单通道时差法超声流量计研发(硬件部分)【毕业论文】.doc

1、本科毕业设计（20届）单通道时差法超声流量计研发硬件部分所在学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】超声流量计拥有测量方式简单、对水质要求低、压力损失小、计量精度高可靠性好、无接触测量等优点，具有广阔的应用前景。本课题基于时差法测量原理研发一个单通道时差法超声流量计，整个硬件系统由单片机、计时芯片、超声波收发切换、信号处理和液晶显示等模块构成。根据时差法超声流量计的测量原理，可知其测量精度与超声波传播时间的准确测量有着密切关系，因此选用高精度的计时芯片TDCGP2来测量时间。同时，为了获得可靠的STOP信号，对从接收换能器接收的信号进行信号处理，包括信号

2、的放大、带通滤波以及STOP信号选取，其中STOP信号选取是利用阈值比较和过零比较相结合的电路模块来完成的。最后，通过实验调试，实际获取的STOP信号符合预期的设计，确保了测量的精度，系统各模块都能正常工作，符合设计要求。【关键词】时差法；超声波流量计；信号处理。IIABSTRACT【ABSTRACT】THEULTRASONICFLOWMETERHASTHEADVANTAGESASSIMPLEMEASUREMENT,LOWDEMANDONWATERQUALITY,LOWPRESSURELOSS,HIGHACCURACYANDRELIABILITY,NONCONTACTMEASUREMENT,E

3、TC,HASABROADAPPLICATIONPROSPECTBASEDONTHEPRINCIPLEOFTIMEDIFFERENCEMEASUREMENT,RESEARCHANDDEVELOPMENTASINGLECHANNELTIMEDIFFERENCEULTRASONICFLOWMETER,THEHARDWARESYSTEMINCLUDESSCM,TIMINGCHIPS,SWITCHTHEULTRASONICTRANSCEIVER,SIGNALPROCESSINGANDLCDMODULESACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFTIMEDIFFERENCEULTRASONICFL

4、OWMETERMEASUREMENT,WECANSEETHATITSMEASUREMENTPRECISIONHASACLOSERELATIONSHIPTOTHEACCURATEMEASUREMENTOFULTRASONICPROPAGATIONTIME,SOWECHOOSETHEHIGHPRECISIONTIMINGCHIPTDCGP2TOMEASURETHETIMEMEANWHILE,INORDERTOOBTAINRELIABLESTOPSIGNALS,PROCESSINGTHESIGNALRECEIVEDFROMTHERECEIVERSIGNALTRANSDUCER,INCLUDINGSI

5、GNALAMPLIFICATION,BANDPASSFILTERANDSTOPSIGNALSELECTION,ANDTHECIRCUITMODULEOFSTOPSIGNALSELECTIONCONSTITUTEDBYTHECOMBINATIONOFTHRESHOLDCOMPARISONANDZEROCROSSINGCOMPARISONFINALLY,THROUGHTHEEXPERIMENTALCOMMISSIONING,THEACTUALRECEIVEDSTOPSIGNALINLINEWITHEXPECTATIONSDESIGNED,GUARANTEEDTHEMEASUREMENTACCURA

6、CY,EVERYSYSTEMMODULECANWORK,MEETTHEDESIGNREQUIREMENTS【KEYWORDS】TIMEDIFFERENCEMETHOD；ULTRASONICFLOWMETER；SIGNALPROCESSINGIII目录1概述111课题研究的背景与意义112超声波流量计的国内外现状与发展趋势213课题研究的内容32超声波流量计的理论研究321引言322时差法超声流量计的原理423超声波传播时间测量技术研究5231常用时间测量技术5232TDCGP2计时芯片524本章小结93硬件系统设计931硬件系统总体结构1032单片机模块1033计时芯片模块1134电源模块11

7、35超声波收发切换模块1236信号处理模块1337液晶显示模块1738硬件电路原理图与PCB板的绘制1939本章小结194硬件系统的调试2041电源模块的调试2042单片机模块的调试20421端口的初始化20422模块调试2043时间测量模块的调试22431计时芯片模块的调试22432信号处理模块的调试25433时间测量的调试3244液晶显示的调试3445本章小结365结论与展望37参考文献38致谢错误未定义书签。附录4011概述11课题研究的背景与意义流量是在工业过程测量中的一个重要参数，它与压力和温度被公认为是热工计量的三大重要参数，流量测量涉及了广泛的应用领域1。流量测量具有悠久的历史，

