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提出了基于MSP430F149和TDC-GP21的流量測量方案，其中利用TDC-GP21芯片作為脈沖發(fā)生器和計(jì)時(shí) 模塊，并利用回波信號(hào)處理模塊對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行放大、帶通濾波以及過零閾值檢測處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)明渠高穩(wěn)定性、低功耗的 測量要求。

超聲波流量計(jì)測流過程中會(huì)受到噪聲、泥沙、水深等影響，這使得灌區(qū)用水測量監(jiān)控較難。而超聲波傳播時(shí)間測量也直接影響著流量計(jì)的測量精度，因此，設(shè)計(jì)了一款基于MSP430F149的雙聲道超聲波明渠流量計(jì)，采用精度達(dá)到ps級(jí)的TDC芯片作為脈沖發(fā)生器和計(jì)時(shí)模塊，并設(shè)計(jì)了信號(hào)處理模塊，使該流量計(jì)在一定程度上可以消除流速分布不均的影響，***終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性高、功耗低的測量要求。

1.超聲波明渠流量計(jì)測流原理

1.1時(shí)差法測流原理

時(shí)差法測流量原理如圖1所示，探頭1和探頭2是收發(fā)為—體的超聲波換能器，探頭的中

心頻率為1MHz，3是測流斷面,L為超聲波在水中的傳播距離
V，是水流速度，0為探頭連線與水流方向的夾角。

當(dāng)探頭1發(fā)射超聲波、探頭2接收超聲波時(shí)，順流傳輸時(shí)間

式中，S(h)為過流斷面，是水位高程的函數(shù)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究

2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

雙聲道超聲波明渠流量計(jì)系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2雙聲道超聲波明渠流量計(jì)系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)以運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高的MSP430F149單片機(jī)為控制 核心，以高精度時(shí)間間隔測量芯片TDC-GP21為計(jì)時(shí)核心，并 利用回波信號(hào)處理模塊對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行放大、帶通濾波以及過 零閾值檢測處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)明渠高穩(wěn)定性、低功耗的測量要求。

2.2時(shí)間測量原理

TDC-GP21芯片能準(zhǔn)確計(jì)量超聲波沿順逆流方向傳播的時(shí) 間，并利用其自帶的通信模塊將時(shí)間傳送給單片機(jī)。該計(jì)時(shí)芯片 內(nèi)部集成了脈沖發(fā)生器、ALU、SPI通信接口、時(shí)間測量和校準(zhǔn)單 元，可以在MSP430F149的作用下發(fā)送脈沖信號(hào)。在該設(shè)計(jì)中采 用測量方式2，只測開始和停止信號(hào)到下一個(gè)時(shí)鐘上升沿的時(shí)間 以及兩信號(hào)之間的時(shí)鐘周期，其測量范圍是500ns~4ms。

時(shí)間測量原理如圖3所示。

時(shí)間測量計(jì)算公式為：

2.4脈沖收發(fā)時(shí)序控制電路

收發(fā)時(shí)序控制電路原理如圖5所示。選用具備四路高速模 擬切換開關(guān)功能的DG403芯片，該芯片在電路中相當(dāng)于兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通道以及順逆流方向的選擇。DG403 通過控制IN1和IN2的電平分別控制S與D之間的導(dǎo)通，當(dāng)通 道1的控制引腳IN1為高電平時(shí)，S1和D1導(dǎo)通，當(dāng)其為低電 平時(shí)，S3和D3導(dǎo)通。同理，S2和D2、S4和D4的導(dǎo)通與關(guān)斷 由IN2引腳的電平控制。S1和S2連接著兩通道上游的探頭， S3和S4連接著兩通道下游的探頭，D1、D2、D3和D4連接到 后面的信號(hào)處理模塊。MSP430單片機(jī)通過控制IN1和IN2的 電平來實(shí)現(xiàn)雙通道超聲波信號(hào)的發(fā)射和接收。

在接收電路中要設(shè)計(jì)放 大電路。由于超聲波信號(hào) 屬于高頻信號(hào)，其強(qiáng)度又 比較微弱，所以選用高頻 增益放大器AD620對(duì)信 號(hào)進(jìn)行放大。放大電路如 圖6所示。

AD620具有使用簡 單、噪聲低、精度高的優(yōu) 點(diǎn)，可以通過設(shè)置外部電 阻器的大小來調(diào)節(jié)放大倍 數(shù)，且***大誤差在±0.3% 之內(nèi)。增益計(jì)算公式為：

當(dāng)信號(hào)頻率遠(yuǎn)低于或者遠(yuǎn)高于1MHz時(shí)即為雜波信號(hào)時(shí), 該濾波電路會(huì)使其產(chǎn)生衰減（淺紅色為輸入信號(hào)，深色為輸出信號(hào))，從而得到清晰的有用信號(hào)，仿真結(jié)果如圖10所示。

(3)過零閾值檢測

聲波信號(hào)在水中傳播會(huì)由于噪聲、雜質(zhì)等影響產(chǎn)生衰減和 扭曲，為避免測量誤差，選擇不受外界影響的固定點(diǎn)即過零點(diǎn)作 為探頭接收到回波信號(hào)的時(shí)刻。為了確保過零點(diǎn)不被觸發(fā)，選擇 第N個(gè)過零點(diǎn)（N>2)作為檢測點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)參考電平的幅值來 確定過零點(diǎn)，這就是所謂的過零閾值檢測方法。采用比較芯片 MAX963作為核心器件，該芯片為雙通道比較器，可以實(shí)現(xiàn)閾值 與過零點(diǎn)的檢測。過零閾值檢測電路原理如圖11所示。

圖11中，INA、INB均為輸入端口，INA-接可變電阻，可以調(diào)節(jié)閾值的大小，INA+接回波信號(hào)，A通道實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的閾值 檢測；INB+接地，INB-接回波信號(hào)，B通道實(shí)現(xiàn)過零檢測。信號(hào) 通過MAX963后，會(huì)輸出相應(yīng)的脈沖序列，進(jìn)而利用鎖存功能 和邏輯電路得到STOP信號(hào)，使TDC芯片停止計(jì)時(shí)。

3.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了采用MSP430F149單片機(jī)與TDC-GP21高精 度計(jì)時(shí)芯片的超聲波流量計(jì)硬件系統(tǒng)，介紹了超聲波明渠流量計(jì)測流原理和主要的硬件電路，通過搭建的平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)的 實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性和低功耗等要求。