王 莉，曹譯恒，任勝杰，牛群峰

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

精確可靠的流量測量對提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量以及創(chuàng)建節(jié)約型社會都有著十分重要的作用。對流量測量的儀器儀表稱為流量計，一般有渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、超聲流量計等類型。超聲波流量計具有測量精度高、無磨損、不易堵塞、壓損小、壽命長、對管徑的適應(yīng)性強(qiáng)和易于數(shù)字化管理等優(yōu)點，得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

嵌入式ARM超低功耗微處理器具有體積小、功耗低、軟硬件可裁剪、成本低等優(yōu)點，能滿足流量計的低功耗和數(shù)字化的要求。本文設(shè)計了一種基于ARM Cortx-M3內(nèi)核的STM32L超低功耗微處理器和德國ACAM公司高精度超低功耗超聲波時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22所構(gòu)成的多通道超聲波流量計，克服了單通道流量計因管網(wǎng)流體流速不同而造成的測量精度不高的缺點，實現(xiàn)了液體流量的低功耗、高精度測量，具有通道設(shè)定、管徑參數(shù)設(shè)定、傳播介質(zhì)設(shè)定、瞬時和累積流量的顯示和存儲、遠(yuǎn)程傳輸測量數(shù)據(jù)等功能。

1 多通道超聲時差法工作原理

1.1 單通道時差法工作原理

時差法是利用超聲波換能器發(fā)送和接受超聲波在順流和逆流介質(zhì)的傳播時間差來間接測得介質(zhì)的流速，然后再通過流速計算流量的一種測量方法，如圖1所示。收發(fā)一體換能器A和B分別安裝在流體管段的兩側(cè)并相距L距離，其中心線與管段中心線夾角為θ，管段的直徑為D，超聲波順流傳播時間為T1，逆流傳播時間為T2，逆流與順流傳播時間差為ΔT。則

圖1 單通道時差法的工作原理Fig.1 Principle of single channel time-difference method

1.2 多通道超聲波流量計的工作原理

因圓管段內(nèi)的液體流速隨管段徑向變化而變化，根據(jù)單通道時差法的測量原理，為提高流量計測量準(zhǔn)確度，在管段的斷面上布設(shè)了3對換能器進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)，如圖2所示為三通道超聲流量計的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。 A1、B1，A2、B2，A3、B3分別為 3 對超聲換能器，每一對在各自液體層面上與液體流速方向成 45°夾角。

圖2 三通道超聲流量計的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of three channels ultrasound flowmeter

按照單通道時差法原理分別測得流體橫截面的液體流速分布函數(shù)V1，V2，V3，采用雙重積分和函數(shù)差值方法，采用公式 Q=?v（r）s（r）dr·ds 通過對截面面積分布和流速分布對應(yīng)的加權(quán)積分計算出流量[2]。

2 多通道超聲流量計硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用ARM超低功耗微處理器為控制計算核心，硬件總體方案結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)主要由ARM Cortx-M3內(nèi)核的STM32L超低功耗微處理器、德國ACAM公司高精度超低功耗超聲波時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22、高效能收發(fā)一體換能器、回波信號自動增益調(diào)節(jié)控制電路、自行設(shè)計定制的段碼式低功耗液晶顯示器、CAN/RS485通訊接口等組成。

圖3 總體方案結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Overall structure scheme

2.1 微控制器與時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計

系統(tǒng)采用基于ARM Cortx-M3內(nèi)核的意法半導(dǎo)體公司的超低功耗32位STM32L152RCT6微控制器，具有512 kB ECC Flash存儲器、32 kB的SDRAM和8 kB ECC的嵌入式 E2PROM、128 Byte的備份寄存器、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、超低功耗時鐘振蕩器、LCD接口、比較器、DAC及硬件加密功能，可低至9 μA的低功耗運(yùn)行模式等特點，非常適用于電池供電的儀器儀表中。

