CN106706055A - 智慧超声波气体流量测量芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智慧超声波气体流量测量芯片，包括智能检波模块，所述智能检波模块连接同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块；所述智能检波模块、同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块连接计算和逻辑运算单元；所述计算和逻辑运算单元连接压力传感器接口、温度传感器接口、通信接口和时钟驱动器；每个发射的脉冲可以编码和相位切换控制；每个脉冲触发有开关控可关闭，让脉冲触发可编码控制；每个脉冲触发有换向控制，可实现强噪声下的信号处理；换向脉冲发射。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量芯片，具体地说是一种智慧超声波气体流量测量芯片。
背景技术
在天然气的工业、商用、家用体积计量上主要是采用涡轮、罗茨、皮膜等流量计进行计量，这些流量计都是机械式的，有压力损耗和机械的磨损，另外计量精度和量程比上都有严重的不足，使用超声波时差法进行气体流量计量慢慢成为未来的主流。目前超声波气体流量计设计中需要多采用集成电路、运放、分列元器件组成，我们利用多年的研发经验，设计一个集成度高的超声波气体流量专用芯片，降低超声波气体流量计设计的一系列难度。基于此，本申请方案设计了一种新型的智慧超声波气体流量测量芯片。
发明内容
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种智慧超声波气体流量测量芯片，其中，具体技术方案为：
包括智能检波模块，所述智能检波模块连接同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块；所述智能检波模块、同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块连接计算和逻辑运算单元；所述计算和逻辑运算单元连接压力传感器接口、温度传感器接口、通信接口和时钟驱动器；
所述计算和逻辑运算单元连接发射编码调制模块，所述同步测量计时模块连接超声波发射驱动接口，所述发射编码调制模块连接超声波发射驱动接口，所述自动增益控制模块连接超声波发射驱动接口和超声波信号接收接口。
上述的智慧超声波气体流量测量芯片，其中：智慧超声波气体流量测量芯片中设置触发余震自动消除电路，K1和K4导通、K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K4断开，K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K3断开，K2和K4导通时，处于余振消除状态，为支持余振消除效果，K5和K6也处于导通状态。
上述的智慧超声波气体流量测量芯片，其中：所述压力传感器接口包括SCL控制线和SDA控制线，所述温度传感器接口包括RTD1数据线和RTD2数据线，所述通信接口包括RX数据线和TX数据线，所述时钟驱动器包括CLKIN数据线和CLKOUT数据线。
上述的智慧超声波气体流量测量芯片，其中：所述超声波发射驱动接口包括超声波发射驱动接口1和超声波发射驱动接口2，所述超声波信号接收接口包括超声波信号接收接口1和超声波信号接收接口2，所述超声波发射驱动接口1、超声波信号接收接口1设置Fi1接口，所述超声波发射驱动接口2、超声波信号接收接口2设置Fi2接口。
上述的智慧超声波气体流量测量芯片，其中：还包括超声波传感器公共端和电源管理端。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1)全桥脉冲触发可以实现相位换向发射；
2)发射和接收抗组自动变换，主动发射余振消除电路；
3)发射脉冲支持从1-16个数配置，每个脉冲都有两个配置参数；开启或者关闭，正脉冲或者负脉冲；
4)可以同时接收16个完整波形的上升和下降过零的时间数据，用户可以配置和读取使用，实现每个检测波形的宽度检测情况，并以此判断相位偏移情况和自动增益依据；
5)软式双自动增益控制，外环跟踪信号幅度、内环跟踪前三个接收波脉冲跨度。
附图说明
图1为智慧超声波气体流量测量芯片应用框图。
图2为智慧超声波气体流量测量芯片系统结构图。
图3为触发余震自动消除电路的示意图。
图4为脉冲触发开关控制的示意图。
图5为脉冲触发换向控制的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明提供了一种智慧超声波气体流量测量芯片，包括智能检波模块，所述智能检波模块连接同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块；所述智能检波模块、同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块连接计算和逻辑运算单元；所述计算和逻辑运算单元连接压力传感器接口、温度传感器接口、通信接口和时钟驱动器；
所述计算和逻辑运算单元连接发射编码调制模块，所述同步测量计时模块连接超声波发射驱动接口，所述发射编码调制模块连接超声波发射驱动接口，所述自动增益控制模块连接超声波发射驱动接口和超声波信号接收接口。
智慧超声波气体流量测量芯片中设置触发余震自动消除电路，K1和K4导通、K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K4断开，K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K3断开，K2和K4导通时，处于余振消除状态，为支持余振消除效果，K5和K6也处于导通状态。
