损以及双向测量的优点。它广泛应用于环保领域、工业领域、能源运输以及 日常生活中。超声波流量计是根据超声波在流体传播中的顺-逆流时差法的 原理设计，流体的流速跟声速和时差有关。在不同的温度下，声速不是一个 常数，它会随着温度的变化而变化，从而会引起流量测量误差，以及声阻和 声波衰减的变化。时差法测量原理中，顺逆流的时差的准确测量直接影响流 量计的测量精度。传统的时差测量采用硬件阈值法，即在硬件上利用比较电 路设置信号阈值点，当回波信号超过阈值时，认为信号到达。如果采用低功 耗设计，超声波的激励电压较小，回波信号的峰-峰值也较小。如采用传统 的阈值比较电路，阈值电压需设置很低才能捕捉到回波信号。通常回波信号 中掺杂了较多的干扰信号，当干扰信号的峰值达到比较器的设定值时，比较 器会误判回波信号到达，从而影响了顺逆流传输时间的测量准确性。如果阈 值电压设置为回波信号的第1个和第2个峰值之间，虽然会减少超声信号到 达时间的误判，但随着流体的温度变化，超声波信号幅值会发生变化，超声 波的传输时间也会发生变化，也会发生超声信号到达时间的误判，从而降低 了传输时间的测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种低功耗超声波传输时间的测量 方法及电路，来提高超声波流量测量的精度，并降低了功耗。

本发明的低功耗超声波传输时间的测量具体方法是：利用可变延时滤波 的方法，当回波信号传播时，比较器不打开，直到延时等于Tyi，为了提高 信噪比，Tyi是从脉冲激励信号产生开始，到靠近回波信号最大的峰值的位 置的前一个峰值波谷的位置为止的时间，这时才打开门电路，把回波信号处 理成脉冲信号。当收到一定数量的脉冲信号后，此时门电路关闭，这样既减 少了功耗，又为下一次测量节省了时间。

基于上述方法所设计的电路包括超声换能器A、超声换能器B、模拟开 关单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、电源控制稳压单元、时间测 量单元、温度检测单元以及单片机单元。

超声换能器A、超声换能器B安装于管道的同侧；

换能器A的输入端与模拟开关第一通道电路的源端连接；模拟开关第一 通道的一个子端与驱动单元的输出端连接；模拟开关第一通道的另一个子端 与带通滤波单元的输入端连接；模拟开关第一通道的使能端与单片机的I/O 口连接；

换能器B的输入端与模拟开关第二通道电路的源端连接；模拟开关第二 通道的一个子端与驱动单元的输出端连接；模拟开关第二通道的另一个子端 与带通滤波单元的输入端连接；模拟开关第二通道的使能端与单片机的I/O 口连接；

带通滤波单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入 端与阈值检测信号连接；比较单元的输出端与时间检测单元的计时停止脚连 接；

电源控制稳压单元的使能端与单片机的I/O口连接；电源控制稳压单元 的输入端与+3V连接；电源控制稳压单元的输入端分别与带通滤波芯片、比 较单元芯片的电源端连接；

驱动单元的输入端与时间检测单元的计时启动脚连接；驱动单元的输出 端与时间检测单元的激励信号发射端连接；

温度检测单元的输入端跟温度传感器及参考电阻连接；温度检测的输出 端与时间检测单元的温度检测端连接；

时间检测单元的使能脚、数据输入脚、数据输出脚与单片机的I/O口连 接。

所述模拟开关选型芯片ADG884；所述带通滤波单元选型芯片 MAX4488、所述比较单元选型芯片TLV3491；所述电源控制稳压单元选型 芯片TPS76930、所述驱动单元选型芯片AO3421、AO3422；所述的时间检 测单元选型芯片TDC-GP22；所述温度检测传感器为PT1000；所述单片机 选型芯片MSP430F449。

本发明的有益效果在于：本发明设计的测量方法，能够精确捕捉在流体 中的超声波信号，从而准确的计算出顺逆流的传输时间，减少了干扰信号以 及温度对测量超声波信号的影响，大大提高了超声波信号的检测精度，从而 能够精确地计算出流体的流速和体积流量。本发明设计的电路，没有采用 AD芯片这种大功耗的电路，其他的电路也是选用低功耗芯片，并且通过电 源控制稳压芯片，在检测到设置的回波信号阈值时再打开带通滤波单元和比 较单元的电路，极大的降低了电路的功耗。

附图说明

图1是超声波流量计测量原理示意图；

图2是超声波流量计系统框图；

图3是超声波流量计的时间测量系统图；

图4是温度检测单元电路图；

图5传统超声波信号阈值设置图；

图6干扰信号中的超声波信号误判图；

图7测量方法中门电路开关值设定图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明提出的一种低功耗超声波传输时间测 量方法及电路。