系統(tǒng)采用德國CAM公司超低功耗時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22進(jìn)行微小時間間隔的測量，TDCGP22是TDC-GP2的代升級產(chǎn)品，保持與TDC-GP2芯片管腳和功能兼容，具有第一波束檢測、可編程的比較器偏移調(diào)整、多測量脈沖的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)讀出，雙通道的測量精度高達(dá)90 ps，3.5 ns至2.5 μs的測量范圍，外圍電路簡單的特點。TDC-GP22與微控制器采用四線SPI接口通訊進(jìn)行設(shè)置參數(shù)與時間數(shù)據(jù)的讀取，電路原理圖如圖4所示。TDC-GP22的FIRE_U與FIRE_D引腳通過低損耗開關(guān)門電路與換能器A、B相連，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接受。多通道切換采用高速開關(guān)門電路實現(xiàn)信號的開通與關(guān)閉[3]。

圖4 流量計的核心電路原理Fig.4 Core circuit of flowmeter

2.2 發(fā)射電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的換能器驅(qū)動電路，采用TDC-GP22芯片內(nèi)部的矩形波發(fā)生電路，計時芯片經(jīng)過軟件的初始化設(shè)置后，可以自動發(fā)出1 MHz的矩形脈沖信號，本設(shè)計采用的產(chǎn)生8個脈沖信號直接驅(qū)動換能器。

2.3 接收與自動增益調(diào)節(jié)放大電路設(shè)計

接收與自動增益調(diào)節(jié)電路主要由前置放大器、AGC自動增益放大電路、主放大器組成。由于超聲波流量計管徑參數(shù)不同，超聲波回波信號在介質(zhì)中衰減程度不同，接收換能器接收到的電信號幅值大小就不同，在實際測量中，若聲路太長，回波信號幅值弱，信噪比小，信號甚至淹沒在噪聲里，難以識別有效回波信號。為了滿足不同超聲波傳播距離的要求，針對接收超聲波信號幅值變化的問題提出自動增益控制（AGC）解決方案，提出采用自動增益調(diào)節(jié)放大器的工作方式[4]。其原理框圖如圖5所示。從圖5中看出，將接收換能器接收到的超聲波信號送入低噪聲前置放大器進(jìn)行初級放大，經(jīng)AGC放大器、主放大器進(jìn)行放大濾波輸出，輸出的一路信號送人時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22進(jìn)行微小時間間隔的測量，另一路信號作為增益控制的反饋信號，送入微控制器，控制信號與邏輯門上下門限的比較結(jié)果來控制加減計數(shù)器，計數(shù)器根據(jù)計數(shù)值變化來控制AGC放大器的增益。當(dāng)檢測的峰值電壓大于比較器的上限電壓時計數(shù)器就減1，AGC放大器的增益就增加3 dB；反之，計數(shù)器就加1，AGC放大器的增益就減小3 dB。這樣在自動增益調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，就可以使主放大器的輸出值保持在設(shè)定的上下限電壓之間，實現(xiàn)自動增益調(diào)節(jié)控制。本文自動增益AGC放大器選用AD8369，加減計數(shù)器選用74HCT193。

圖5 接收與自動增益調(diào)節(jié)電路原理框圖Fig.5 Functional block diagram of receive and automatic gain

2.4 低功耗液晶顯示電路

系統(tǒng)的液晶顯示屏采用自己設(shè)計定制的段碼式液晶屏，顯示屏采用60 mm×35 mm 8位7段碼的雙排25針腳結(jié)構(gòu)，能極大縮減系統(tǒng)總體功耗，顯示流速、流量、日期、運(yùn)行時間、電量等基本信息。為了便于該流量計功能的擴(kuò)展，本顯示屏設(shè)計時帶有熱量顯示的功能。

2.5 通訊模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)具有多種通訊接口，USB通訊接口方便用戶進(jìn)行計量數(shù)據(jù)的讀取，STM32L152RCT6微控制器內(nèi)部包含有USB控制器，接口電路較為簡單。系統(tǒng)具有CAN總線及RS485總線通訊接口，STM32L152RCT6微控制器內(nèi)部包含有CAN通訊控制器，只需外擴(kuò)CAN總線驅(qū)動器即可。方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的讀取，進(jìn)而形成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

3 軟件設(shè)計

多聲道流量計的軟件設(shè)計主要包括對硬件系統(tǒng)的設(shè)置及初始化、TDC-GP22的控制與數(shù)據(jù)讀取、流速與流量的計算、相應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示等[3]。

3.1 主程序設(shè)計

其主程序流程如圖6所示，主要包含CPU及GP22的初始化，GP22高速時鐘的校準(zhǔn)等，完成初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入低功耗模式，等待定時器中斷進(jìn)行有效測量與計算并且與按鍵中斷進(jìn)行功能選擇及參數(shù)設(shè)置。

