基于TDC—GP21的超聲波液體流量測試系統(tǒng)設(shè)計

任仁良 阮洪業(yè)

摘 要：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是應(yīng)用了超聲波為手段的時差法，獲得對流量的測量。系統(tǒng)搭建是基于TDC-GP21芯片進(jìn)行設(shè)計的，借助功能強(qiáng)大的CPLD可編程器件，利用DSP工具（TMS320F2812）實(shí)現(xiàn)對邏輯、時序的控制，與TDC-GP21構(gòu)成核心的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計是應(yīng)用MC1350以及相關(guān)的電路連接實(shí)現(xiàn)，即完成了自動增益控制系統(tǒng)，進(jìn)而應(yīng)對不同孔徑液體流量測量的需求；系統(tǒng)軟件部分則是借助先進(jìn)的DSP工具實(shí)現(xiàn)對硬件部分收集數(shù)據(jù)的處理，其中包括對數(shù)據(jù)的曲線擬合等，并能夠?qū)⑻幚硗戤叺臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲，數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)復(fù)位等功能，最大程度上確保信號采樣環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的工作效率。

關(guān)鍵詞：超聲波流量測量；時差法；TDC-GP21；復(fù)雜可編程邏輯器件；數(shù)字信號處理器

引言

上世紀(jì)伊始，一些學(xué)者便提出利用聲學(xué)理念進(jìn)行相關(guān)的物理量的測量，發(fā)展到上世紀(jì)80年代，國際上盛行的各種不同形式、功能、類型的超聲流量計數(shù)不勝數(shù)，且仍保持很大的速度增長。日前，隨著眾多科技科技大國在基礎(chǔ)理論上不斷取得突破，進(jìn)而使得超聲波流量計進(jìn)一步發(fā)展得到了可靠的理論保障。超聲波流量計正在朝著高精度、寬量程、低增益損耗、低運(yùn)維工作量的方向發(fā)展，且其能夠應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷被拓寬，能夠很大程度上滿足工、商、農(nóng)等產(chǎn)業(yè)上的需求。

1 超聲波流量測試原理

超聲波流量計的實(shí)現(xiàn)則是借助時差法來完成，主流單聲道的實(shí)現(xiàn)手段有Z、V、W三種方式。針對本系統(tǒng)設(shè)計的需求為實(shí)現(xiàn)50MM孔徑的流量測量，因而應(yīng)用V式則是最佳方案選擇。這種方式的基本理念便是依靠超聲波在逆流、順流過程中表現(xiàn)出的速度差異，完成對流速的測量。其原理如圖1所示。

圖1 超聲波測量原理圖

L表示波在所需測量環(huán)境中的傳播距離，D為孔徑，v所需測量液體的速度，c則是波的傳播速度。系統(tǒng)硬件所發(fā)出的的波能夠從上游傳導(dǎo)至下游，此過程中便是對順流環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，t順流為

t■=■ （1）

波從下游傳導(dǎo)至上游，此過程中便是對逆流環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，t逆流為

t逆流=■ （2）

則逆流與順流的時間差△T為

△T= t逆流-t順流=■ （3）

通常狀態(tài)下，波表現(xiàn)出的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比液體的流速高，且cos？茲一般條件下都是<1的常數(shù)，因此可以將上式簡化為：

（4）

由此可得

（5）

由此可見，某一時刻液體流量大小情況同時間間隔為正比關(guān)系，因此時間間隔的精確測量則是整個系統(tǒng)高精度的保證。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)可以分為如下幾個部分：DSP模塊、計時模塊、模塊以及自增益模塊。

2.1 DSP處理器模塊

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作量巨大，精度計算工作要求較高，且實(shí)時性要求很高。DSP芯片本身具備高數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和高效性的特點(diǎn)，因而可以保證系統(tǒng)在進(jìn)行流量測量過程中的高速性、運(yùn)算復(fù)雜的需求。從上得知，系統(tǒng)所應(yīng)用的DSP芯片主要同CPLD、TDC-GP21、觸摸屏進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)收集及處理的目的。DSP芯片是采用功能強(qiáng)大的TMS320F2812型號芯片作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，能夠提供在系統(tǒng)開始運(yùn)行之前的自復(fù)位、參數(shù)配置、使能控制以及相關(guān)時序選擇等服務(wù)，當(dāng)超聲波發(fā)射模塊完成對波的發(fā)射后，相關(guān)的計時部門便進(jìn)行時間數(shù)據(jù)的存儲，且完成數(shù)據(jù)運(yùn)算后進(jìn)行觸摸屏顯示。DSP借助SPI傳輸模式完成對TDC-GP21寄存器中數(shù)據(jù)的收集，且進(jìn)行相關(guān)的算法處理、擬合等操作完成對某一時刻流量的測量。需要注意的一點(diǎn)為，波在被測物體中的傳播時間同主控芯片中的處理時間不能實(shí)現(xiàn)完美匹配，因而需要借助雙向數(shù)據(jù)方式進(jìn)行功能設(shè)計，應(yīng)對個字的時序精度需求。

