CN104242873B - 一种超声波回波占空比测量电路及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声波回波占空比测量电路及其测量方法，本发明提供一种超声波回波占空比测量电路，包括回波计数器U0，其特征是：所述回波计数器U0的CLK输入口连接外部回波脉冲ECHO，所述回波计数器U0连接环形振荡器U3，所述环形振荡器U3分别连接下降沿检测器U1、锁存器U2和高速计数器U4,所述下降沿检测器U1的D输入口连接外部回波脉冲ECHO，所述高速计数器U4连接所述锁存器U2和除法器U5，所述锁存器U2连接所述除法器U5。本电路没有增加外部高速时钟，而是采用了电路内部产生高速时钟的方案，即使环形振荡器的时钟会随电压温度等因素变化，也不会对本电路的测量精度造成影响，非常适于在集成电路内部实现。
Description
技术领域
本发明涉及超声波流量测量领域，具体的讲，涉及一种超声波回波占空比测量电路及其测量方法。
背景技术
超声波流量测量采用声学原理测定流过管道的流体流速：将一对超声波换能器安装在流量管道壁上，在流量测量过程中，线路板上的元件对发射换能器施加激励信号使其产生超声波，接收换能器收到信号后将其转换为电信号，测量电路可以记下从发射到接收的时间，根据开普勒效应的原理，顺流和逆流状况下超声波的传播速度会发生变化，利用测量到的顺逆流时差即可计算得到流体的速度。实际应用中，超声波回波并非理想的正弦波，尤其是最前面几个波形，转换为方波后，也并非占空比50%的方波，且换能器在使用过程中会出现老化、结垢等现象，直接导致波形的幅值逐渐变弱，根据实验，舍掉最前面不稳定的波形，利用幅值稳定的几个波会得到比较好的测量结果，而回波的占空比是判断超声波稳定程度的重要依据，在一般的热量表中，超声波回波的频率为1MHz，这意味着要用100Mhz的时钟进行测量才能够得到精度1%左右的占空比，但实际热量表中一般不会提供这么高频率的时钟源，为解决这个问题，本发明提供了一种超声波回波占空比测量电路及其测量方法。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种超声波回波占空比测量电路及其测量方法，避免了电压温度等因素变化对电路测量的影响。
本发明采用如下技术手段实现发明目的：
一种超声波回波占空比测量电路，包括回波计数器U0，其特征是：所述回波计数器U0的CLK输入口连接外部回波脉冲ECHO，所述回波计数器U0连接环形振荡器U3，所述环形振荡器U3分别连接下降沿检测器U1、锁存器U2和高速计数器U4, 所述下降沿检测器U1的D输入口连接外部回波脉冲ECHO，所述高速计数器U4连接所述锁存器U2和除法器U5，所述锁存器U2连接所述除法器U5。
作为对本技术方案的进一步限定，所述回波计数器U0的EQ端口连接所述环形振荡器U3的OSC_EN端口。
作为对本技术方案的进一步限定，所述环形振荡器U3的CLK端口分别连接所述下降沿检测器U1的CLK端口、锁存器U2的CLK端口和高速计数器U4的CLK端口。
作为对本技术方案的进一步限定，所述下降沿检测器U1的Q端口连接所述锁存器U2的EN端口。
作为对本技术方案的进一步限定，所述高速计数器U4的CNT端口连接所述锁存器U2的D1端口。
作为对本技术方案的进一步限定，所述锁存器U2的DO端口连接所述除法器U5。
作为对本技术方案的进一步限定，所述高速计数器U4的CNT端口连接所述除法器U5。
一种超声波回波占空比测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）电路初始化；
（2）超声波回波信号ECHO以连续的高电平脉冲形式到来，回波计数器U0在ECHO脉冲上升沿驱动下进行每次加一的递增计数，当计数值等于N时，回波计数器U0的EQ输出端变为高电平，环形振荡器U3被使能，产生高速时钟信号提供给高速计数器U4、下降沿检测器U1、锁存器U2；