参照图1，超声波换能器安装在管道同侧，通过两块反射片进行回波信 号的传输，有效的增加了声程，测量原理主要采用时差法测量。这种超声波 流量计的工作原理为：超声波在静止的流体中流速为C，有效声程为L+2L₁， 流体的流速为V，超声波在流体中的顺流时间为t_AB，超声波在流体中的逆 流时间为t_BA，那么超声波在流体中的顺流时间为：

$t_{AB}=\frac{L}{C+V}+\frac{2L_1}{C}---\left(1\right)$

超声波在流体中的逆流时间为：

$t_{BA}=\frac{L}{C-V}+\frac{2L_1}{C}---\left(2\right)$

由公式(2)减去公式(1)可得到：

$t_{BA}-t_{AB}=\frac{2VL}{C^2-V^2}---\left(3\right)$

由于V<<C，公式(3)中的V²可省略，所以流体的流速为：

$V=\frac{C^2\times (t_{BA}-t_{AB})}{2L}---\left(4\right)$

由公式(4)可知，测量顺逆流的时差是超声波流量计的关键。

参照图2，低功耗超声波传输时间测量方法的整体电路框图如图2所示。 整体电路包括单片机电路、显示电路、电源控制电路、时间测量电路、信号 发射驱动电路、温度检测电路、模拟开关电路、滤波电路、比较器电路。其 中单片机芯片选用MSP430F449，单片机通过I/O口连接显示电路；单片机 通过I/O口连接电源控制电路输入端；单片机通过SPI接口与高速时间测量 芯片TDC-GP22电路连接；TDC-GP22与温度测量电路连接；TDC-GP22与 信号发射驱动电路输入端连接；信号发射驱动电路输出端与模拟开关电路连 接；模拟开关分别与超声波换能器A、超声波换能器B连接；模拟开关与滤 波器电路输入端连接；滤波器电路输出端与比较器电路的输入端连接；比较 器电路的输出端与TDC-GP22连接；电源控制电路输出端与滤波器的电源端 连接；电源控制电路输出端与比较器的电源端连接。

图3为低功耗超声波传输时间测量方法的一种具体电路实例。模拟开关 选择ADG884芯片；驱动电路选择AO3421、AO3422场效应管；滤波芯片 选择MAX4488芯片；比较器选择TLV3491芯片；电源控制选择TPS76930 芯片；时间测量芯片选择TDC-GP22芯片；单片机选择MSP430F449芯片。

所述换能器A的一端接地，另一端与模拟开关第一通道的D1端连接； 所述换能器B的一端接地，另一端与模拟开关第二通道的D2端连接。

所述模拟开关第一通道的S1A端分别与驱动电路输出端的场效应管 AO3421、AO3422的S端、模拟开关第二通道的S2A端连接；模拟开关第 一通道的S1B端分别与模拟开关第二通道的S2B端、滤波电路输入端电阻 R1的一端连接。模拟开关第一通道的使能端IN1与单片机的P2.0端连接。

所述模拟开关第二通道的S2A端分别与驱动电路输出端的场效应管 AO3421、AO3422的S端、模拟开关第一通道的S1A端连接；模拟开关第 二通道的S2B端分别与模拟开关第一通道的S1B端、滤波电路输入端电阻 R1的一端连接。模拟开关第二通道的使能端IN2与单片机的P2.1端连接。

信号发射驱动电路的场效应管AO3422的D端与+3V连接；输入端G 分别与AO3421的G端、二极管Dio1、Dio2的输出端、TDC-GP22的Start 端、电阻R6一端连接；AO3422的S端分别与模拟开关第一通道的S1A端、 模拟开关第二通道的S2A端、AO3421的S端连接。

信号发射驱动电路的场效应管AO3421的D端与地线连接；输入端G 分别与AO3422的G端、二极管Dio1、Dio2的输出端、TDC-GP22的Start 端、电阻R6一端连接；AO3421的S端分别与模拟开关第一通道的S1A端、 模拟开关第二通道的S2A端、AO3422的S端连接。

电路的第一二极管Dio1的输入端与TDC-GP22的Fire1端连接；Dio1 的输出端分别与驱动电路场效应管的AO3421、AO3422的G端、第二二极 管Dio2的输出端、电阻R6的一端、TDC-GP22的Start端连接。

电路的第二二极管Dio2的输入端与TDC-GP22的Fire2端连接；Dio2 的输出端分别与驱动电路场效应管的AO3421、AO3422的G端、第一二极 管Dio1的输出端、电阻R6的一端、TDC-GP22的Start端连接。

滤波电路的输入端电阻R1的一端分别与模拟开关第一通道的S1B端、 模拟开关第二通道的S2B端连接；电阻R1的另一端分别与电阻R2的一端、 电容C1的一端、电容C2的一端连接。

滤波电路的运放芯片MAX4488的负输入端“-”分别与C2的另一端、 R3的一端连接；MAX4488的正输入端“+”分别与分压电阻R4的一端、 R5的一端、电容C3的一端连接；MAX4488的输出端Out分别与电阻R3 的另一端、C1的另一端、比较器TLV3491的正输入端In+连接；MAX4488 的电源输入端与电源稳压控制芯片TPS76930的输出端连接。

