超聲波明渠流量計的設(shè)計，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)生器和計時模塊，并利用回波信號處理模塊對聲波信號進(jìn)行放大、帶通濾波以及過零閾值檢測處理，實現(xiàn)了對明渠高穩(wěn)定性、低功耗的測量要求。

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

1.超聲波明渠流量計測流原理

1.1時差法測流原理

時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，順流傳輸時間

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系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)以運行穩(wěn)定、可靠性高的MSP430F149單片機為控制核心，以高精度時間間隔測量芯片TDC-GP21為計時核心，并利用回波信號處理模塊對聲波信號進(jìn)行放大、帶通濾波以及過零閾值檢測處理，實現(xiàn)了對明渠高穩(wěn)定性、低功耗的測量要求。

2.2時間測量原理

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

時間測量原理如圖3所示。

時間測量計算公式為：

2.4脈沖收發(fā)時序控制電路

收發(fā)時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)于兩個單刀雙擲開關(guān)，可以實現(xiàn)對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，S1和D1導(dǎo)通，當(dāng)其為低電平時，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連接到后面的信號處理模塊。MSP430單片機通過控制IN1和IN2的電平來實現(xiàn)雙通道超聲波信號的發(fā)射和接收。

在接收電路中要設(shè)計放大電路。由于超聲波信號屬于高頻信號，其強度又比較微弱，所以選用高頻增益放大器AD620對信號進(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，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)，增益計算公式為：

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

(3)過零閾值檢測

聲波信號在水中傳播會由于噪聲、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即過零點作 為探頭接收到回波信號的時刻。為了確保過零點不被觸發(fā)，選擇 第N個過零點（N>2)作為檢測點，通過調(diào)節(jié)參考電平的幅值來確定過零點，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，可以實現(xiàn)閾值與過零點的檢測。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，A通道實現(xiàn)了信號的閾值 檢測；INB+接地，INB-接回波信號，B通道實現(xiàn)過零檢測。信號 通過MAX963后，會輸出相應(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，使TDC芯片停止計時。

3.結(jié)束語

本文設(shè)計了采用MSP430F149單片機與TDC-GP21高精度計時芯片的超聲波流量計硬件系統(tǒng)，介紹了超聲波明渠流量計測流原理和主要的硬件電路，通過搭建的平臺進(jìn)行了相關(guān)的實驗研究，實現(xiàn)了高穩(wěn)定性和低功耗等要求。