8、它可追溯到公元年前古埃及用堰槽法测量尼罗河水的流量；而在我国，早在战国时期的“都江堰”治水工程中，就在崖壁上刻了“水则”用来测量水位，以控制河水的流量。之后，随着西方国家的工业革命，推动了流量测量技术的迅速发展，新的流量计量产品不断涌现。作为测量流体流量的仪器，流量计已经被广泛地用于工业生产、能源计量、交通运输、环境保护、生物技术和科学研究等领域，成为了流量测量所不可或缺的设备26。目前普遍应用的流量计还是比较传统的类型，有机械式流量计、电磁式流量计和涡街流量计等，随着测量技术的不断发展进步以及测量对象的复杂化与多样化，传统的流量计伴随着自身的种种缺陷与不足已经愈来愈不能适应生产应用中对流量测

9、量的要求机械式流量计因其存在机械转子、齿轮、轴承等机械部件，在其工作时容易磨损，维护的工作量较大，对于含有较多杂质的流体会因堵塞过滤网而导致无法计量；电磁式流量计因其测量原理的限制，它只能测量具有导电能力的流体，而无法计量导电性较差或无导电能力的流体，而且本身易受电磁的干扰；而涡街流量计的压损较大，受震动的影响比较大，价格比较昂贵，且流量测量实现方式较为复杂。同时，目前国内水表大部分采用机械表或附加一定的电子装置的机械表。该类型的机械表的计量精度比较低，面临着更新换代，超声流量计可很好替代该类型的机械表。超声波流量计与其它流量计相比，具有如下特点首先，超声波流量计能制作成非接触式，可安装在管道

10、外侧测量流量，安装时不用在管壁上打孔，不受管子外型尺寸的影响，结构简单，对流体不产生压力损失其次，可以在线测量流速，对流速的变化响应快，测量范围大，系统的稳定性较好，尤其对于超大型管道有其独特的优势第三，超声波流量计不受流体物理性质与化学性质的影响，如流体的粘性、导电性及腐蚀性等7。另外，由于现在的水资源日益紧张，农业用水、工业用水、城市用水采取贸易供水方式已成为必然，这就涉及供水与用水双方的计费问题，而且工业废水的排放对准确测量也提出了较高的要求。所以对流量计的准确性要求越来越高，而超声波流量计用于对水流量的测量也有其独特的优点。可以说超声波流量计是非常有发展前途的一种流量测量仪表。本课题目

11、的在于研究和开发出高精度、低成本、低功耗、易维护的超声流量计，通过本项目的研究为超声流量计领域提供一些技术借鉴，促进相关行业的发展。212超声波流量计的国内外现状与发展趋势超声波流量计简称USF是通过检测流体在流动时对超声束或超声脉冲的作用，以测量流体的体积流量的仪表。20世纪20年代，由德国研制出世界上首台超声流量计。30年代研制出属传播时间法的相位差超声流量计。50年代开发出以频差法为测量原理的马克森流量计，用于测量航空燃料，成为世界首台投入商用的超声流量计。60年代各国开始竞相研制开发超声流量计，并出现了大量的专利申请，在60年代末又出现了多普勒超声流量计。到了70年代，随着电子技术的发

12、展，工业测量要求的不断提高，超声流量计得到了迅速发展，超声波流量计的稳定性和可靠性得到了显著提高，同时又出现了频差法超声流量计89。进入20世纪80年代，超声波流量计的实现方法已不仅仅局限于时差法、频差法和多普勒法，由于电子技术及相关理论的飞速发展，超声波流量计的种类越来越多，又出现了射束位移法、相关法和噪声法等。到了80年代中后期，单片机技术的应用使超声流量计不仅可以进行复杂的数学运算和数据处理、进一步提高超声波流量计的测量精度，而且还能设计出友好的人机界面，使其具有参数设置、自动检错排错以及其他辅助功能，这大大方便了用户的操作与使用。正因为单片机应用到超声波流量就，使超声波流量计开始真正进

