双声道超声波明渠流量计设计

提出了基于MSP430F149和TDC-GP21的流量测量方案，其中利用TDC-GP21芯片作为脉冲发生器和计时 模块，并利用回波信号处理模块对声波信号进行放大、带通滤波以及过零阈值检测处理，实现了对明渠高稳定性、低功耗的 测量要求。

超声波流量计测流过程中会受到噪声、泥沙、水深等影响，这使得灌区用水测量监控较难。而超声波传播时间测量也直接影响着流量计的测量精度，因此，设计了一款基于MSP430F149的双声道超声波明渠流量计，采用精度达到ps级的TDC芯片作为脉冲发生器和计时模块，并设计了信号处理模块，使该流量计在一定程度上可以消除流速分布不均的影响，***终实现稳定性高、功耗低的测量要求。

1.超声波明渠流量计测流原理

1.1时差法测流原理

时差法测流量原理如图1所示，探头1和探头2是收发为—体的超声波换能器，探头的中

心频率为1MHz，3是测流断面,L为超声波在水中的传播距离
V，是水流速度，0为探头连线与水流方向的夹角。

当探头1发射超声波、探头2接收超声波时，顺流传输时间

式中，S(h)为过流断面，是水位高程的函数。

2.系统设计与仿真研究

2.1系统整体结构

双声道超声波明渠流量计系统组成框图如图2所示。

图2双声道超声波明渠流量计系统框图 系统以运行稳定、可靠性高的MSP430F149单片机为控制 核心，以高精度时间间隔测量芯片TDC-GP21为计时核心，并 利用回波信号处理模块对声波信号进行放大、带通滤波以及过 零阈值检测处理，实现了对明渠高稳定性、低功耗的测量要求。

2.2时间测量原理

TDC-GP21芯片能准确计量超声波沿顺逆流方向传播的时 间，并利用其自带的通信模块将时间传送给单片机。该计时芯片 内部集成了脉冲发生器、ALU、SPI通信接口、时间测量和校准单 元，可以在MSP430F149的作用下发送脉冲信号。在该设计中采 用测量方式2，只测开始和停止信号到下一个时钟上升沿的时间 以及两信号之间的时钟周期，其测量范围是500ns~4ms。

时间测量原理如图3所示。

时间测量计算公式为：

2.4脉冲收发时序控制电路

收发时序控制电路原理如图5所示。选用具备四路高速模 拟切换开关功能的DG403芯片，该芯片在电路中相当于两个单刀双掷开关，可以实现对通道以及顺逆流方向的选择。DG403 通过控制IN1和IN2的电平分别控制S与D之间的导通，当通 道1的控制引脚IN1为高电平时，S1和D1导通，当其为低电 平时，S3和D3导通。同理，S2和D2、S4和D4的导通与关断 由IN2引脚的电平控制。S1和S2连接着两通道上游的探头， S3和S4连接着两通道下游的探头，D1、D2、D3和D4连接到 后面的信号处理模块。MSP430单片机通过控制IN1和IN2的 电平来实现双通道超声波信号的发射和接收。

在接收电路中要设计放 大电路。由于超声波信号 属于高频信号，其强度又 比较微弱，所以选用高频 增益放大器AD620对信 号进行放大。放大电路如 图6所示。

AD620具有使用简 单、噪声低、精度高的优 点，可以通过设置外部电 阻器的大小来调节放大倍 数，且***大误差在±0.3% 之内。增益计算公式为：

当信号频率远低于或者远高于1MHz时即为杂波信号时, 该滤波电路会使其产生衰减（浅红色为输入信号，深色为输出信号)，从而得到清晰的有用信号，仿真结果如图10所示。

(3)过零阈值检测

声波信号在水中传播会由于噪声、杂质等影响产生衰减和 扭曲，为避免测量误差，选择不受外界影响的固定点即过零点作 为探头接收到回波信号的时刻。为了确bao过零点不被触发，选择 第N个过零点（N>2)作为检测点，通过调节参考电平的幅值来 确定过零点，这就是所谓的过零阈值检测方法。采用比较芯片 MAX963作为核心器件，该芯片为双通道比较器，可以实现阈值 与过零点的检测。过零阈值检测电路原理如图11所示。

图11中，INA、INB均为输入端口，INA-接可变电阻，可以调节阈值的大小，INA+接回波信号，A通道实现了信号的阈值 检测；INB+接地，INB-接回波信号，B通道实现过零检测。信号 通过MAX963后，会输出相应的脉冲序列，进而利用锁存功能 和逻辑电路得到STOP信号，使TDC芯片停止计时。

3.结束语

本文设计了采用MSP430F149单片机与TDC-GP21高精 度计时芯片的超声波流量计硬件系统，介绍了超声波明渠流量计测流原理和主要的硬件电路，通过搭建的平台进行了相关的 实验研究，实现了高稳定性和低功耗等要求。