基于TDC-GP2的高精度超声波流量计的设计*

杨兵，崔永俊*

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

基于TDC-GP2的高精度超声波流量计的设计*

杨兵1，2，崔永俊1，2*

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

基于高精度和可靠性的设计思想，针对传统型超声波流量计精度不高、电路复杂和需要对管道进行改装的问题，提出了一种基于FPGA和TDC-GP2高精度时间测量芯片的流量计系统设计。以FPGA为核心逻辑控制模块，结合时差法超声波流量计的原理，采用TDC-GP2实现时差的精确测量，通过串口上传数据给上位机进行数据处理和结果显示。测试结果表明，系统测量精确度和可靠性满足要求。

超声波流量计；时差法；高精度时间测量；TDC-GP2；上位机

超声波流量计作为一种非接触式流量计，在进行腐蚀性、高温、高压等流体流量测量时，只需要将超声波传感器安装在管道外侧就可以实现测量，不需要对管道进行修改，也不干扰流体的流动，因此得到广泛的应用。超声波流量计工作环境中存在许多干扰，并且超声波传播速度很快，因此顺流和逆流的时间差很小，因此要想实现高精度的流量测量就需要设计一种具有较高时差测量分辨率的电路［1～2］。本设计采用ACAM公司生产的TDC-GP2芯片实现高精度的时差测量，有效地减小系统的误差，实现了高精度的流量测量。

1　时差法超声波流量计原理

依据超声波在流动的介质中进行传播的时候，会受到介质流速影响的特性，并且这种特性不会受到温度以及其他环境因素的影响，所以通过测量同一传播路径上顺流和逆流的传播时间差值，结合管道的内径、外径以及超声波换能器的安装角度，并且根据与被测流体流速间的关系就能得到实时流量数据。

超声波换能器的安装方法视具体情况而定，这里采用标准安装方法，V型安装法，如图1所示。

图1　V型安装简图

在当前结构中，超声波信号通过两个传播路径L进入到接收装置中。假设流体的流速为v，超声波在该介质中的传播速度为c，声路与管道的夹角为θ，则上游换能器到下游换能器的超声波传播时间为：

下游换能器到上游换能器的超声波传播时间为

超声波流量计主要包括上位机、FPGA逻辑控制芯片、TDC时差测量单元、驱动发射电路、信号切换电路和信号调理模块几个部分。系统示意图如图2所示。

图2　超声波流量计结构示意图

系统上电，各模块初始化，FPGA芯片首先对TDC的寄存器进行设置，在配置完成之后进行待机状态。在待机状态下，检测到上位机的测量开始命令后，TDC输出两路同相脉冲信号，一路驱动发射电路，驱动换能器A发射超声波，一路进入Start通道，触发TDC开始测量；换能器B接受超声波回波信号，经过信号滤波放大，进入时刻鉴别电路，输出截止信号进入TDC的Stop1通道，结束TDC测量，ALU进行计算得出超声波的传输时间，INIT端口置高；FPGA通过检测INIT端口的电平变化，读取结果数据，此时完成顺流超声波传输时间测量。控制信号切换电路，切换换能器A、B状态，按照上述顺序测量得出逆流超声波传输时间测量，对结果数据进行处理得出顺流逆流的超声波传输时差，根据管道尺寸和换能器安装尺寸可以实现流量的测量。

2.1信号调理模块硬件设计

由于流量计的工作环境恶劣，所以在测量过程中会引入干扰，这些干扰会影响最终测量结果的准确性，而且换能器输出的电压在mV量级，不足以作为触发TDC的Stop信号，因此需要对接收信号进行滤波、放大和时刻鉴别［5］。系统设置脉冲信号发生器的频率为1 MHz，因此设计一阶无源滤波电路的截止频率为0.8 MHz，主要滤除低频干扰，之后通过放大器放大，进入时间鉴别电路进行截止时刻提取。

在脉冲波形形状近似不变时，可以认为脉冲上升沿相同幅度比例点所对应的时间不变，所以可采取在脉冲的固定比例点触发计数器等措施来提高系统的测量精度。定比延时电路主要由衰减电路、延迟电路、高速比较器、阈值比较器、门电路等几部分组成，如图3所示。

输入的脉冲信号分为两路，一路经过延时，不改变振幅大小，一路经过衰减变小，两路信号输入到高速比较器的输入端，比较器的转态发生在两输入信号的相对大小改变的时刻，而转态的时刻与原始信号的振幅和上升沿改变关系不大，消除了信号幅度变化对精度的影响［7～8］。其中，τ1和τ2是超声波在顺流和逆流时，在非流体介质中的传播时间，并且这两个值相等，则顺流和逆流的传播时间差为：

