時差式超聲波流量計實驗裝置

王學水，王　碩

(山東科技大學 電子通訊與物理學院，山東 青島 266590)

時差式超聲波流量計實驗裝置

王學水，王碩

(山東科技大學 電子通訊與物理學院，山東 青島 266590)

摘要：基于超低功耗單片機MSP430F4152微控制器設計了時差式超聲波流量計，實現了水流量的實時檢測. 實驗裝置利用高速計時芯片TDC-GP21完成精確的流量計量，利用RS-485總線方式將數據傳輸至遠方計算機，利用LabVIEW軟件將接收到數據做成表格并繪制成折線圖以供分析.

關鍵詞：流量計；超聲波；時差；MSP430F4152；TDC-GP21；RS-485通信；LabVIEW

超聲波流量計由于具有結構簡單、測量準確、壓力損失小等特點，可以應用于氣體、液體以及固體物質流量的測量，流速從幾cm/s到十幾m/s，被測量介質工作溫度可以達到上千℃的高溫，在工業現場應用越來越廣泛. 時差法超聲波流量檢測方法是測量超聲波順流和逆流的時間差，通過計算得到流體的流速，但是在低流速情況下，時間差只有ns級，使用常規的時間測量方法無法檢測到，而新型高精度計時芯片TDC-GP21則可以完成ns級的測量. 本文設計了基于超低功耗單片機MSP430F4152微控制器的時差式超聲波流量計實驗裝置，以實現對水流量的實時檢測，其中利用高速計時芯片TDC-GP21完成精確的流量計量，利用RS-485通信模塊將數據遠距離傳輸至計算機，利用計算機LabVIEW軟件將接收到的時間差和標準表讀數做成表格并繪制成折線圖以供分析. 學生可以在實驗中掌握超聲波流量計的原理及實現過程.

1時差式超聲波流量計的原理

超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有關，順流超聲波的傳播速度大于逆流超聲波的傳播速度[1]. 本文涉及的時差式超聲波流量計采用2個超聲波探頭發送和接收信號，通過測量沿順、逆流方向傳播時的時間差計算流體的速度[2]. 現考慮利用超聲波U型反射法測量流速，原理如圖1所示.

圖1　時差法流量計原理圖

(1)

逆流時間(超聲波的傳播方向與水流方向相反):

(2)

式中c(t1)為超聲波在溫度t1的靜水中的流速，v為水的流速，L為超聲波在水平管段傳播的距離，D為超聲波在豎直方向傳播的距離.

時間差：

(3)

因為c2?v2， 則

(4)

所以

(5)

因此

(6)

式中S為基表管段的橫截面積. 由(6)式可知，在超聲波波速一定的前提下，液體流量與超聲波的傳播時間差成正比. 所以超聲波流量計測量的核心就是對傳播時間差的測量.

假設部件服從指數分布，即FM(t)=1-e-λ1t，FA(t)=1-e-λ2t，t≥0。設定標準參數為：不完全維修的改善因子a=0.2，指數分布參數λ1=0.1，λ2=0.3，團隊A和B之間“先行—隨后”狀態的轉移概率矩陣維修費用相關參數cM=500，cd=120，cs=50，cl=10，cAn_A=12，cAf_A=15，cAn_M=24，cAf_M=30，cBn_A=22，cBf_L=25，cBn_M=34，cBf_M=40，cAr_A=200，cAr_M=500，cBr_A=240，cBr_M=540。相應的維修時間參數和為[0,1]上的隨機分布，且在同一組仿真實驗中保持不變。

2實驗裝置總體結構

實驗裝置總體設計如圖2所示，主要有流量發生器、標準流量計、流量計量模塊、數據通信模塊和微機等. 流量發生器包括了水源、水泵和閥門開關，用于模擬實際管道的水流情況；流量計量模塊包括換能器驅動模塊和信號處理模塊、LCD顯示模塊；數據通信模塊利用RS-485總線方式進行數據通信，微機接收時間差和標準表讀數數據，利用LabVIEW軟件將數據做成表格并繪制折線圖以供分析.

圖2　實驗裝置總體設計圖

3流量計量模塊

測量流量的重點是對順逆流時間差的測量，以高精度計時芯片TDC-GP21為核心，可以精確地測量順逆流時間差. 為了保證實驗的安全性和實驗設備的便攜性，采用了電池供電的方式，選擇超低功耗單片機MSP430F4152作為主控芯片，使用段式液晶顯示，在硬件上保證了系統的超低功耗，程序中通過多種低功耗模式和不同時鐘頻率的選擇，使得系統在電池供電條件下，可以長期可靠地運行. 在上述硬件平臺基礎上，在IAR編譯環境下，使用C語言編寫了控制程序，核心部分是TDC-GP21的驅動程序，通過整合硬件資源，完成了流量的測量和顯示.