13、入工业测量领域。到了20世纪90年代，随着技术革新，新材料、新工艺的出现，以及高速信号处理技术与微处理器技术的进步，超声波流量测量技术取得了长足的发展，已经成功地应用于废水处理、化学与制药工业、石油工业、冷却水设备、区域供热以及公共事业等领域。最近10年来，基于高速数字信号的处理技术及微处理器技术的进步，伴以新型探头材料与工艺的研究、声道配置及流体力学的研究，使得超声波流量测量技术取得了长足的进步，形成了迅猛发展的势头。我国在超声波流量计的研制、生产工作起步比较晚，在20世纪70年代北京大学、机械工业部上海自动化仪表研究所相继进行超声波流量测量方面的研究，并获得成功。到了80年代中期，国内仪表

14、厂从欧美引进相关技术，生产具有同时期国际水平的超声流量计。20世纪90年代，我国年产超声流量计约800至1000台。无论是从技术研发、公司的生产规模，还是从实际应用方面，国内超声流量计行业与国外同行进行比较，都存在很大的差距。经过近一个世纪的发展，超声波流量计在研究、生产和应用普及等方面都取得很大的发展。近年来国内外对超声流量计的研究的重点主要集中在以下几个方面研究更精确的时间测量的方法；研究更适用于气体测量的超声波流量计；研究超声流量计中的数据处理方法以及流体状态的分析；研究更加智能化、多功能化以及低功耗的超声流量计等。根据对近年来国内外对超声流量计方面研究的热点进行分析，不难看出，超声流量

15、计的研究正在向高精度、高稳定性、多功能化、智能化和低功耗化的趋势进行发展10。313课题研究的内容本课题的内容是研究单通道DN100超声流量计硬件设计，基本原理是时差法超声流量计。以MSP430单片机为核心，使用TDCGP2计时芯片测量超声波信号传播时间差，并设计其他辅助电路，画出原理图，制作PCB板，调试电路达到流量计基本性能指标，关键是对接收信号的处理的研究保证计时的准确性。本文共分5章，内容安排如下第1章为概述。以国内外与超声流量计相关的文献为基础，介绍了超声流量计的研究背景、发展现状及未来的趋势，并提出本课题的研究内容。第2章是超声波流量计的理论研究。简要介绍分析超声波流量的种类及其测

16、量原理，重点阐述本课题所采用的时差法超声波流量计的测量原理，并对传播时间的测量技术进行研究，确定本系统使用TDCGP2完成超声波传播时间的测量。第3章是硬件电路的设计。信号处理为本课题的关键技术。本章从系统角度分析超声流量计的每个模块的工作原理及硬件实现过程，包括单片机模块、计时模块、超声波收发切换模块、电源模块、信号处理模块、LCD模块等。第4章为硬件电路的调试。对系统各模块进行驱动调试以实现整个硬件电路的功能。第5章为总结与展望。对本文做了总结并且对未来的工作做了展望。2超声波流量计的理论研究21引言在超声检测中，把超声波发射出去并接收回波，再将回波转换成电信号的装置，称为超声波换4能器1

17、1。超声流量计由发射换能器产生超声波，以一定的方式穿过流体，通过接收换能器转换成电信号，经信号处理后反映出流体的流速V，通过流速V来换算成流体的体积流量Q，其关系为21式（21）中，S流通面积。超声流量计按其计量的基本原理来分，可以分为多普勒法、传播时间法、互相关法、超声波束偏移法、噪声法等。目前广泛用于工业现场的是基于多普勒法和传播时间法的超声流量计。传播时间法的基本原理是利用超声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系求取流速。又按测量具体参数不同，分为时差法、相差法和频差法1213。目前所使用得最广

18、泛的是时差法超声波流量计，本课题也采用时差法，其测量原理具体介绍如22节所示。22时差法超声流量计的原理时差法是利用超声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的1415。图21时差法超声流量计测量原理时差法的测量原理如图21所示，换能器1向换能器2发射超声波信号，这是顺流方向，其传播时间为（24）反之，为逆流方向，其传播时间为（25）式（24）和（25）中，信号在换能器及硬件电路中的延迟时间。所以顺流与逆流的传播时间差为（26）又因常见液体中超声波的速度要大于1000M/S,而液体流速一般小于10M/S,即CV，所以SVQCOSCLT1VCOSCLT2V22

19、212COSCCOS2LVTVTT5（27）这样，可知流体流速为（28）由于C、L、均为常数，则测得时差T，即可求出流体的流速V。继而可求出流体的流量为（29）式（29）中，D管道的直径。23超声波传播时间测量技术研究由时差法超声波流量计的基本原理可以看出，时差法超声波流量计的测量精度与超声波传播时间的准确测量有着密切关系。只有在既能稳定、准确地测量传播时间，又能有效地对顺、逆流的传播时间差进行计算的前提下，才能谈得上测量精度。所谓超声波的传播时间，应该是指从发射信号的开始时间起，到接收换能器接收波形的起振点止，两者之间的这段时间。231常用时间测量技术目前常用的时间测量方法主要有两种，第一种