比较器TLV3491的正输入端In+与MAX4488的输出端Out连接；比较 器负输入端In-与阈值电压检测端连接；比较器TLV3491的输出端与 TDC-GP22的Stop端连接；比较器TLV3491的电源输入端与电源稳压控制 芯片TPS76930的输出端连接。

电源稳压控制芯片TPS76930的电源输入端IN与+3V电源连接； TPS76930的输出端分别与运放MAX4488的Vcc端、比较器TLV3491的Vcc 端连接；TPS76930的使能端与单片机P2.1端连接。

高速时间测量芯片TDC-GP22的Fire1、Fire2分别与整流二极管的输入 端连接；TDC-GP22的Start端分别与整流二极管的输出端、驱动场效应管 AO3421、AO3422的G输入端、电阻R6的一端连接；TDC-GP22的Stop 端与比较器TLV3491的输出端Out连接；TDC-GP22的INT端、SSN端、 SCK端、SI端、SO端、RSTN端分别与单片机的P1.0端、P1.1端、P1.2端、 P1.3端、P1.4端、P1.5端连接；TDC-GP22与温度检测电路的连接方式见图 4所示。

TDC-GP22的温度检测的一种具体电路如图4，温度传感器采用PT1000。

TDC-GP22的PT1端与上限温度的参考电阻Rref1的一端连接； TDC-GP22的PT2端与下限温度的参考电阻Rref2的一端连接；TDC-GP22 的PT3端与温度传感器PT1000的一端连接；TDC-GP22的LoadT端分别与 74HC14的输入端、33nF电容的一端、上限温度的参考电阻Rref1的另一端、 下限温度的参考电阻Rref2的另一端、温度传感器PT1000的另一端连接； TDC-GP22的SenseT端与74HC14的输出端连接。

系统上电后，单片机与时间测量芯片自动完成初始化，通过单片机控制 TDC-GP22的Fire1或Fire2引脚，连续发射若干个1MHz的脉冲激励信号， 通过驱动电路，同时激活GP22的Start端，到达模拟开关，同时单片机控制 引脚P2.0和P2.1，使能模拟开关，选择D1与S1A导通，D1与S1B不导通， 选择D2与S2B导通，D2与S2A不导通。此时换能器A作为超声波信号的 发射端，换能器B作为超声波信号的接收端，如图1所示，换能器A位置 装在上游端，换能器B位置装在下游端。

如图5所示，一般的硬件阈值法设置阈值点为回波信号的第一个峰值， 传输时间为从脉冲激励信号发射开始到检测到回波信号的设定值为止。由于 超声波信号受温度等参数的影响，容易发生衰减，设定的阈值点与实际所需 的点有差异，从而导致上述的传输时间测量不够精确。如果采用低功耗设计， 超声波的激励电压较小，回波信号的峰-峰值也较小，一般峰-峰值为200mv 左右，参杂的干扰信号也很容易超到设定阈值，如图6所示，会让高速时间 测量芯片误判回波信号到达，从而产生较大的测量误差。

本发明采用可变延时滤波的方法，当回波信号传播时，比较器并不打开， 直到延时等于Tyi，为了提高信噪比，Tyi是从脉冲计量信号产生开始，到靠 近回波信号最大的峰值的位置的前一个峰值的波谷位置为止的时间，如图7 所示。这时通过单片机P2.2引脚使能TPS76930，给运放和比较器提供电源， 开始把回波信号处理成脉冲信号。当收到一定数量的脉冲信号后，再通过单 片机控制TPS76930，关闭运放和比较器的电源，这样既减少了功耗，又为 下一次测量节省了时间。

当换能器B接收到超声波信号，在T_on时间处开启门电路，即通过单片 机控制TPS76930芯片给滤波电路和比较器电路供电，在T_off时刻则关闭滤 波电路和比较器电路电源，期间信号通过带通滤波电路，带宽为 1MHz±200KHz，把微弱的回波信号进行放大，然后通过比较器TLV3491 与之前设定的阈值点进行比较，然后输出信号给GP22的Stop端，即可得到 顺流的时间t₁。

同理，只要通过单片机控制TDC-GP22发射脉冲激励信号，通过单片机 改变模拟开关的使能端，选择D1与S1B导通，D1与S1A不导通，选择D2 与S2A导通，D2与S2B不导通，通过对回波信号与设定阈值点比较，输出 给时间测量芯片，就可得到逆流的时间t₂。然后通过公式(4)就可得到流体的 流速。

本发明的传输时间测量方法，是基于上述电路，通过对回波信号的阈值 点进行设置，并对相应的回波信号进行准确的定位。电路设计采用3V电池 供电，测量芯片采用TDC-GP22低功耗高速采集芯片，通过软件和硬件的电 路设计，降低了整个测量方法和电路的功耗，节省了装置的成本。