針對影響超聲波流量計測量精度和功耗的關鍵環(huán)節(jié)——超聲波時差測量,設計了以超低功 耗處理器EFM32G880F128為控制核心，以高精度、低功耗的超聲波模擬前端芯片TOC1000和數(shù)字轉換 芯片TDC7200構成時差測量電路的控制系統(tǒng),較好地控制了在回波信號的放大及接收過程中產(chǎn)生的誤 差及功耗,有效地提高了電池供電、大口徑超聲波流量計的測量精度，降低了產(chǎn)品功耗。經(jīng)過檢驗，其 測量誤差低于1%,能夠滿足市場需求，具有良好的應用前景。

0.引言

流量檢測是供水、石油、農(nóng)業(yè)灌溉等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動化過程的重要組成部分。超聲波液體流量計具 有非接觸、檢測范圍廣、安裝簡單、便于維護、精度高、重復性好等特點，在流量檢測領域應用廣泛。此 外，由于超聲波液體流量計的流通通道未設置任何阻 礙器件,在大口徑流量測量中有比較突出的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)超聲波流量計大多采用外接電源供電,在供 電困難的條件下，其使用受到一定的限制，采用電池 供電可以較好地解決這個問題。在電池供電的超聲 波流量計，尤其是大口徑流量計的市場需求中，流量 測量的準確性、儀表的可靠性，以及電池使用壽命成 為用戶關注的焦點。本文針對以上問題，提出了一種 提高大口徑超聲波流量計測量精度、降低功耗的解決 方案,具有較高的實用價值。

1.流量測量原理及誤差功耗分析

1.1測量原理

超聲波流量計通常采用時差測量法，即利用超聲 波在流體中順流和逆流狀態(tài)下傳輸速度的不同，實現(xiàn) 流量測量，其測量原理如圖1所示卜4。在圖1中管 道的上下游分別布置有2個換能器,L為2個換能器 間的距離，為流體的流速，為換能器發(fā)出的超聲波 在室溫靜止流體中的傳播速度,a為2個換能器安裝 軸線與管渠軸線間的夾角。

1.2誤差功耗分析

由超聲波流量測量原理知，超聲波傳播時間的準 確測量，在很大程度上決定了流量測量的準確性，是 提高流量計測量精度的關鍵因素。

超聲波在流體中傳播時間的測量，是通過對超聲 波發(fā)射信號時刻和接收到回波信號時刻為計時時間 的。大口徑超聲波流量計由于發(fā)射和接收換能器之 間距離比較遠,超聲波回波信號強度比較弱，通常只有 幾十mV,要準確采集到回波信號,必須對回波信號進行 高精度的放大處理。同時,考慮到回波信號的頻率一般 為1 MHz左右,則必須采用帶寬較高的高速放大器。

高速放大器的使用在一定程度上解決了回波信 號采集的問題，但由于其本身功耗較大，從而增加了 放大電路的總體功耗。此外,對回波信號幅值進行判 斷的電壓比較電路,其功耗也不能不考慮。如果能夠準 確控制放大電路和電壓比較電路的供電時間,必將減少 這2部分電路產(chǎn)生的功耗,從而降低系統(tǒng)的總功耗。

由此,要提高大口徑超聲波流量計的測量精度, 降低系統(tǒng)總功耗，除了采用高性能低功耗的微控制 器,關鍵還在于超聲波時差測量電路的設計與控制。

2.高精度低功耗解決方案

2.1硬件電路設計

高精度低功耗大口徑超聲波流量計硬件結構如 圖2所示。采用EFM32G880F128MCU為控制器，超 聲波時差測量電路由超聲波模擬前端芯片TDC1000 與時間數(shù)字轉換芯片TDC7200構成,在調理回波信號 的同時,實現(xiàn)對超聲波傳播時間進行測量。系統(tǒng)通過 SPI接口進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量、計算、存儲等。 外圍電路由穩(wěn)壓電路、晶振、RS485通信接口、LCD液 晶顯示屏、SWD程序調試下載接口等電路組成。