20、就是脉冲计数法，一般利用锁相环原理，搭建电路来实现，故也称为锁相环路法另外一种就是直接利用计时芯片进行测量的方法16。以前脉冲计数法是流量检测等仪器仪表中最常见的计时方法，该方法测时的分辨率直接决定其测量精度。通常情况下，为了提高测时分辨率，只能不断地提高计时脉冲的频率，对于超声波流量计，要求测时精度达到纳秒级，则相应的计时脉冲的频率必须达到GHZ量级以上，非常难以实现。另外，近几年随着IC技术的发展，利用CMOS加工工艺制作的高精度测时芯片，直接利用它们开发产品，已经成为许多厂家的首选方案。TDCGP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代产品，其内部结构如图22所示。它具有更高的精度和更小的

21、封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。GP2具有高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。232TDCGP2计时芯片17本课题选用TDCGP2计时芯片来完成传播时间的测量，以下对TDCGP2计时芯片进行较全面的介绍。该芯片内部结构如图22所示，主要由SPI四线通信接口、触发脉冲发生器、时间测量模块TDC、控制单元、ALU以及时钟校准等模块构成。V2C2LCOSTTC2LCOSV2TLDCSVCOS8Q226图22TDCGP2的内部结构TDCGP2芯片的主要参数如下QFN32脚封装I/O电压18V55VCORE电压

22、18V36V最大1MHZ的连续数据输出率温度范围40125TDCGP2提供了两种时间测量范围，分别为测量范围1双通道，典型分辨率可达50PSRMS测量范围018US间隔脉冲对分辨能力为15NS，每个通道可进行4次采样可测量4次采样中任意2个采样之间的时间间隔输入信号可以选择上升沿/下降沿单独触发，或者上升沿和下降沿同时触发停止信号使能窗口可提供准确的STOP使能测量范围27单通道，典型分辨率可达50PSRMS测量范围500NS4MS间隔脉冲对分辨能力为两个校准时钟周期，可进行3次采样输入信号可以选择上升沿/下降沿单独触发，或者上升沿和下降沿同时触发3次采样中分别由三个去噪声窗口过滤SPI通信接

23、口TDC_GP2和单片机的通信是通过4线的SPI（串行外围设备接口）进行的，SPI是一种同步串行接口，其硬件功能很强，与SPI相关的软件相当简单，令使CPU有更多的时间去处理其他的事务，该接口的读写时序图如图23所示，其时序特性参数如表21所示。TSUSSNTPWHTPWLTPWSSNTHSSNMSBLSBTSUDTHDSSNSCKSIA写时序TSUSSNTPWHTPWLTPWSSNMSBLSB61TSUDTHDMSBLSB221TVDOPCODEDATASSNSCKSISOB读时序图23SPI的读写时序表21时序特性参数描述MINVIO单位20V25V33VTSUSSN建立SSN有效锁存时间

24、204010NSTPWH时钟高电平脉宽502520NSTPWL时钟低电平脉宽505050NS8TPWSSN在2个写周期的SSN脉宽503020NSTHSSNSCLK下降沿后SSN持续时间704025NSTSUDSCLK下降沿之前数据建立时间1055NSTHDSCLK下降沿之前数据持续时间1055NSMAXVIO18V25V33VTVDSCLK上升沿后数据有效时间302016NS触发脉冲发生器触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可以调节设置的脉冲序列，该脉冲序列可以作为发送换能器发送超声波的激励信号。外部高速晶振频率可以作为基本频率，这个频率可以进行分频，可以自由产生115个脉冲序列，序列

25、中的每个脉冲都可以通过配置写寄存器0自由改变其相位，可以通过操作指令来激发脉冲发生器工作，触发脉冲发生器提供FIRE1和FIRE2两个脉冲序列，每个脉冲序列都有48MA的驱动能力，若两个脉冲序列并行输出可达到96MA的驱动能力。触发脉冲发生器产生脉冲序列的原理如图24所示，最终脉冲序列的输出频率FFIRECLK2为211NCLKHS_DIV105PHASESHIFT1MPHASEGENERATOR脉冲发生器CLKHSFIRE1FIRE2FFIRECLK1FFIRECLK2DIV_FIREFREQUENCYDOUBLINGDIS_PHASESHIFTPHASE_FIRECONF_FIRE图24触

