基于TDC—GP21的超聲波液體流量測試系統設計

任仁良 阮洪業

摘 要：本系統實現是應用了超聲波為手段的時差法，獲得對流量的測量。系統搭建是基于TDC-GP21芯片進行設計的，借助功能強大的CPLD可編程器件，利用DSP工具（TMS320F2812）實現對邏輯、時序的控制，與TDC-GP21構成核心的測量系統。系統硬件設計是應用MC1350以及相關的電路連接實現，即完成了自動增益控制系統，進而應對不同孔徑液體流量測量的需求；系統軟件部分則是借助先進的DSP工具實現對硬件部分收集數據的處理，其中包括對數據的曲線擬合等，并能夠將處理完畢的數據進行存儲，數據傳輸和系統復位等功能，最大程度上確保信號采樣環節的準確性以及系統的工作效率。

關鍵詞：超聲波流量測量；時差法；TDC-GP21；復雜可編程邏輯器件；數字信號處理器

引言

上世紀伊始，一些學者便提出利用聲學理念進行相關的物理量的測量，發展到上世紀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不勝數，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理論上不斷取得突破，進而使得超聲波流量計進一步發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、低運維工作量的方向發展，且其能夠應用的領域也不斷被拓寬，能夠很大程度上滿足工、商、農等產業上的需求。

1 超聲波流量測試原理

超聲波流量計的實現則是借助時差法來完成，主流單聲道的實現手段有Z、V、W三種方式。針對本系統設計的需求為實現50MM孔徑的流量測量，因而應用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。系統硬件所發出的的波能夠從上游傳導至下游，此過程中便是對順流環境中實現，t順流為

t■=■ （1）

波從下游傳導至上游，此過程中便是對逆流環境中實現，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）

通常狀態下，波表現出的傳播速度遠遠比液體的流速高，且cos？茲一般條件下都是<1的常數，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系，因此時間間隔的精確測量則是整個系統高精度的保證。

2 硬件系統設計

本系統的硬件電路實現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

系統在運行過程中的需要進行數據采集的工作量巨大，精度計算工作要求較高，且實時性要求很高。DSP芯片本身具備高數據運算能力和高效性的特點，因而可以保證系統在進行流量測量過程中的高速性、運算復雜的需求。從上得知，系統所應用的DSP芯片主要同CPLD、TDC-GP21、觸摸屏進行連接，實現對數據收集及處理的目的。DSP芯片是采用功能強大的TMS320F2812型號芯片作為系統的數據處理中心，能夠提供在系統開始運行之前的自復位、參數配置、使能控制以及相關時序選擇等服務，當超聲波發射模塊完成對波的發射后，相關的計時部門便進行時間數據的存儲，且完成數據運算后進行觸摸屏顯示。DSP借助SPI傳輸模式完成對TDC-GP21寄存器中數據的收集，且進行相關的算法處理、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現完美匹配，因而需要借助雙向數據方式進行功能設計，應對個字的時序精度需求。

2.2 GP21特點及時間測量的實現

本系統選定的GP21是著名ACAM公司研發的一款TDC芯片，能夠應對高精度測量的需求。其工作機制是借助信號傳輸到內門電路的一定延時情況實現對時間段的精確測量，能夠實現的精度最高為90ps。

RMS噪聲大約是50ps（0.7LSB）。測量過程需要進行開始信號的驅動，停止測量則需要系統進行停止信號的發送。當TDC-GP21受到有CPLD傳輸的開始和停止信號之后，自動進行時間延時的插入，當DSP芯片監測到停止終端標志位是，借助SPI發出數據讀取指令進而實現單次測量時間的結果。需要注意的是，環境溫度以及供電電源電壓都會對系統的邏輯門以及延時產生一定程度上的影響，則就需要借助芯片集成的自校準功能進行相關的配置，實現對引起誤差的補償。兩者間的通信則是依靠SPI進行實現，能夠完成對存儲器的配置以及相關ID的存儲，并能夠從中進行時間數據的讀取，不過無法實現參數信息的讀取，這樣的方式能夠很大程度上避免數據的外泄。時間測量的實現是系統的核心。當系統的CPLD模塊進行開始和停止信號發出之后，系統便對波在液體中渡越時間的處理，且按照參數設定實現數據到存儲器的寫入，DSP借助對時間的讀取完成時間間隔的測量。

2.3 數字自動增益模塊

因為被測物體的相關參數以及測試孔徑環境的不同，在信號傳輸到換能器環節中，通常峰值保持在數十或數百毫伏范圍內，以期使得波形維持在正常的放大范圍之中，系統添加了MC1350為核心的DGAC外圍電路模塊，該芯片同傳統芯片能夠實現的功能穩定方面而言功能更為強大。傳統AGC，在進行設計環節中，在一般環境下能夠達到自動控制的需要。但是在應對環境惡劣的條件下，面對較大的干擾，所實現的功能將大打折扣。MC1350自身集成AGC電路部分，能夠實現對反饋信號峰值的測量，借助DSP配置的相關算法處理實現對可編程模塊部分脈沖發射數量的控制，調整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現電壓值的調整，實現信號在500毫伏范圍內的發達，在通過第二季放大電路將信號放大至3V范圍內，進而實現與電路的匹配。

3 結束語

本系統設計應用TDC-GP21芯片，確保對時間間隔的高精度測量，借助數字式自動增益控制系統，能夠滿足不同測試孔徑、不同測量介質的測量要求，能夠實現的測量范圍寬度較大，能夠很好的滿足市場需求。借助先進的DSP芯片以及CPLD芯片實現精確的數據采集工作，能夠滿足大量數據的處理需求，且能夠提供較好的時效性、高穩定性、高準確性服務。由此，可以判定本系統設計在未來的流量計發展中，能夠占據一席之地。

參考文獻

[1]蔡開昌，應啟戛.新型流量檢測儀表[M].北京：化學工業出版社，2006：120-121.

[2]戴康.改進超聲波流量計的測量方法[J].化工自動化及儀表，1997，24（5）：44-46.

[3]劉秀紅，田志宏，果紅軍.超聲波流量計的低功耗高精度時間測量方法[J]儀表技術與傳感器，2009（10）：44-45.

[4]王彥兵，王紅.基于CPLD的DSP單元外圍控制樞紐的設計[J].自動化儀表，2011（8）：53-57.