2.2 GP21特點(diǎn)及時間測量的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)選定的GP21是著名ACAM公司研發(fā)的一款TDC芯片，能夠應(yīng)對高精度測量的需求。其工作機(jī)制是借助信號傳輸?shù)絻?nèi)門電路的一定延時情況實(shí)現(xiàn)對時間段的精確測量，能夠?qū)崿F(xiàn)的精度最高為90ps。

RMS噪聲大約是50ps（0.7LSB）。測量過程需要進(jìn)行開始信號的驅(qū)動，停止測量則需要系統(tǒng)進(jìn)行停止信號的發(fā)送。當(dāng)TDC-GP21受到有CPLD傳輸?shù)拈_始和停止信號之后，自動進(jìn)行時間延時的插入，當(dāng)DSP芯片監(jiān)測到停止終端標(biāo)志位是，借助SPI發(fā)出數(shù)據(jù)讀取指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單次測量時間的結(jié)果。需要注意的是，環(huán)境溫度以及供電電源電壓都會對系統(tǒng)的邏輯門以及延時產(chǎn)生一定程度上的影響，則就需要借助芯片集成的自校準(zhǔn)功能進(jìn)行相關(guān)的配置，實(shí)現(xiàn)對引起誤差的補(bǔ)償。兩者間的通信則是依靠SPI進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，能夠完成對存儲器的配置以及相關(guān)ID的存儲，并能夠從中進(jìn)行時間數(shù)據(jù)的讀取，不過無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)信息的讀取，這樣的方式能夠很大程度上避免數(shù)據(jù)的外泄。時間測量的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)的核心。當(dāng)系統(tǒng)的CPLD模塊進(jìn)行開始和停止信號發(fā)出之后，系統(tǒng)便對波在液體中渡越時間的處理，且按照參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到存儲器的寫入，DSP借助對時間的讀取完成時間間隔的測量。

2.3 數(shù)字自動增益模塊

因?yàn)楸粶y物體的相關(guān)參數(shù)以及測試孔徑環(huán)境的不同，在信號傳輸?shù)綋Q能器環(huán)節(jié)中，通常峰值保持在數(shù)十或數(shù)百毫伏范圍內(nèi)，以期使得波形維持在正常的放大范圍之中，系統(tǒng)添加了MC1350為核心的DGAC外圍電路模塊，該芯片同傳統(tǒng)芯片能夠?qū)崿F(xiàn)的功能穩(wěn)定方面而言功能更為強(qiáng)大。傳統(tǒng)AGC，在進(jìn)行設(shè)計環(huán)節(jié)中，在一般環(huán)境下能夠達(dá)到自動控制的需要。但是在應(yīng)對環(huán)境惡劣的條件下，面對較大的干擾，所實(shí)現(xiàn)的功能將大打折扣。MC1350自身集成AGC電路部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對反饋信號峰值的測量，借助DSP配置的相關(guān)算法處理實(shí)現(xiàn)對可編程模塊部分脈沖發(fā)射數(shù)量的控制，調(diào)整MAX5040的W1與L1之間的輸出電阻值，使得MC1350具備放大增益控制的引腳實(shí)現(xiàn)電壓值的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)信號在500毫伏范圍內(nèi)的發(fā)達(dá)，在通過第二季放大電路將信號放大至3V范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與電路的匹配。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用TDC-GP21芯片，確保對時間間隔的高精度測量，借助數(shù)字式自動增益控制系統(tǒng)，能夠滿足不同測試孔徑、不同測量介質(zhì)的測量要求，能夠?qū)崿F(xiàn)的測量范圍寬度較大，能夠很好的滿足市場需求。借助先進(jìn)的DSP芯片以及CPLD芯片實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集工作，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的處理需求，且能夠提供較好的時效性、高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性服務(wù)。由此，可以判定本系統(tǒng)設(shè)計在未來的流量計發(fā)展中，能夠占據(jù)一席之地。

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