1、毕业设计开题报告电气工程与自动化单通道时差法超声流量计研发（软件部分）一、选题的背景与意义由于目前国内大部分的流量计是用传统的机械式接触式测量法，但是接触式流量流速测量具有十分明显及普遍的缺点6受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以检测到强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大带来制造和运输上的困难，关键是造价的提高、使用能量损耗的加大、安装维护困难等因素使得厂家们与顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环境或材料等因素对测量的影响。超声波流量计相比于其他的传
2、统型流量计有着明显优势51。它属于非接触式测量类型仪器，超声波在流动的流体中传播时就能获取流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而可以换算成流量。超声波的特性使得超声波流量计几乎不受被测流体的温度、压力、粘度、密度等参数的影响，由于其非接触的特性使其可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。超声波流量计更适用于测量不易接触和观察的流体以及大管径管口的流量。使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线的运行因而是一种理想的节能型流量计。另外，鉴于非接触测量
3、的特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。它的适应能力也是其它仪表不可比拟的。具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现国内已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。并且其相对造价大概是传统流量计的十分之一，这对于商业上来说前景十分广泛，所以厂家及用户对非接触式的超声波流量测量计的研究力度和资金的投入不断加大，使得超声波流量计的发展十分迅速。近几年我国政府推广和谐社会，其中就有提到可持续发展。我国是个人口大国，淡水资源人均占有量仅为世界水平的1/4，并且仍存在着极大的资源浪费。
4、所以，我国急需提高水计量的精确性、可靠性以及方便性，同时也要响应节能减排的号召尽量减少能耗。超声波流量计完全可以胜任。随着西气东输工程发展以及从俄罗斯等国铺设石油管道的需要。超声流量计在气体管道以及石油管道方面的应用也会越来越多。为此本课题的主要目的在于研究及开发一种有着良好的精度同时功耗又不是很高的超声流量计。也希望通过对本课题的研究能够为计量行业做出一些绵薄的贡献。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题（一）、研究的基本内容1、软件滤波克服超声波信号接受过程中受到的噪声干扰，同时由于接受时信号的强度不是一定的所以必须选择一种能够准确接受到超声波信号的方法，并且在出现偏差时用软件进行补偿。2、
5、数字滤波经过模拟电路滤波之后将再使用二级数字滤波使数据更精确。3、电源电压监控电压过低时进行报警同时将当前寄存器中数据存入FLASH中，上电复位之后再取出。4、低功耗的研究研究MSP430的各种低功耗模式，以及在保证精度的前提下减少测量次数以减少功耗。（二）、拟解决的主要问题1、数字滤波及平均值方法的研究在提高测量精度的同时减少测量次数使功耗及精度都达到一个预期的目标。2、瞬时流量整定本课题采用单通道超声波，故无法测取流速剖面图17，所以采用标准值标定。3、在液体不流动时往往上下游时差不为零，所以要先测得系统的零点的位置，拟采用零点校准法15。4、如何准确的接收到超声波信号，保证上下游的时差值
6、的准确性。若时差太大说明信号接受出现问题需要软件补偿，拟采用过零点阈值法11。三、研究的方法与技术路线系统简单的主要结构通过调研，本课题的计时芯片选用了德国ACAM公司的高精度计时芯片第二代产品TDCGP216。它具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。TDCGP2具有高精度时间测量单元，高速脉冲发生器，接收信号使能，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。这款芯片利用现代化的纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到65PS的精度，给超声波流量测量及其相关产品的时差测量提供了完美的解决方案。本课题使用的单片机是MS
7、P430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器MIXEDSIGNALPROCESSOR。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。本课题选用MSP430最主要的目的就是为了减少功耗。软件系统结构框图如下图主程序显示及按键模块通讯模块辅助模块初始化模块中断服务模块测量模块计算模块I/