硬件電路功能框圖如圖3所示. 電路的工作原理是：系統上電后，單片機首先對自身和計時芯片進行初始化設置. 發送控制指令到收發時序控制模塊，用來確定此次測量的方向. 發送開始指令到高精度計時芯片TDC-GP21，通知其內部的脈沖發生器發射出1組脈沖信號，驅動換能器發射超聲波. 同時GP21開始計時，超聲波在通過管道流體后，換能器將接受的信號處理后送入GP21的STOP引腳，GP21計時結束，之后由算術邏輯單元通過計算2次信號到下個時鐘上升沿的時間和中間時鐘脈沖的個數，算出聲波信號在流體中的傳播時間. 變換超聲波的傳播方向再次測量，再次得到傳播時間. 這2個時間參量經過運算得到順逆流的時間差，由LCD顯示模塊進行顯示并由通信模塊發送數據.

圖3　硬件電路功能框圖

3.1超聲波換能器

在超聲波流量計中，超聲波換能器是重要的組成部分，也是本裝置利用超聲波技術進行流量測量的關鍵，它直接影響流量計的準確性和性能. 本裝置采用了目前應用最廣泛的壓電式超聲波換能器，其性能相對于其他超聲波換能器較好，并且結構簡單、易于激勵、方便安裝.

超聲波頻率越高，其對于測量而言，分辨率就越高，測量精度就越高. 用于水流的測量時，超聲波頻率范圍一般為0.5～2 MHz. 理論上講，為了提高檢測精度，應該選用頻率較高的超聲波，但是對于同一種介質而言，超聲波頻率越高，衰減就越大，衰減速度就越快，所以在實際應用中要選擇合適的超聲波頻率. 在本裝置中，為了保證超聲波不被水吸收過多并保證接收信號的測量精度，選擇的超聲波中心頻率為1 MHz、入射角為90°. 本裝置所用超聲波換能器的連接如圖4所示，2個超聲波換能器被安裝在管段的正上方，中心間距為L，管段底端正對著換能器的位置是2個不銹鋼反射鏡面，可以有效地減少超聲波反射時的能量損耗.

圖4　超聲波換能器的安裝示意圖

3.2時間計量芯片TDC-GP21

在靜水中超聲波的傳播速度為1 450 m/s,設計的超聲波流量計檢測水的流速范圍為0.05～20 m/s. 在相同傳播路徑情況下，準確測量超聲波順逆流時間差是檢測的關鍵. 以超聲波在水中的傳播距離L=10.00 cm為例，計算得其在靜水中的傳播時間為68.966 μs,根據(4)式可知，水的流速范圍為0.05～20 m/s時，順流和逆流時間差為4.75 ns～1.90 μs,因此計時精度必須達到1 ns以下，若水流速更低則要求的計時精度就更高，有時甚至要求計時精度達到ps級.

隨著集成電路的高速發展，高速時間芯片不斷出現，使得ps級的測量精度成為可能. 本裝置采用的計時芯片是德國ACAM公司生產的新一代高精度時間間隔數字轉換芯片TDC-GP21，內部具有高速脈沖發生器、溫度測量、時鐘控制以及停止信號使能等功能，測量精度達到幾十ps，另外芯片功耗非常低,適合用于超聲流量表中[3].

圖5顯示了TDC-GP21測量絕對時間的主要構架. 芯片是以信號通過內部門電路的傳播延遲進行高精度時間間隔測量. 芯片所包含的智能電路結構和冗余電路以及特殊的布線方法，使得芯片可以精確地計算信號通過門電路的個數. 該系統采用的GP21芯片的測量范圍為500 ns～4 ms，如圖6所示，在該測量范圍下， 芯片的高速測量單元測量的并不是整個時間間隔，而是測量START和STOP到相鄰的基準時鐘上升沿之間的精確間隔時間，在2次精確測量之間，芯片內部會記下基準時鐘的周期數，最后再精確測量2個周期的精確時間用于校準時鐘周期，通過計算得出該次測量時間的精確值，測量單元由START信號觸發，接收到STOP信號后停止，測量范圍可達26位[4].

TDC-GP21具有精確的溫度測量、觸發脈沖產生器和時鐘校準器等多種功能，只要在其基礎上加上微處理器和傳感器驅動模塊，就可以構成超聲波流量計. 微處理器只需發送開始命令，TDC-GP21發出脈沖觸發超聲波傳感器并測量超聲波渡越時間，GP21計算出結果通過SPI串行總線傳給微處理器. 圖7為時間計量的原理圖.

