基于max35104在儀表中的應用

寧夏隆基寧光儀表股份有限公司 李建煒 李興澤 譚 忠

針對當前膜式燃氣表體積大、計量精度低、機械式傳動產(chǎn)生噪音大和傳動機構易老化等缺點，利用Maxim公司的氣體流量系統(tǒng)級芯片MAX35104研究設計一款超聲波燃氣表。MAX35104用于超聲波燃氣表計量的模擬前端（AFE），具有高精度的流量測量，支持熱敏電阻和RTD等溫度傳感器，TOF測量功耗低至62Ua。采用此芯片作為流量計量的模擬前端和時差法計量原理設計的超聲波燃氣表能夠有效的克服模式燃氣表的缺點，實現(xiàn)全電子式流量計量。

引言

傳統(tǒng)的機械式膜腔燃氣表結構復雜且體積較大，人工抄表方式極為不便，這些缺點使其發(fā)展應用受到了一定的阻礙。電子式膜腔燃氣表是在傳統(tǒng)機械式的基礎上進行半電子化改進，增加了電子計量功能、顯示功能、預付費和遠程抄表功能，實現(xiàn)了半電子化。但以上兩種表計的核心計量方式均依靠表內(nèi)機械機構，機械磨損造成的計量準確度的影響無法避免。超聲波燃氣表由于其全電子機構的特點，與以往的機械表相比在機械噪音、計量精度、量程、可重復性以及壽命、維護上都有著絕對優(yōu)勢。超聲波燃氣表雖然諸多優(yōu)點，但技術上難點較大，換能器發(fā)射的信號在氣體中衰減嚴重，接收方無法有效的得到回波信號。MAX35104模擬前端解決方案內(nèi)部模擬開關、可配置三級集成運算放大器、超低輸入偏移比較器和自動差分飛行時間（TOF）測量法，不僅可以有效的解決信號衰減問題，而且實現(xiàn)了對氣體流量的簡化計算。

1.MAX35104模擬前端介紹

1.1 MAX35104特點

Maxim MAX35104氣體流量計SoC是設計用于超聲波燃氣表和醫(yī)療呼吸機市場的模擬前端解決方案。芯片具有以下特性：

(1)時間測量精度為700ps，測量范圍至400us，并采用自動差分飛行時間（TOF）測量法，可簡化對氣體流量的計算；

(2)器件的功耗低，在飛行時間測量模式下最低為62uA，在占空比測溫模式下為125nA；

(3)高精度溫度測量，支持PT500、PT1000和熱敏電阻等傳感器；

(4)高度集成，內(nèi)置時鐘，最大程度減少了元件數(shù)并降低了BOM成本；

(5)2.3V至3.6V單電源供電；

(6)工作溫度范圍：-40℃至+85℃；

圖1 MAX35104內(nèi)部結構框圖及引腳

1.2 MAX35104功能引腳介紹

MAX35104是一款高集成度的流量計量 芯片，內(nèi)置高壓驅動電路、模擬開關、可配置三級集成運算放大器、超低輸入偏移比較器以及高精度溫度測量模塊；另具有SPI通信接口，可與任意型號主控MCU實現(xiàn)命令交互。其內(nèi)部結構框圖及引腳圖如圖1所示。

其中TX_UPP、TX_UPN引腳和TX_DNP、TX_DNN引腳外部各連接一個超聲波換能器，內(nèi)部連接高壓脈沖發(fā)射模塊用于發(fā)射和接收超聲波信號；T1和T2為溫度測量引腳，外接PT1000等溫度傳感器；CMP_OUT/UP_DN引腳用于比較器輸出或者指示順逆流發(fā)射方向；SCK、DOUT、DIN和CE四個引腳為SPI通信接口。

圖2 超聲波燃氣表整體結構框圖

圖3 MAX35104 Boost電路及補償設計

圖4 時差法測量原理圖

2.整體設計方案

一個完整的超聲波燃氣表包括換能器、MAX35104模擬前端、boost電路、顯示電路、電源電路、無線通信電路和MCU主控電路等。整體結構如圖2所示。

在整個的設計方案中，MAX35104模擬前端與Boost電路最為重要，決定了整個表計的計量精度與功耗。MAX35104具有一個可編程高壓脈沖發(fā)射模塊，電源電壓采用3.6V的電源時，其用來驅動換能器的脈沖驅動電壓可達到最高30VPP。當換能器收到回波信號，經(jīng)過兩個放大器、一個帶通濾波器和一個比較器處理后，得到更為穩(wěn)定的波形，然后進行時間數(shù)字換算。為了實現(xiàn)標準的升壓控制器，MAX35104通過COMP引腳做了環(huán)路補償，如圖3所示。

3.計量原理

本設計采用的時差法計量原理，也是目前流量計設計中運用較廣泛的一種方法。其原理是通過測量超聲波信號在氣體中的順流方向上的傳播時間t1和逆流方向上的傳播時間t2，然后得到兩個方向上的傳播時間差Δt，利用超聲波傳播的時間差計算氣體流量。超聲波換能器A，B安裝如圖4所示，L表示超聲波傳播路徑長度，與流體流向夾角為α，流體速度為V，管道直徑為D，超聲波在流體中的傳播速度為C。

故得到順流方向超聲波傳播時間td的計算公式為：

逆流方向超聲波傳播時間tu的計算公式為：

由公式1、2可推導出流體的流速v的表達式為：

如果氣體的瞬時流量為Q，管道的橫截面積為S，則可得到：

式4中的K為儀表系數(shù)，該系數(shù)的確定需要跟標準儀表進行校準確定。

根據(jù)超聲波燃氣表功能要求，軟件設計主要分為：主程序模塊、時間測量模塊、定時中斷模塊、顯示程序、按鍵程序設計和低功耗模塊，具體流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4.結論

基于MAX35104模擬前端的超聲波燃氣表，能夠準確的接收回波信號，測量飛行時間與溫度，為民有燃氣和小規(guī)模工業(yè)燃氣計量提供了一種價格低廉、體積小，使用安全可靠的一種新的手段；也為燃氣表全電子化提供了可能，為實現(xiàn)燃氣表按標準狀況下的結算和電子遠傳提供了方便。