（3）高速计数器U4获得时钟后，在每个时钟上升沿进行加一的递增计数，计数值标记为CNT；
（4）下降沿检测器U1获得时钟后持续对回波信号ECHO进行采样，第N个ECHO脉冲由高电平变为低电平后，回波信号ECHO的下降沿被检测到，U1的Q端输出一个周期的高电平，作为锁存器U2的锁存使能信号，高速计数器U1的当前计数值CNT被锁存，作为除法器U5的除数；
（5）第N+1个ECHO脉冲上升沿后，回波计数器U0的EQ端变为0，环形振荡器U3的使能信号EN变为无效，U3的CLK不再输出时钟信号，高速计数器U4计数停止，当前的计数值CNT作为除法器U5的被除数；
（6）除法器U5将锁存器U2的锁存值与高速计数器当前的计数值相除，得到的商即为第N个回波脉冲的占空比，标记为DUTY。
作为对本技术方案的进一步限定，回波计数器U0计数值清零，高速计数器U4计数值清零，下降沿检测器Q端清零，电路输入N设置完毕，代表期望测量第N个脉冲的高电平占空比。
与现有技术相比，本发明的本发明的优点和积极效果是：本电路没有增加外部高速时钟，而是采用了电路内部产生高速时钟的方案，即使环形振荡器的时钟会随电压温度等因素变化，也不会对本电路的测量精度造成影响，非常适于在集成电路内部实现。
附图说明
图1为本发明优选实施例的结构方框图。
图2为本发明优选实施例中部分关键信号的工作波形图。
具体实施方式:
下面结合实施例，进一步说明本发明。
参见图1和图2，本发明包括回波计数器U0、下降沿检测器U1、锁存器U2、环形振荡器U3、高速计数器U4、除法器U5，所述回波计数器U0的CLK输入口连接外部回波脉冲ECHO，ECHO为超声波信号整形后输出的方波，采用现有技术获得，在此不再赘述，回波计数器U0内部计数器对ECHO的上升沿进行计数，当计数值达到预置数N时，U0将输出EQ置为高电平，其他情况下为低电平；所述环形振荡器U3的输入OSC_EN连接所述回波计数器U0的EQ输出，当环形振荡器U3的OSC_EN为高电平时，环形振荡器U3的CLK端输出时钟脉冲；所述高速计数器U4的时钟输入CLK连接所述环形振荡器U3的CLK输出，高速计数器U4对CLK上升沿进行计数，CNT为计数结果输出；所述下降沿检测器U1的输入时钟CLK连接所述环形振荡器的输出时钟CLK，下降沿检测器U1的检测输入信号D来自外部ECHO信号，下降沿检测器U1的输出Q连接所述锁存器U2的使能信号EN，下降沿检测器U1检测到ECHO由高变低后，输出端Q输出持续一个CLK时钟周期的高电平；所述锁存器U2的锁存时钟连接环形振荡器U3的时钟输出CLK，锁存器U2的锁存信号使能EN连接下降沿检测器U1的Q端，锁存器U2的数据输入DI连接高速计数器U4的CNT输出，锁存器U2的锁存数据在DO端口输出；所述除法器U5的被除数端口连接所述锁存器U2的DO端，除法器U5的除数端口连接到所述高速计数器U4的CNT端口，除法器的商直接输出，作为回波信号占空比，标记为DUTY。
本技术方案还提供了一种超声波回波占空比测量方法，包括以下步骤：
（2.1）电路初始化：回波计数器U0计数值清零，高速计数器U4计数值清零，下降沿检测器Q端清零，电路输入N设置完毕，代表期望测量第N个脉冲的高电平占空比。
（2.2）超声波回波信号ECHO以连续的高电平脉冲形式到来，回波计数器U0在ECHO脉冲上升沿驱动下进行每次加一的递增计数，当计数值等于N时，回波计数器U0的EQ输出端变为高电平，环形振荡器U3被使能，产生高速时钟信号提供给高速计数器U4、下降沿检测器U1、锁存器U2。
（2.3）高速计数器U4获得时钟后，在每个时钟上升沿进行加一的递增计数，计数值标记为CNT。