26、发脉冲发生器原理图图34中，CLKHS为高速时钟晶振产生的频率，CLKHS_DIV为CLKHS的分频系数，FFIRECLK1为脉冲发生器的输入频率，FFIRECLK2为脉冲发生器的输出频率，DIS_PHASESHIFT为是否激活相位移相功能，DIV_FIRE为内部基准时钟的分频因数，PHASE_FIRE为对脉冲进行相位的反转，CONF_FIRE为脉冲触发器的输出设置。时间测量模块数字TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。图25显示了这种测量绝对时间TDC的主要构架。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。芯片能获得的

27、最高测量精度基本上由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间决定。在测量范围2下，的高速单元并不会测量整个时间间隔，仅仅测量从START或STOP信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间（FC1与FC2），在两次精密测量之间，记下基准时钟的周期数（CC），如图26所示。GP2的最小分辨率是65PS，RMS（方均根）噪音大约是50PS（07LSB）。温度和电压对门电路的传播延迟时间有很大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和1_212FIREDIVFFFIRECLKFIRECLK9电压变化而引起的误差。在测量范围2中由于测量结果是精确测量值和粗略测量值的总和。因此必须进行校准。在校准期间，TDC分

28、别测量一个和两个基准时钟周期（CAL1与CAL2）。则最后得到的时间间隔为22图25TDC计时模块结构图26TDC的时间间隔测量原理时钟校准TDCGP2芯片的时钟部分有32768KHZ和一个4MHZ的振荡器，高速时钟用于测量范围2中作为TDC测量单元的前置配器，作为测量范围2中时间测量的一部分，而32768KHZ时钟作为内部的定时器。由于高速晶振的成本比较低、启动比较快，但是误差比较大，并且带有明显的温漂，所以TDC以32768KHZ作为基准，对高速晶振进行校准。24本章小结本章对时差法超声波流量计就以下两个方面进行了论述对时差法超声流量计的测量原理进行了介绍；通过对高精度计时芯片TDCGP2

29、的分析，决定采用该芯片来完成传播时间测量的任务。3硬件系统设计12212CALCALFCFCCCTREFTIMECLKHSDIV1031硬件系统总体结构本课题设计的时差法超声波热流量计量表系统要求能够测量时差信号并能实现智能化处理和操作，根据时差法的测量原理，选用了专用数字时间转换芯片TDCGP2，以及超低功耗16位单片机MSP430F449IPZ芯片。充分利用了TDCGP2的高精度传播时间测量和内置的触发脉冲发生器的功能，发挥了MSP430较强的运算与处理能力、超低的功耗及丰富的片上外围设备等优点。本课题的系统结构如图31所示，包括超声信号驱动电路模块、收发切换模块、计时模块、液晶显示模块等

30、，通过对整个系统的调试，可以实现对流体的流速与流量的测量。MSP430单片机TDCGP2计时芯片收发切换模块信号处理模块液晶显示模块电源模块换能器1换能器2图31系统结构框图MSP430单片机是整个系统的核心部分，对整个系统起控制的功能。收发切换模块是用来切换驱动信号和接收信号的。时差法超声流量计需要测量顺流传播时间和逆流传播时间，两个传播时间的测定需要换能器1与换能器2交替作为发射换能器和接收换能器。通过该切换模块可以实现两换能器在发射换能器和接收换能器的切换，从而可以测量超声波信号在流体中的顺逆流传播时间。信号处理模块对接收换能器的信号进行处理，得到稳定的超声波信号，选出可靠的STOP信号

31、。计时芯片模块是实现对顺逆流时间的准确测定，从而在单片机中可以准确计算出时间差。当由GP2的脉冲发生器产生驱动信号驱动发射换能器发射超声波信号时，计时模块的计时开始，超声波信号经过流体到达接收换能器，GP2得到STOP信号，计时结束。电源模块为系统中的各个芯片提供电源，包括有单片机电源（32V）及其他各个芯片的电源（VCC）。液晶显示模块显示当前的流体流速、流量信息以及其他信息，是人机交互的一个界面。而键盘则是用于切换液晶显示的内容。32单片机模块1920单片机是整个系统的功能核心，它通过定时器的中断功能协调、控制整个系统的各个功能模块的运行时序，依次完成流量的测量、计算，以及最终的数据显示功