8、O口中断定时器中断收发中断传播时差测量累积流量计算瞬时流量计算（1）、主程序模块主程序模块的主要功能是对各个模块进行协调处理并完成一些对单片机及外部电子器件的初始化设置，读取存储设备原有数据并显示给操作人员，接着按初始数据计算各参数，然后进入低功耗状态等待响应中断服务子程序。（2）、中断服务模块软件系统的中断服务模块控制着整个系统的工作时序，通过定时器的定时功能来分配流量表各功能模块的执行时间，通过给各功能模块的软件标志位置位来激活该模块。中断服务模块主要包括PL口中断、定时器T0和T1中断、基本定时器中断等。（3）、测量模块本课题设计的超声波流量计的流量信号检测功能主要是由TDCGP2芯片来
9、完成的，该芯片具有运算器ALU、控制器CU、寄存器以及数据处理等功能模块，通过内部总线集成在一块硅片上，因为它缺少一个自带的内部中央处理单元CPU，所以如何利用外部微处理器实现对它的控制成为一个重要解决内容，而单片机与TDCGP2之间主要是通过软件来实现主从机之间的控制与数据传输功能的。本课题中单片机与TDCGP2之间将采用SPI通信。（4）、显示及按键模块本课题设计的热量表能够显示瞬时流量、累计流量以及日期，并可通过按键设置日期。本课题的按键采用中断方式查询。（5）、系统低功耗设计1512由于超声流量计在要求安装方便，能够长期自动稳定地工作，所以使用市电给流量计提供电源是不可取的，不能因为停
10、电就停止测量，否则就需要蓄电池组和充电电路，是整个系统变得较为复杂。本课题所设计系统采用电池供电，为了使整个系统能够更换一次电池连续工作3年以上，就必须考虑采用低功耗设计手段，因此，低功耗设计是超声流量计研制成功与否的关键。软件设计作为系统开发的一个重要部分，实现其低功耗设计对降低系统功耗具有十分重要的作用。本系统拟在主程序完成初始化设置以后便进入LPM3模式使CPU处于休眠状态，等待定时器中断唤醒进入相应的功能模块，执行相应的功能之后再次进入LPM3状态。由于有的时候被测流量变化不是很大，在不影响流量测量精度的前提下，可以适当增大流量测量的周期，以减少测量次数降低功耗。在程序运行过程中，当一
11、些外围器件不需要时，利用单片机控制相应的电源开关，以停止向其供电。四、研究的总体安排与进度2010年11月至2010年12月完成文献查找、文献翻译、撰写开题报告和文献综述。2010年12月至2011年01月熟悉并掌握MSP430单片机的工作原理及其特点，学习TDCGP2芯片的测试原理及特点以及应用。2011年01月至2011年02月实习阶段，完成实习任务，递交实习报告。2011年02月至2011年04月结合硬件完成并实现设计任务，验证设计的有效性和正确性。2010年5月后毕业设计资料整理，撰写毕业设计论文。提交毕业设计论文，准备并参加毕业设计（论文）答辩。五、主要参考文献【1】、李明伟，丁利晶
12、，黄升秀一种夹装式超声多普勒流量计【M】国内科技200144344页【2】、梁国伟，蔡武昌流量测量技术及仪表北京机械工业出版社【M】200212页【3】、王庆，李爱华，苟阳明超声相关微流量计研究仪器与仪表【M】200341112页【4】、王宇波基于MSP430MCU低功耗超声流量计【J】电子测量技术2004（4）【5】、周玉明方便准确的非接触式超声流量计【J】华北电力技术，1991（6）【6】、王踏平超声波流量计的发展历史传感技术学报【J】，2008（11）【7】、林锦实检测技术及仪表【J】电气自动化2008128158【8】、徐科军传感器与检测技术【M】电子工业出版社2008115117【9
13、】、宋文绪，杨帆传感器与检测技术【M】高等教育出版社2004154157【10】、梁鸿翔，王润田，周艳TDC超声流量计设计中的同频噪声处理【J】声学技术2009（1）【11】、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【R】宁波大学信息学院2009【12】、李晶，莫德举基于改进时差法的超声流量计【J】中国仪器仪表2004（12）【13】、冯卫，宋磊，孙宏伟国产气体超声流量计在输气管道上的应用及发展前景石油规划设计【J】，2009（2）2326【14】、陈斌，周广法提高超声流量计测量精度的探讨【J】中国化工装备2002（2）【15】、刘存，魏永广，窦曦光提高超声流量计性能的
14、方法【J】沈阳工业大学学报1999（2）【16】、ACAMMESSELECTRONICULTRASONICFLOWMETERINGWITHTDC【R】USA1999【17】、EMANDARD,DKOUAME,RBATTAULT,JPREMENIERASANDFPATATTRANSITTIMEULTRASONICFLOWMETERVELOCITYPROFILEESTIMATION【J】UNIVERSITEFRANCOISRABELAISLUSSIUSA2005【18】、鞠文涛超声热量表的设计与研发【D】杭州浙江大学，2008【19】、刘成强时差式超声流量计的研究与软件实现【D】哈尔冰哈尔冰工程大学，2008【20】、黄永峰时差式超声流量计新测量方法的设计与实现【D】哈尔冰哈尔冰工程大学，2007