3.2 定時器測量中斷程序

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

系統(tǒng)的定時器中斷程序是本流量計的核心程序，也是有效提高測量精度的算法設(shè)計，流程如圖7所示。CPU定時進(jìn)行超聲波測量，讀取測量的超聲時間結(jié)果，CPU計算流速和流量并存儲[5]。為了流量計的通用性，本設(shè)計采用參數(shù)設(shè)置的方法進(jìn)行通道選擇，可方便地設(shè)置通道數(shù)，硬件支持最大為6通道。每聲道測量3次取平均值作為每個聲道的單次測量結(jié)果。

圖7 定時器中斷程序流程圖Fig.7 Flow chart of timer’s interrupt program

3.3 多聲道測量計算程序

多聲道超聲波流量計的設(shè)計采用哪種積分形式，主要取決于通道數(shù)、適用的測量區(qū)間以及流量計成本。隨著聲道數(shù)目增加，各積分函數(shù)引入的固有誤差會減小，但成本也會隨之增加。目前超聲波流量計采用的數(shù)值積分函數(shù)主要有4種，高斯-勒讓德積分、高斯-雅可比積分、圓管流速修正積分和圓管最優(yōu)權(quán)重積分[6]。聲道數(shù)目越多，各積分函數(shù)引入的固有誤差越小，各積分函數(shù)的引入誤差隨著雷諾數(shù)的增大逐漸趨于穩(wěn)定。三聲道模型各積分函數(shù)的最大誤差為1.5%～2%。層流區(qū)域內(nèi)高斯-勒讓德積分誤差仍然最大，高斯-雅可比積分及圓管流速修正積分相近，具有最小誤差；在2000≤Re≤5000范圍內(nèi)，高斯-雅可比積分具有最小誤差；而在5000≤Re≤1.0×104范圍內(nèi)，高斯-勒讓德積分誤差值最??；當(dāng) 1.0×104≤Re≤1.8×105時，圓管流速修正積分具有最小誤差；當(dāng)Re>1.8×105時，圓管最優(yōu)權(quán)重積分具有最小誤差。

本設(shè)計采用流量測量誤差自修正方法進(jìn)行計算，在軟件中設(shè)置4種數(shù)值積分計算函數(shù)，系統(tǒng)工作開始，按照預(yù)設(shè)的測量公式計算出聲道流速，定期計算測量管道液體雷諾數(shù)，基于計算的雷諾數(shù)來修正所采用的數(shù)值積分計算函數(shù)，通過流速計算積分函數(shù)的調(diào)整，降低流量計的測量計算誤差，進(jìn)而提高超聲波流量計測量精度。

4 實驗結(jié)果

本流量計的實驗條件：超聲波換能器工作頻率1 MHz，超聲波以 45°夾角入射，管徑 DN 80 mm，流速3 m/s時測得的超聲波形如圖8所示。經(jīng)比對采用三通道流量誤差自修正算法較之單通道流量計算測量精度能提高30%以上。滿足大口徑管道進(jìn)行高精度流量測量的要求。

5 結(jié)語

圖8 實測的超聲波形圖Fig.8 Ultrasound wave of measured

本文設(shè)計了一種基于ARM Cortx-M3內(nèi)核的STM32L超低功耗微處理器的多通道超聲波流量計。詳細(xì)介紹了該測量儀器的硬件組成和軟件設(shè)計流程，研究了多通道的數(shù)據(jù)數(shù)字濾波和誤差修正算法以提高計量精度，實現(xiàn)了液體流量的計量、存儲、在線監(jiān)控計量數(shù)據(jù)的功能。該儀器具有計量精度高、使用方便、功能可擴(kuò)展等優(yōu)點，該儀器可根據(jù)不同行業(yè)需求，在軟件上稍作更改即可進(jìn)行功能擴(kuò)充或修改。

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[4] 徐方明，朱潔，閆麗，等.電壓與增益聯(lián)合調(diào)節(jié)的超聲波流量計研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（7）：29-31

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[6] 陳強(qiáng)，李偉華，吳婷，等.數(shù)值積分函數(shù)對超聲波流量計精度的影響研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2012，46（9）：1-10. ■