32、能，本课题选择MSP430系列的单片机作为系统的微处理器，该系列单片机是TI公司推出的一种超低功耗的16位工业级微处理器1120，其主要优点有（1）超低功耗MSP430单片机的电源采用1836V，因此可以锂电池供电，待机电流小于1UA，在RAM数据保持方式时耗电仅01UA，在活动模式时耗电250UA/MIPS（MIPS每秒百万条指令数），I/O输入端口的漏电流最大为50NA。具有5种低功耗模式（LPM0LPM4），可以实现超低功耗的性能。（2）强大的处理能力MSP430为16位的微处理器，采用RSIC的结构，具有丰富的寻址方式、间接的指令以及大量的寄存器。处理速度很快，另外采用了硬件乘法器，这

33、样大大提高了微处理器的运算速度。（3）丰富的片上外设资源MSP430具有丰富的外设资源，这就可以大大的简化电路。例如定时器、FLASH存储单元、液晶驱动模块、看门狗、A/D转换器、模拟比较器等等。（4）系统工作稳定MSP430在上电复位后，DCOCLK自动启动作为系统主时钟，以保证程序从正确的位置开始执行，保证外接晶振有足够的起振及稳定时间。然后通过软件设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。在微处理运行发生故障时，DCOCLK会自动启动，以保证系统的正常运行。33计时芯片模块本课题选用了集成芯片TDC_GP2来测量超声波在流体中传播的顺逆流时间，采用测量范围2进行时间测量。使用脉冲

34、发生器的FIRE1向发送换能器发送激励脉冲，同时将FIRE1与START引脚相连，即当发送激励脉冲时，计时芯片即开始计时。STOP信号是通过了信号处理选取产生出合适的STOP信号所得到的。SSN、SCK、SI及SO作为SPI接口与单片机相连接。本课题计时模块部分的电路原理如图32所示。FIRE1STOP1SSNSCKSISOSSNSCKSISOEN_STARTEN_STOP1CLK32INACLK32768HZXINXOUTMSP430FIREINENSTOP2STOP2R1C1C2VCCGP2TDCGP2STARTSTOPSTART图32计时模块电路原理图34电源模块本系统综合考虑硬件电路所

35、选用的所有芯片对工作电压的要求，选定系统工作电压为33V的12VCC，由一节36V锂电池经过一个33V的稳压芯片后即可提供。由于单片机为整个系统的核心，其电源要始终供应，因此选择36V的电压经一个肖特基二极管后作为单片机的电源（大约为32V），而其他芯片的电源则共用一个33V的VCC。本课题考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能和纹波小等特征，另外也考虑到系统低功耗等特点，因此该硬件系统的电源部分采用TI公司的MC78PC33芯片来实现稳压功能，该芯片可以输出150MA的电流，可以满足系统的电流要求，另外芯片具有很小的封装，所以能比较有效的节省PCB的空间，电源模块电路的具体实现如图33所示。为

36、了使得输出33V电源的纹波比较小，在输出端采用了较大的微法级的电容，另外为了减小输入端受到的干扰，在芯片电源的输入端放置了一个100NF的滤波电容。锂电池36V32VA电池输出电压B单片机电源INENGNDOUT33VVCC36VENVCCCVCC电源图33电源模块原理图35超声波收发切换模块时差法超声流量计需要测量超声波信号在管道流体内传播的顺流时间和逆流时间，顺逆流时间的测得需要两个换能器交替成为发射换能器和接收换能器。出于节省电路资源和对称性的考虑，本课题只使用一个激励源和一个信号处理电路模块，这就需要使用模拟切换开关使激励源和信号处理电路分别和不同的换能器相连，从而达到两换能器依次作为

37、发射换能器和接收换能器的目的，这样在任意一个时刻，一个换能器为发射换能器，而另外一个则必定为接收换能器。本课题采用的模拟切换开关选用的型号为TS3A4415921，其主要特点是单电源供电，供电范围为16543V；导通时的电阻为045；带宽为35MZ；工作电流04UA；当IN0时，NC与COM相连；当IN1时，NO与COM相连。超声波收发切换原理图如图34所示。13NC1NO1NC2NO2NC3NO3NC4NO4COM1COM2COM3COM4IN12IN34GNDVCCVCCSS换能器UP换能器DOWNU宁波大学，20104斯小峰,赵宗政,曹辉祥等超声波流量计与孔板流量计的比较J自动化博览,2