其中由于c2>>v2×cos2θ，并且由于管道截面上的流速并不是线性分布的，基于简化计算的目的，这里设置一般认为介质的流速在短时间内时一定的，因此瞬时流速与测量周期的乘积就是测量周期内的总流量［2～4］，因此时间差、面平均流速vˉ和瞬时流量Qv分别为：

2　总体结构设计

图3　定比延时电路

2.2时差测量单元硬件设计

对于一般管道25 mm到400 mm的内径，超声波的传输时间很短，因此需要高精度的时差测量才可以精确的进行流量的测量，这里采用德国ACAM公司生产的TDC-GP2时间测量芯片。结合使用的环境设计，选择测量范围2，选通Stop1通道，其典型时差测量分辨率为65 ps。

TDC时差测量模块由TDC-GP2芯片及其外围电路组成，TDC产生的1 MHz脉冲信号Fire1和Fire2共同驱动超声波发生电路，该信号由FPGA控制寄存器生成，并且该信号作为Start信号触发测量，经过调理的反射信号作为Stop信号接入TDC-GP2，尽量保证信号调理模块靠近TDC时差测量模块，以保证接入的布线误差最小［4］。TDCGP2芯片通过SPI总线（包括SSN、SCK、SI和SO 4个端口）与FPGA实现通信，并且INTN中断信号与FPGA的I/O端口相连，如图4所示。FPGA通过INTN的电平变化去读取状态寄存器判断测量完成或者测量溢出。模块采用两个晶振，4 MHz的高速晶振和32.768 kHz的低速晶振，由于这里高速晶振采用石英晶振，因此不需要对高速晶振进行时钟校准。

图4　TDC时差测量模块

为了防止灌电流对于芯片的损坏，TDC-GP2 的Vio和Vcc电源需要满足以下要求：首先电源为TTL和CMOS电平兼容，需要满足公式Vio＞Vcc-0.5 V，否则如果Vcc过大，将会形成灌电流，I/O内部的保护2级管将会被击穿，可能使芯片过热甚至烧毁芯片，所以这里选用Vio和Vcc都为3.3 V，但是彼此通过电源隔离芯片隔离，防止干扰。芯片测量主要是脉冲式的电流，因此一个充足的双通滤波非常重要，而且离TDC-GP2越近越好［9］。

3　软件设计

3.1FPGA逻辑实现

在超声波流量测量系统中，FPGA控制整个系统的逻辑时序，控制各个模块执行相应的功能，系统时序流程图如图5所示。

图5　系统时序流程图

FPGA通过内部定时器和计数器控制测量的进行，其中定时器控制每次测量的间隔，计数器记录采样数量。测量的间隔不易过大，过大将导致测量偏差增大，过小则产生冗余数据，增大系统的功耗。

系统上电后，FPGA接收上位机界面的参数设置定时器，并通过SPI总线对TDC-GP2进行参数配置，具体配置为：选择测量范围2，自动校准，上升沿触发，Stop1通道3次采样，ALU计算设置为Hit1-Start，所有中断激活，设置Stop信号门控，100 μs后接受第1个Stop信号，102 μs后接受第2个，104 μs后接受第3个，对于触发脉冲发生器，高速时钟内部倍增后除以8得到1 MHz，输出3个脉冲。配置成功之后进入查询模式，检测到开始命令后，启动定时器，开始测量，进入测量过程，测量结束后读取顺流传输时间，并通过信号切换电路切换换能器的状态测量逆流传输时间，计数器加一，并将两次数据添加帧头（EB90+计数器计数）后通过串口上传上位机，进入等待状态，直到定时器触发下一测量循环。如果检测到结束命令，则测量终止。

其中FPGA通过SPI总线控制TDC进行传输时间的测量，上电首先发送0X50对TDC进行复位，并对TDC的工作模式进行设置，检测到定时器的测量开始命令后，发送0X70进行初始化，发送0x01触发脉冲信号发生器产生1 MHz 的3个脉冲信号，驱动超声波发生装置，换能器发出超声波信号，信号经过传输路径反射给接收电路，采样到预定采样数后输出中断信号，当FPGA检测到测量中断信号之后，判断状态寄存器，确认不是溢出后读取结果寄存器，一次测量结束［10］。