所述压力传感器接口包括SCL控制线和SDA控制线，所述温度传感器接口包括RTD1数据线和RTD2数据线，所述通信接口包括RX数据线和TX数据线，所述时钟驱动器包括CLKIN数据线和CLKOUT数据线；所述超声波发射驱动接口包括超声波发射驱动接口1和超声波发射驱动接口2，所述超声波信号接收接口包括超声波信号接收接口1和超声波信号接收接口2，所述超声波发射驱动接口1、超声波信号接收接口1设置Fi1接口，所述超声波发射驱动接口2、超声波信号接收接口2设置Fi2接口；另外，本智慧超声波气体流量测量芯片还包括超声波传感器公共端和电源管理端。
本申请方案提供的智慧超声波气体流量测量芯片主要功能为：
1)编码发射超声波脉冲信号；
2)超声波信号回波信号处理，并测量多个完整接收波的所有过零触发点时间。
本申请方案提供的智慧超声波气体流量测量芯片技术创新点为：
1)全桥脉冲触发可以实现相位换向发射；
2)发射和接收抗组自动变换，主动发射余振消除电路；
3)发射脉冲支持从1-16个数配置，每个脉冲都有两个配置参数；开启或者关闭，正脉冲或者负脉冲；
4)可以同时接收16个完整波形的上升和下降过零的时间数据，用户可以配置和读取使用，实现每个检测波形的宽度检测情况，并以此判断相位偏移情况和自动增益依据；
5)软式双自动增益控制，外环跟踪信号幅度、内环跟踪前三个接收波脉冲跨度。
如附图1所示的智慧超声波气体流量测量芯片应用框图，超声波模块能够发射超声波信号并处理接收信号，计算出顺向声时和逆向声时，然后根据流道的面积计算出流量，超声波同时可以采集温度和压力传感器的信号计算出温度值和压力值。超声波模块把采集的流量值、温度值、压力值通过UART接口传输个MCU，MCU进行计算等到标况流量，并且进行标况气体的累积。
如附图2所示的智慧超声波气体流量测量芯片系统结构图，模块原理和特点为：
1)发射超声波编码信号，增加接收的信号的辨识度，保证在大流速下，信号可靠接收并可靠识别；
2)脉宽锁定的自动增益调理电路，确保在接收信号的稳定性，以及压力变化下信号的准确性；
3)16个上下边沿同时检波，能够跟踪和锁定脉宽且可以判断脉宽的梯度变化率；
4)高流速进入双包络检波，同时采用微分拐点的方法，确保可以锁定两次包络的峰值，然后确定包络波谷的位置；
5)智能计数器，可以实时发射脉冲同步、接收信号的同步，确保时间测量的精确性。
每个发射的脉冲可以编码和相位切换控制；每个脉冲触发有开关控可关闭，让脉冲触发可编码控制；每个脉冲触发有换向控制，可实现强噪声下的信号处理；换向脉冲发射，接收信号如附图3所示；
如附图4所示，触发余震自动消除电路，K1和K4导通、K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K4断开，K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K3断开，K2和K4导通时，处于余振消除状态，为了支持余振消除效果，K5和K6也处于导通状态。
发射和接收抗阻匹配：发射时希望所有能量叠加到换能器上，K5和K6处于导通状态，此时接收的差分放大完全切除状态；接收状态时，K5和K6都断开，换能器成为信号源，差分放大器成为负载。此时换能器阻抗和发射发生了大的变化。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种智慧超声波气体流量测量芯片，其特征在于：包括智能检波模块，所述智能检波模块连接同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块；所述智能检波模块、同步测量计时模块、接收解调模块、信号处理模块和自动增益控制模块连接计算和逻辑运算单元；所述计算和逻辑运算单元连接压力传感器接口、温度传感器接口、通信接口和时钟驱动器；
所述计算和逻辑运算单元连接发射编码调制模块，所述同步测量计时模块连接超声波发射驱动接口，所述发射编码调制模块连接超声波发射驱动接口，所述自动增益控制模块连接超声波发射驱动接口和超声波信号接收接口。
2.如权利要求1所述的智慧超声波气体流量测量芯片，其特征在于：智慧超声波气体流量测量芯片中设置触发余震自动消除电路，K1和K4导通、K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K4断开，K3和K2断开时，发射正脉冲；K1和K3断开，K2和K4导通时，处于余振消除状态，为支持余振消除效果，K5和K6也处于导通状态。
3.如权利要求2所述的智慧超声波气体流量测量芯片，其特征在于：所述压力传感器接口包括SCL控制线和SDA控制线，所述温度传感器接口包括RTD1数据线和RTD2数据线，所述通信接口包括RX数据线和TX数据线，所述时钟驱动器包括CLKIN数据线和CLKOUT数据线。
4.如权利要求3所述的智慧超声波气体流量测量芯片，其特征在于：所述超声波发射驱动接口包括超声波发射驱动接口1和超声波发射驱动接口2，所述超声波信号接收接口包括超声波信号接收接口1和超声波信号接收接口2，所述超声波发射驱动接口1、超声波信号接收接口1设置Fi1接口，所述超声波发射驱动接口2、超声波信号接收接口2设置Fi2接口。
5.如权利要求4所述的智慧超声波气体流量测量芯片，其特征在于：还包括超声波传感器公共端和电源管理端。
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