基于TDC—GP21的超声波液体流量测试系统设计

任仁良 阮洪业

摘 要：本系统实现是应用了超声波为手段的时差法，获得对流量的测量。系统搭建是基于TDC-GP21芯片进行设计的，借助功能强大的CPLD可编程器件，利用DSP工具（TMS320F2812）实现对逻辑、时序的控制，与TDC-GP21构成核心的测量系统。系统硬件设计是应用MC1350以及相关的电路连接实现，即完成了自动增益控制系统，进而应对不同孔径液体流量测量的需求；系统软件部分则是借助先进的DSP工具实现对硬件部分收集数据的处理，其中包括对数据的曲线拟合等，并能够将处理完毕的数据进行存储，数据传输和系统复位等功能，最大程度上确保信號采样环节的准确性以及系统的工作效率。

关键词：超声波流量测量；时差法；TDC-GP21；复杂可编程逻辑器件；数字信号处理器

引言

上世纪伊始，一些学者便提出利用声学理念进行相关的物理量的测量，发展到上世纪80年代，国际上盛行的各种不同形式、功能、类型的超声流量计数不胜数，且仍保持很大的速度增长。日前，随着众多科技科技大国在基础理论上不断取得突破，进而使得超声波流量计进一步发展得到了可靠的理论保障。超声波流量计正在朝着高精度、宽量程、低增益损耗、低运维工作量的方向发展，且其能够应用的领域也不断被拓宽，能够很大程度上满足工、商、农等产业上的需求。

1 超声波流量测试原理

超声波流量计的实现则是借助时差法来完成，主流单声道的实现手段有Z、V、W三种方式。针对本系统设计的需求为实现50MM孔径的流量测量，因而应用V式则是最佳方案选择。这种方式的基本理念便是依靠超声波在逆流、顺流过程中表现出的速度差异，完成对流速的测量。其原理如图1所示。

图1 超声波测量原理图

L表示波在所需测量环境中的传播距离，D为孔径，v所需测量液体的速度，c则是波的传播速度。系统硬件所发出的的波能够从上游传导至下游，此过程中便是对顺流环境中实现，t顺流为

t■=■ （1）

波从下游传导至上游，此过程中便是对逆流环境中实现，t逆流为

t逆流=■ （2）

则逆流与顺流的时间差△T为

△T= t逆流-t顺流=■ （3）

通常状态下，波表现出的传播速度远远比液体的流速高，且cos？兹一般条件下都是<1的常数，因此可以将上式简化为：

（4）

由此可得

（5）

由此可见，某一时刻液体流量大小情况同时间间隔为正比关系，因此时间间隔的精确测量则是整个系统高精度的保证。

2 硬件系统设计

本系统的硬件电路实现可以分为如下几个部分：DSP模块、计时模块、模块以及自增益模块。

2.1 DSP处理器模块

系统在运行过程中的需要进行数据采集的工作量巨大，精度计算工作要求较高，且实时性要求很高。DSP芯片本身具备高数据运算能力和高效性的特点，因而可以保证系统在进行流量测量过程中的高速性、运算复杂的需求。从上得知，系统所应用的DSP芯片主要同CPLD、TDC-GP21、触摸屏进行连接，实现对数据收集及处理的目的。DSP芯片是采用功能强大的TMS320F2812型号芯片作为系统的数据处理中心，能够提供在系统开始运行之前的自复位、参数配置、使能控制以及相关时序选择等服务，当超声波发射模块完成对波的发射后，相关的计时部门便进行时间数据的存储，且完成数据运算后进行触摸屏显示。DSP借助SPI传输模式完成对TDC-GP21寄存器中数据的收集，且进行相关的算法处理、拟合等操作完成对某一时刻流量的测量。需要注意的一点为，波在被测物体中的传播时间同主控芯片中的处理时间不能实现完美匹配，因而需要借助双向数据方式进行功能设计，应对个字的时序精度需求。

2.2 GP21特点及时间测量的实现

本系统选定的GP21是著名ACAM公司研发的一款TDC芯片，能够应对高精度测量的需求。其工作机制是借助信号传输到内门电路的一定延时情况实现对时间段的精确测量，能够实现的精度最高为90ps。

RMS噪声大约是50ps（0.7LSB）。测量过程需要进行开始信号的驱动，停止测量则需要系统进行停止信号的发送。当TDC-GP21受到有CPLD传输的开始和停止信号之后，自动进行时间延时的插入，当DSP芯片监测到停止终端标志位是，借助SPI发出数据读取指令进而实现单次测量时间的结果。需要注意的是，环境温度以及供电电源电压都会对系统的逻辑门以及延时产生一定程度上的影响，则就需要借助芯片集成的自校准功能进行相关的配置，实现对引起误差的补偿。两者间的通信则是依靠SPI进行实现，能够完成对存储器的配置以及相关ID的存储，并能够从中进行时间数据的读取，不过无法实现参数信息的读取，这样的方式能够很大程度上避免数据的外泄。时间测量的实现是系统的核心。当系统的CPLD模块进行开始和停止信号发出之后，系统便对波在液体中渡越时间的处理，且按照参数设定实现数据到存储器的写入，DSP借助对时间的读取完成时间间隔的测量。

2.3 数字自动增益模块

因为被测物体的相关参数以及测试孔径环境的不同，在信号传输到换能器环节中，通常峰值保持在数十或数百毫伏范围内，以期使得波形维持在正常的放大范围之中，系统添加了MC1350为核心的DGAC外围电路模块，该芯片同传统芯片能够实现的功能稳定方面而言功能更为强大。传统AGC，在进行设计环节中，在一般环境下能够达到自动控制的需要。但是在应对环境恶劣的条件下，面对较大的干扰，所实现的功能将大打折扣。MC1350自身集成AGC电路部分，能够实现对反馈信号峰值的测量，借助DSP配置的相关算法处理实现对可编程模块部分脉冲发射数量的控制，调整MAX5040的W1与L1之间的输出电阻值，使得MC1350具备放大增益控制的引脚实现电压值的调整，实现信号在500毫伏范围内的发达，在通过第二季放大电路将信号放大至3V范围内，进而实现与电路的匹配。

3 结束语

本系统设计应用TDC-GP21芯片，确保对时间间隔的高精度测量，借助数字式自动增益控制系统，能够满足不同测试孔径、不同测量介质的测量要求，能够实现的测量范围宽度较大，能够很好的满足市场需求。借助先进的DSP芯片以及CPLD芯片实现精确的数据采集工作，能够满足大量数据的处理需求，且能够提供较好的时效性、高稳定性、高准确性服务。由此，可以判定本系统设计在未来的流量计发展中，能够占据一席之地。

参考文献

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