3.2上位机数据处理

上位机实现数据处理、结果显示和数据保存等功能。数据处理程序采用C#语言编写，通过调用SerialPort（）函数实现对RS232串口的数据传输和通信。串口波特率设置为9 600，8位数据，1位停止位，无校验。程序通过帧头（EB90+计数器计数）区分每一次的测量结果，计算顺流和逆流的超声波传输时间差，结合安装尺寸和角度，根据式（5）、式（6）计算得出瞬时流速和瞬时流量。

图6　传输时间测量流程图

4　调试与运行

结合使用的状态设计测试设备和环境，采用外径20 mm、内径12 mm的管道进行测试，并且超声波安装角度为30°，同时在测试管道上安装用于结果比对的IFS4000电磁流量计，精度为0.1%。在进行试验时，通过设备调节水流在管道内的流量在0～3 m3/s内变化，设置计数器采样数为50，测量结果为50次采用数据的平均值，并与电磁流量计结果进行比对。误差曲线如图7所示。

图7　测量误差曲线图

通过误差曲线看以看出系统的测量误差不大于1%，分析误差主要来源于管道内部气泡和层流对超声波传输产生干扰，并且安装角度和尺寸的精度、液体流速分层估计精度都会对数据产生影响。

5　结论

本文设计了一种高精度的超声波流量计系统，利用FPGA为系统的控制核心，通过TDC-GP2时间测量芯片实现高精度的传输时间的测量，经过上位机的数据处理实现高精度的瞬时流速和累积流量测量。通过试验验证，系统的精确性和可靠性可以达到设计安装要求，测量准确度能够达到1%，具有很高的实用价值。

［1］王铭学，王文海，田文君，等.数字式超声波气体流量计的信号处理及改进［J］.传感技术学报，2008，21（6）：1010-1014.

［2］孙凌逸，胡昌华，蔡伟，等.一种小型化超声波管外测压节点设计［J］.传感技术学报，2014，27（4）：477-483.

［3］冉扬洁，江中伟，杨继森，等.基于TDC-GP2的高速时栅位移传感器信号处理系统的研究［J］.传感技术学报，2014，27 （12）：1654-1658.

［4］陆健，张自嘉.基于ARM和CPLD的无线风速仪设计［J］.电子器件，2014，37（6）：1130-1135.

［5］瞿鑫，吴云峰，江桓，等.基于FPGA的时间间隔测量系统的设计［J］.电子器件，2013，36（6）：825-827.

［6］赖国强，石为人，熊庆宇，等.基于回波包络上升沿拟合的超声波飞行时间测量方法［J］.传感技术学报，2014，27（7）：921-927.

［7］王雪峰，唐祯安.基于自干涉驱动技术的超声波飞行时间测量系统优化设计［J］.传感技术学报，2010，23（10）：1439-1443.

［8］刘晓宇，杨江.时间比例放大技术在超声波流量计中的应用［J］.传感技术学报，2007，20（2）：454-457.

［9］李英伟，孔令富，刘兴斌.基于互相关理论的油井流量测量系统［J］.电子器件，2007，30（4）：1458-1461.

［10］周国清，周祥，张烈平，等.面阵激光雷达多通道时间间隔测量系统研制［J］.电子器件，2015，38（1）：166-173.

杨兵（1988-），男，汉族，河南禹州市人，中北大学硕士研究生，主要从事电路与系统方向的研究，yangyb007@163.com；

崔永俊（1973-），男，汉族，山西忻州市人，中北大学副教授，博士生，主要从事纳米测试技术与仪器方向的研究，anna⁃yucyj@nuc.edu.cn。

Design of High Precision Ultrasonic Flowmeter Based on TDC-GP2*

YANG Bing1，2，CUI Yongjun1，2*
（1.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Based on high precision and reliability of the design idea and in view of the traditional ultrasonic flowme⁃ters the accuracy is not high and the circuit is complicated and the pipeline requires a modification.A design of flowmeter system is proposed based on FPGA and TDC-GP2 high precision time measurement chip.Using FPGA as the core of logic control module，and the principle of time difference method of ultrasonic flow meter，TDC-GP2 was made to achieve the precise measurement of time difference，the upload data were sent through the serial port to the host computer for data processing and results display.The results show that the accuracy and reliability of the sys⁃tem meet the requirements of the system.

ultrasonic flowmeter；transit-time difference method；TDC-GP2；PC

TN911.7

A

1005-9490（2016）02-0447-06

EEACC：7250C；7320W10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.040

项目来源：国家自然科学基金项目（61335008）

2015-06-27修改日期：2015-07-06