圖5　測量絕對時間的主要構架

圖6　測量范圍500 ns～4 ms的測時原理圖

圖7　時間計量原理圖

3.3控制芯片MSP430F4152

選擇單片機除了要考慮到期望功能和開發環境外，特別要關注單片機自身的功率和它所能提供的節能方式以及重要的IO接口線等. 本裝置使用電池供電，首先要考慮單片機的能耗問題，采用TI公司的MSP430F4152單片機，它是專門為低功耗而設計的16位的單片機. 其自身具有非常多的優點[5]：在超低功耗方面,其處理器功耗在業界是最低的,遠低于其他系列產品，非常適合由電池供電的場合. 在運算性能上,單片機采用16位RISC結構,其在16 MHz晶振工作頻率時,指令速度可達16 MIPS，保證了運算的速度. 單片機強大的數據處理和運算能力,可以有效地處理由GP21傳來的時間信息. 在開發工具上,MSP430系列單片機支持先進的JTAG調試,利用其軟件集成開發環境IAR可以非常方便地用C語言完成軟件的開發. MSP430系列單片機均為工業級產品,性能穩定,可靠性高,可用于各種民用、工業產品. 利用MSP430F4152這種高性能低功耗的單片機作為控制芯片，可以進行有效系統控制并且大大減少系統耗能[6-7].

4數據通信模塊

遠程抄表是新興的抄表技術，能夠解決人工抄表存在的效率低和易出錯的問題，提高了工作效率和工作質量. 流量計實驗裝置中，通信接口電路和端口轉換器組成了數據通信部分，用于實現流量計和標準流量表與上位機的數據遠程傳輸.

4.1通信接口電路

因為RS-485總線具有設計成本低、傳輸速度快、傳輸距離遠等優點，所以本裝置采用RS-485總線標準[8]，電路圖如圖8所示，由TXD和RXD端口進行數據的發送和接收，信號由A和B端口輸出，所連接的TVS二極管用于保護芯片免受浪涌脈沖的破壞[9].

4.2端口轉換器簡介

在與上位機進行通信時，所用到的端口轉換器是商業級USB轉RS-485單口防雷防浪涌接口轉換器，以臺灣PL2303HX芯片為主芯片，原理圖如圖9所示[10]. 該產品從USB上取電，無需外加電源，兼容USB1.0/1.1/2.0、RS-485標準，能夠將USB信號及協議幀轉換為平衡差分的RS-485信號，可實現星形USB網絡到RS-485網絡的橋接，轉換器內部帶有零延時自動收發轉換模塊，其獨有的I/O電路可以自動控制數據流方向而不需任何握手信號，也無需跳線設置實現全雙工(RS-422)、半雙工(RS-485)模式轉換，即插即用確保適合一切現有的通信軟件和接口硬件.

圖8　RS-485接口電路

圖9　USB轉RS-485端口轉換原理圖

5數據測試

微機接收到時間差和瞬時流量數據，使用LabVIEW軟件將數據做成表格，如表1所示，并且繪出折線圖如圖10所示，可以看出時間差與瞬時流量成線性關系.

表1　對照實驗數據

圖10　流量-時間差折線圖

6結束語

本裝置的核心是讓學生在實驗中掌握超聲波流量計的原理及實現方法，利用RS-485通信同時采集流量計和標準流量表的數據并利用計算機進行表格和圖像的繪制，可看出在外界溫度不變的情況下，瞬時流量與流量計測得的時間差是成線性的. 此外，超聲波的波速會因溫度的變化而變化，本裝置還配有溫度測量部分，利用18B20溫度傳感器測量溫度，學生可自行研究溫度對超聲波波速的影響并編程進行溫度補償.

參考文獻：

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[4]邵慧. TDC-GP21在時差法超聲波流量計中的應用[J]. 現代電子技術，2012,35(12):134-136.

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[10]李勝銘. PL2303HX芯片的USB轉串口方法[J]. 電子制作，2011(3)：51-57.

[責任編輯：任德香]

Experimental device of ultrasonic flowmeter

WANG XUE-shui, WANG Shuo

(College of Electronic， Communication and Physics,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract:A time difference ultrasonic flowmeter was designed based on ultra-low power MSP430F4152 micro-controller to realize the real-time detection of water flow. The flow measurement was completed using high speed timing chip TDC-GP21, data were transmitted to a remote computer using RS-485 bus, and the data were tabled and plotted as a line chart for analysis by LabVIEW.

Key words:flowmeter; ultrasonic; time difference; MSP430F4152; TDC-GP21; RS-485 communication; LabVIEW

收稿日期：2016-01-23；修改日期：2016-03-07

作者簡介：王學水(1964-)，男，山東泰安人，山東科技大學電子通訊與物理學院教授，碩士，主要從事科教儀器、智能儀器儀表的研發.

中圖分類號：TH71

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0006-06