FM32G880F128是一款超低功耗ARM微控制器, 采用ARM Cortex-M3 CPU平臺，主頻可達32 MHz,

具有4X40段LCD驅動器、16位低功耗定時器、2個低 功耗UART、超低功耗精密模擬電壓比較器、12 bit ADC 和DAC等。其深度休眠模式功耗為900 nA,且只需要就可以在不用對系統(tǒng)時鐘做任何調整的情況下 返回到激活模式，關機模式下功耗可以低至20 nA。 創(chuàng)新的超高能效與多種工作模式,使EFM32G880H28 比傳統(tǒng)的低功耗微控制器能效節(jié)約近40%,非常適合 電池持久供電的智能儀表應用。

2.2時差測量電路

超聲波時差測量電路如圖3所示，由超聲波模擬 前端芯片TDC1000與時間數(shù)字轉換芯片TDC7200構 成,可以實現(xiàn)超聲波信號的發(fā)射、回波信號的調理、接 收、傳播時間的測量等。

2.2.1超聲波模擬前端TDC1000

TDC1000是專為超聲波傳感器測量開發(fā)的全集 成模擬前端芯片（analog front end, AFE),可用于測量 流量、物位、距離和流體識別，廣泛應用于汽車、工業(yè)、 醫(yī)療和消費等領域。

TDC1000內(nèi)部結構框圖如圖4所示，集成了兩級 放大電路，第一級是增益為20 dB的低噪聲放大器 (LNA),只需要簡單的電容或電阻即可組成電容反饋 或電阻反饋放大電路;第二級為一個可編程增益放大 器（PGA),其增益能夠以3 dB的步長進行調整，最大 增益可達21 dB。

TDC1000有3種測量模式，分別為Short TOF Measurement, Standard TOF Measurement 和 Standard TOF Measurement with Power Blanking。在超聲波信號 傳播時間較長時，可以使用第三種測量模式來控制內(nèi) 部放大電路的通斷，使放大電路在信號傳輸過程關 閉，并在回波到達之前打開，內(nèi)部的雙比較器可在識 別到回波信號后發(fā)送停止脈沖，隨后放大器立即 關閉 。

這樣不僅可以顯著降低放大電路功耗，還可以有 效避免信號傳輸過程中對放大電路產(chǎn)生的干擾,進一 步提高測量精度。

2.2.2時間數(shù)字轉換芯片TDC7200

TDC7200是一款時間數(shù)字轉換器，適用于流量 計、燃氣表和熱量表等超聲波感測，尤其是高精度零 流量和低流量測量。

TDC7200有2種工作模式,測量范圍分別為0.012 ~0.5 ms 和 0. 25 ~8 ms,分辨率為 55 ps,功耗為 0.5 ^A。 采用SPI接口與微控制器通訊，可以測量起始脈沖信 號與多達5個停止脈沖信號之間的時間間隔,使用戶 能夠選擇回聲性能最佳的停止脈沖信號。內(nèi)置的自 校準時基，可對時間和溫度偏差進行補償,從而獲得 ps級的測量精度。

2.2.3回波信號濾波電路

為了盡量減小回波信號接收通道噪聲，提高超聲 波信號傳播時間測量的準確度，利用TDC1000信號濾 波端口 ： LNAOUT 和 PGAIN、PGAOUT 和 COMPIN,分 別設計濾波電路，如圖3所示，從而構成一個1 MHz 的無源帶通濾波器，實現(xiàn)對回波信號的高效濾波 處理。

這樣，由TDC1000和TDC7200構成的超聲波時 差測量電路,除了微控制器以外,只需用電阻、電容等 無源元器件構成相應外圍電路即可，不僅電路簡潔, 測量精度高,功耗也得到有效控制。

3.系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，主要由初始化程 序、超聲波傳播時間測量程序、流量計算程序、顯示程 序等部分組成。