38、006,23568705陈玲新型流量计仪表的应用和发展J传感器与微系统,2007,2668116郑玉龙,马福军浅谈气体超声流量计技术现状及应用前景J油气田地面工程,2001,20558597于文峰时差式超声流量计的研究与硬件电路实现学位论文哈尔滨哈尔滨工程大学，20088蔡武昌,孙淮清,纪纲流量测量方法和仪表的选用M,北京化学工业出版社,20019杨震基于超声波时差法管道流量计积分算法及实验研究学位论文西安西安理工大学,200610罗文毅,俞宁智能化超声波液体流量计的研制J自动化与仪表,2001,1632223,3211THNGUYEN,OKHRAKOVSKY,LSUITRANSDUCERDE

39、SIGNFORLIQUIDCUSTODYTRANSFERULTRASONICFLOWMETERINGIEEEULTRASONICSSYMPOSIUM,20071832183512邬金鹏时差式超声波流量计的应用技术企业科技与发展,201021617,2013胡天浩浅谈超声波流量计油气井测试,2003,124636514王秉仁,张雷,姜小丽超声波测速技术在流量测量中的应用矿山机械,2006,342777915郑鹏基于FPGA的时差法超声波流量计系统的设计与实现学位论文杭州浙江大学,200616鞠文涛超声波热量表的设计与研发学位论文杭州浙江大学，200817GERMANYACAMMESSELECTR

40、ONICGMBHTDC_GP2USERSGUIDEEB/OL，2007,01,11HTTP/WWWGALANTERU/MATRISA/OSNOWNYE/KOMPANIQ/WREMQCIFROWYE/TDCGP2/INDEXKHTML18李晶,莫德举基于改进时差法的超声流量计中国仪器仪表，2004121012,1519TEXASINSTRUMENTSMSP430X4XXFAMILYUSERSGUIDEEB/OL,2006,01,06HTTP/WWWDATASHEETCATALOGORG/DATASHEET/TEXASINSTRUMENTS/MSP430F449PDF20沈建华，杨艳琴MSP430

41、系列16位超低功耗单片机原理与实践M北京航空航天大学出版社，200821TEXASINSTRUMENTSTS3A44159USERSGUIDEEB/OL2007,03,182008,06,26HTTP/CNALLDATASHEETCOM/DATASHEETPDF/PDF/240248/TI/TS3A44159HTML22张涛,蒲诚,赵宇洋传播时间法超声流量计信号处理技术进展述评化工自动化及仪表,2009,3641723刘楠峰，王太平，谢倩浅析时差式超声流量计在大流量在线校准工作中的应用计量与测试技术,2010,3732829,313924梁鸿翔,王润田,周艳TDC超声流量计设计中的同频噪声处理

42、声学技术,2009,281293325段允,王让定,朱莹,姚灵一种抑制时差法超声流量计静态漂移的方法微电子学与计算机,2010,27820520926刘存,黄建军时差法超声波流量计的几点改进沈阳工业大学学报,2001,24211311527赫晓剑,杨述平,张连红仪器电路设计与应用M北京电子工业出版社,200728蒋树义单片机在超声波流量计中的应用研究工业计量,2000增刊20420529COMES,M,DRUMEA,P,BLEJAN,M,DUTU,I,VASILE,AULTRASONICFLOWMETERISSE200629THINTERNATIONALSPRINGSEMINARONELECT

43、RONICSTECHNOLOGY,1014MAY200638638930张梦,张辉高精度超声波流量计的设计J工业计量2010,203353731刘佰英管道超声波流量计研究学位论文沈阳东北大学,200532李广峰,刘昉,高勇时差法超声波流量计的研究电测与仪表,2000,379131933田晖,孙延祚时差法超声流量计的改进北京化工大学学报,1999,264586040附录附表1GP2写寄存器0各位的简单描述REG0位名称描述数值0NEG_START反向START输入0非反向输入，上升沿1反向输入，下降沿1NEG_STOP1反向STOP1输入0非反向输入，上升沿1反向输入，下降沿2NEG_STOP2