（2.4）下降沿检测器U1获得时钟后持续对回波信号ECHO进行采样，第N个ECHO脉冲由高电平变为低电平后，回波信号ECHO的下降沿被检测到，U1的Q端输出一个周期的高电平，作为锁存器U2的锁存使能信号，高速计数器U1的当前计数值CNT被锁存，作为除法器U5的除数。
（2.5）第N+1个ECHO脉冲上升沿后，回波计数器U0的EQ端变为0，环形振荡器U3的使能信号EN变为无效，U3的CLK不再输出时钟信号；高速计数器U4计数停止，当前的计数值CNT作为除法器U5的被除数。
（2.6）除法器U5将锁存器U2的锁存值与高速计数器当前的计数值相除，得到的商即为第N个回波脉冲的占空比，标记为DUTY。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超声波回波占空比测量电路，包括回波计数器U0，其特征是：所述回波计数器U0的CLK输入口连接外部回波脉冲ECHO，所述回波计数器U0连接环形振荡器U3，所述环形振荡器U3分别连接下降沿检测器U1、锁存器U2和高速计数器U4, 所述下降沿检测器U1的D输入口连接外部回波脉冲ECHO，所述高速计数器U4连接所述锁存器U2和除法器U5，所述锁存器U2连接所述除法器U5。
2.根据权利要求1所述的超声波回波占空比测量电路，其特征是：所述回波计数器U0的EQ端口连接所述环形振荡器U3的OSC_EN端口。
3.根据权利要求1所述的超声波回波占空比测量电路，其特征是：所述环形振荡器U3的CLK端口分别连接所述下降沿检测器U1的CLK端口、锁存器U2的CLK端口和高速计数器U4的CLK端口。
4.根据权利要求1所述的超声波回波占空比测量电路，其特征是：所述下降沿检测器U1的Q端口连接所述锁存器U2的EN端口。
5.根据权利要求1所述的超声波回波占空比测量电路，其特征是：所述高速计数器U4的CNT端口连接所述锁存器U2的D1端口。
6.根据权利要求1所述的超声波回波占空比测量电路，其特征是：所述锁存器U2的DO端口连接所述除法器U5。
7.根据权利要求1所述的超声波回波占空比测量电路，其特征是：所述高速计数器U4的CNT端口连接所述除法器U5。
8.一种超声波回波占空比测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）电路初始化；
（2）超声波回波信号ECHO以连续的高电平脉冲形式到来，回波计数器U0在ECHO脉冲上升沿驱动下进行每次加一的递增计数，当计数值等于N时，回波计数器U0的EQ输出端变为高电平，环形振荡器U3被使能，产生高速时钟信号提供给高速计数器U4、下降沿检测器U1、锁存器U2；
（3）高速计数器U4获得时钟后，在每个时钟上升沿进行加一的递增计数，计数值标记为CNT；
（4）下降沿检测器U1获得时钟后持续对回波信号ECHO进行采样，第N个ECHO脉冲由高电平变为低电平后，回波信号ECHO的下降沿被检测到，U1的Q端输出一个周期的高电平，作为锁存器U2的锁存使能信号，高速计数器U1的当前计数值CNT被锁存，作为除法器U5的除数；
（5）第N+1个ECHO脉冲上升沿后，回波计数器U0的EQ端变为0，环形振荡器U3的使能信号EN变为无效，U3的CLK不再输出时钟信号，高速计数器U4计数停止，当前的计数值CNT作为除法器U5的被除数；
（6）除法器U5将锁存器U2的锁存值与高速计数器当前的计数值相除，得到的商即为第N个回波脉冲的占空比，标记为DUTY。
9.根据权利要求8所述的超声波回波占空比测量方法，其特征在于，所述步骤（1）包括如下初始化过程：
回波计数器U0计数值清零，高速计数器U4计数值清零，下降沿检测器Q端清零，电路输入N设置完毕，代表期望测量第N个脉冲的高电平占空比。
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