系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)時鐘、顯示模塊、定時 器、通訊模塊、I/O端口和按鍵模塊等進行初始化，然 后再對TDC1000和TDC7200進行初始化，設定其工 作模式，在非測量周期內(nèi)關閉TDC1000和TDC7200 的使能信號,使其進入休眠模式降低功耗。

測量周期開始時，TDC1000根據(jù)微控制器的指 令,發(fā)射超聲波激勵信號，同時將發(fā)射起始脈沖信號 送給TDC7200。在超聲波信號傳播過程中，先關閉 TDC7200以降低功耗，回波信號經(jīng)過TDC1000進行濾波、PGA增益調節(jié)、放大等環(huán)節(jié)后,微控制器內(nèi)部集成 的低功耗電壓比較器和12 bit數(shù)模轉換器，判斷超聲 波回波信號是否被調整到合適的范圍。當回波信號 強度達到設定的強度范時,TDC1000重新發(fā)射激勵 信號和起始脈沖信號，內(nèi)部雙比較器識別回波信號 后，隨即關閉放大器和識別電路。超聲波起始停止脈 沖信號均發(fā)送至TDC7200,并由TDC7200依據(jù)脈沖信 號測量超聲波傳播時間。

TDC7200測量結束產(chǎn)生中斷信號,微控制器響應 中斷請求,通過SPI讀取測量結果,經(jīng)過軟件濾波后計 算出超聲波信號順流和逆流飛行時間和時差，最后計 算得到流速和流量，并將相關信息顯示在液晶顯示 器上。

4.系統(tǒng)測試

采用TDC1000和TDC7200設計的高精度低功耗 大口徑超聲波流量計,通過流量校驗臺進行濕標確定 流量特性。根據(jù)流量計最小流量、分界流量、常用流 量及過載流量實測的流速數(shù)據(jù)制定流量特性表,通過 分段插值計算進行流量補償,這樣就可以根據(jù)測得的 流速數(shù)據(jù)查表得到相應的流量。經(jīng)過測試，該流量計 的測量誤差可控制在1%以內(nèi)，達到國家標準2級精 度要求（依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 1030—2007《超 聲流量計》）,測試數(shù)據(jù)見表1。整機平均功耗小于 0.75 mW (每s測量1次），單節(jié)鋰電池供電 (ER34615)可連續(xù)工作6年,2節(jié)鋰電池供電可工作10a以上。

此外,在調試及分析的基礎上，還通過以下措施 來進一步提高系統(tǒng)測量精度：

（1）對于采集到的時差數(shù)據(jù)，可綜合運用滑動平 均濾波和中位值平均濾波法進行濾波處理。滑動平 均濾波算法對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度 高；中位值平均濾波算法對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干 擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，綜合 運用上述2種濾波方法，可以有效提高測量精度。

（2）對于如TDC1000的高精度數(shù)模混合器件,穩(wěn) 定的電源和合理的地線分布能有效減少系統(tǒng)噪聲。 電源部分可采用自有噪聲極低、電源抑制比較高的低 壓差線性穩(wěn)壓器，配合大容量鉭電容濾波，提高電源 部分的抗噪能力。單獨設立電源層和地線層，可以有 效減少脈沖信號引起的串擾。

（3）系統(tǒng)布線時，應盡量使順逆流測量通道的激 勵脈沖在PCB板上延時一致,順流逆流導線長度與線 寬也應盡量保持一致，甚至過孔數(shù)量也要保持一致， 并合理增加線寬,盡量減少使用過孔，以控制傳輸線 之間的寄生電容。

5.結束語

以提高超聲波傳播時間測量精度，降低測量電路 功耗為目標,采用高精度、低功耗的超聲波模擬前端 芯片TDC1000和數(shù)字轉換芯片TDC7200構成時差測 量電路,較好地解決了在回波信號的放大及接收過程 中產(chǎn)生的誤差及功耗，有效地提高了電池供電、大口 徑超聲波流量計的測量精度，控制了產(chǎn)品的功耗，達 到國家2級表的標準,滿足市場需求,具有良好的應用 前景。