44、反向STOP2输入0非反向输入，上升沿1反向输入，下降沿3MRANGE2测量范围选择0测量范围；1测量范围4DISAUTOCAL在TDC中启动或停止自动校准功能0测量后自动校准1非自动校准5CALIBRATEALU中启动或停止自动校准计算0关闭（仅限测量范围）1启动6SELCLKT选择用于温度测量的内部周期时钟参考的信号032,768KHZ时钟1128CLKHS作为时钟周期用4MHZ高速时钟时为32S7FAKE温度测量开始时的热身测量循环次数02次17次8TCYCLE设置循环时间0128S循环时间1512S循环时间推荐9PORT设置测量温度的焊脚0个温度脚（PT1ANDPT2）14个温度脚10

45、11START_CLKHS开启高速振荡器0OSCILLATOROFF1OSCILLATORON2设置时间640微秒3设置时间1280微秒1213CLKHSDIV设置CLKHS的预划分器0除以11除以22除以43除以41415CALRES设置标定陶瓷振荡器周期的数目02PERIODS61035S14PERIODS12207S28PERIODS24414S316PERIODS488281S1619DIV_FIRE设置内布脉冲发生器时钟频率的除法因数0禁用1除以22除以33除以415除以162023FIRE设置脉冲发生器产生脉冲的数0关闭41目11个22个33个1515个附表2GP2写寄存器1各位的

46、简单描述REG1位名称描述数值07空（用来测试通信）810HITIN1在STOP通道1的预期脉冲数0关闭；11HIT22HITS；33HITS44HITS；57禁用1113HITIN2在STOP通道的预期脉冲数0关闭11HIT22HITS33HITS44HITS5TO7禁用14默认为115EN_FAST_INIT启动快速初始化功能0关闭功能1启动功能1619HIT1用于定义ALU前数据处理的计算方式MRANGE1HIT1HIT2MRANGE2HIT2STARTMRANGE10START11STOPCH122STOPCH133STOPCH144STOPCH15NOACTION6CAL1CH17C

47、AL2CH191STOPCH2A2STOPCH2B3STOPCH2C4STOPCH2MRANGE21START2023HIT2用于定义ALU提前数据处理的计算方式MRANGE1HIT1HIT2MRANGE2HIT2STARTMRANGE10START11STOPCH122STOPCH133STOPCH144STOPCH15NOACTION6CAL1CH17CAL2CH191STOPCH2A2STOPCH2MRANGE221STOPCH132STOPCH143STOPCH142B3STOPCH2C4STOPCH2附表3GP2写寄存器2各位的简单描述REG2位名称描述数值018DELVAL1为内部

48、的使能STOP脉冲而设的延迟时间，START通道1第1个脉冲。TREF的倍数，14位整数部分，5位小数部分DELVAL10TO163839687519RFEDGE1STOP1通道的边沿敏感性0上升或下降沿1上升和下降沿20RFEDGE2STOP2通道的边沿敏感性0上升或下降沿1上升和下降沿2123EN_INT利用或门启动不同的中断触发BIT23ALU中断触发位BIT22ENDHITS中断触发位BIT21TIMEOUT中断触发位附表4GP2写寄存器3各位的简单描述REG3位名称描述数值018DELVAL2为内部的使能STOP脉冲而设的延迟时间，START通道1第2个脉冲。TREF的倍数，14位整

49、数部分，5位小数部分DELVAL20TO16383968751920SEL_TIMO_MR2在测量范围2内为溢出选择预划分器34096MS21024MS1256S064S4MHZCLKHS21EN_ERR_VAL强迫ALU写入0XFFFFFFFF到结果寄存器0关闭1写入结果寄存器2223默认为0附表5GP2写寄存器4各位的简单描述REG4位名称描述数值018DELVAL3为内部的使能STOP脉冲而设的延迟时间，START通道1第3个脉冲。是TREF的倍数，14位整数部分，5位小数部分DELVAL3016383968751923默认为00100附表6GP2写寄存器5各位的简单描述REG5位名称描述数值015PHASE_FIRE对最多15个脉冲的脉冲序列0不尽行转相位43中的每个脉冲进行转相位1对脉冲进行移相位1618REPEAT_FIRE用于声环法的脉冲序列的重复次数0不重复11次重复22次重复77次重复19DIS_PHASENOISE噪声单元必须要被关闭1关闭移相单元设置为1是必须的20EN_STARTNOISE给脉冲触发器启动外加噪声1开启噪声单元2123CONF_FIRE脉冲触发器的输出设置BIT231反向输出F