CN107478305A - 基于tdc7200与tdc1000的超声波燃气表测量装置 - Google Patents
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Abstract
基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，包括时间数字转换器TDC7200和超声波感测模拟前端TDC1000。时间数字转换器TDC7200连接超声波感测模拟前端TDC1000，超声波感测模拟前端TDC1000还连接激励脉冲升压电路，激励脉冲升压电路连接两个模拟开关，再分别连接两个超声波换能器。两个模拟开关还连接前置放大电路TSV992，前置放大电路TSV992连接超声波感测模拟前端TDC1000。微控制器MSP430F5438A连接时间数字转换器TDC7200。基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，降低超声波燃气流量测量成本以及提高流量测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及燃气测量装置领域，特别是基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置。
背景知识
传统的燃气表经过长时间的改进，技术较为成熟，但其结构复杂、体积大，超声波燃气表采用全电子式，无机械部分，不受机械磨损、故障影响，产品的可靠性和精度进步很多。体积小、重量轻、重复性好、使用寿命长、智能化。全电子式的结构，可以拓展其他功能，如无线抄表功能等。目前，超声波燃气表在我国才刚刚起步，各方面技术还不成熟，并且成本较高，因此并未大量推广使用。
发明内容
本发明的目的是针对目前燃气流量测量的需要，提出了基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，降低超声波燃气流量测量成本以及提高流量测量精度。
采用的技术方案是：
基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，包括时间-数字转换器TDC7200和超声波感测模拟前端TDC1000。
时间-数字转换器TDC7200连接超声波感测模拟前端TDC1000，超声波感测模拟前端TDC1000还连接激励脉冲升压电路，激励脉冲升压电路连接第一模拟开关和第二模拟开关，第一模拟开关连接第一超声波换能器，第二模拟开关连接第二超声波换能器。
第一模拟开关和第二模拟开关还连接前置放大电路TSV992，前置放大电路TSV992连接超声波感测模拟前端TDC1000。微控制器MSP430F5438A连接时间-数字转换器TDC7200。
HT7533电源给微控制器MSP430F5438A、时间-数字转换器TDC7200、超声波感测模拟前端TDC1000和前置放大电路TSV992提供工作电压。
采用时间-数字转换器TDC7200与超声波感测模拟前端TDC1000实现超声波飞行时间的测量。利用两个模拟开关ISL43140实现超声波发送信号通道与接收信号通道的切换，避免了电路非对称性误差。
通过微控制器MSP430F5438A编程控制TDC7200产生启动测量信号，触发TDC1000开始工作。在发送信号链路中，本装置中的超声波激励信号由TDC1000产生，再经过由ISL97519、TPS2811和2N7002构成的激励脉冲升压电路提高超声波发射信号的功率，经过两个模拟开关后驱动一个超声波换能器发射超声波信号。在接收信号链路中，另一个超声波换能器接收到超声波信号后，经过对应的模拟开关进入由高速运放TSV992构成的前端放大电路部分，超声波接收信号经过前端放大之后再进入由TDC1000构成的放大和滤波部分，在TDC1000内部的阈值比较器产生有效的超声波接收信号，最后由时间-数字转换器TDC7200计算测量超声波飞行时间，通过时差法测量流量，并通过外部中断方式通知微控制器MSP430F5438A处理超声波飞行时间数据，并通过液晶显示流量等信息。MSP430F5438A微控制器与时间-数字转换器TDC7200采用SPI协议通信，其内容主要初始化TDC7200配置寄存器、启动测量和读取时间值。在定时中断程序中实现模拟开关的切换以及TDC7200启动测量的控制，当接收到超声波接收信号时，TDC7200会以外部中断的方式提醒微控制器MSP430F5438A及时处理外部数据，在外部中断程序中读取TDC7200寄存器中的测量时间值并保存。
MSP430F5438A为TI公司的MSP430超低功耗单片机与超声波流量测量电路构成一个燃气流量测量装置。超声波流量测量电路包括高精度时间-数字转换器TDC7200、集成超声波感测模拟前端TDC1000、激励脉冲升压电路、两个高速模拟开关ISL43140和高速运放TSV992。
计时采用时间-数字转换器TDC7200，分辨率为55ps，可测量START脉冲与多个STOP脉冲之间的时间间隔（TOF），灵活选择最佳的STOP脉冲，提高测量精度。
超声波感测模拟前端TDC1000实现超声波激励信号的产生、超声波接收信号的滤波放大及阈值比较、START与STOP事件的产生。
在该测量电路中，采用双高速MOSFET驱动器TPS2811和场效应管2N7002提高了超声波激励信号的电压及功率。测量电路中采用高速模拟开关ISL43140实现超声波激励链路与超声波接收链路的切换，从而实现超声波上行与下行的时间测量。测量电路中的前端放大电路TSV992，在显示方面，该装置采用液晶显示相关流量、累计量及其他必要信息。
采用高精度时间数字-转换器TDC7200并配合超声波感测模拟前端TDC1000实现超声波飞行时间的测量。TDC7200支持两种12ns到500ns和250ns到8ms两种测量模式，分辨率为55ps，低功耗状态0.5μA，支持多个STOP脉冲时间测量。启动一次测量过程中，TDC1000先产生与超声波激励信号同步的脉冲信号，然后在接收到有效超声波接收信号时再产生接收脉冲信号，通过TDC7200测量上述脉冲之间的时间得到超声波飞行时间。针对超声波信号易受干扰的问题，系统计算多个超声波接收信号的飞行时间，数据处理时灵活选择合理的超声波接收信号进行分析。
采用TDC1000超声波感测模拟前端的内部低噪声放大器、可编程放大器以及可编程阈值比较器实现对超声波接收信号的放大、滤波和阈值比较。利用TDC1000可编程且具有灵活性的特点，在测量过程中，灵活调整增益放大器的增益与比较器的阈值，以此提高超声波接收信号的质量。TDC1000内部可编程放大器最大增益为21dB，通常情况下系统采用较低增益即可得到较好的超声波接收信号。然后在测量过程中根据实时的流量测量结果分析，通过MSP430F5438A编程控制TDC1000调整放大倍数和比较阈值，最后得到准确的STOP信号。
为得到较好的超声波接收信号，采用了驱动激励脉冲升压电路，将峰峰值为3.3V的超声波激励脉冲提高到峰峰值为12V的超声波激励脉冲。超声波激励脉冲从3.3V到12V需要经过两个过程，3.3V激励脉冲先经过高速N沟道MOSFET和2N7002构成的相关电路产生6V激励脉冲，再经过高速MOSFET驱动器TPS2811产生两个极性相反的6V激励脉冲，将两个极性相反的脉冲分别送入超声波换能器的两个输入端，在超声波换能器两端产生峰峰值为12V的激励脉冲。
采用两个高速模拟开关ISL43140分别控制超声波发送通道与超声波接收通道的切换，系统工作时通过MSP430F5438A编程控制模拟开关ISL43140的开关控制引脚实现。为了减少较高电压的驱动信号对接收链路信号质量产生影响，发射通道与接收通道采用各自独立的模拟开关控制电路。并且针对ISL43140模拟开关通道间的信号串扰问题，在第一模拟开关之后的接收信号链路上加上一个阻值为560欧姆的电阻R，极大的提高了接收信号的质量。
采用高速运算放大器TSV992实现对超声波接收信号的前端放大。针对超声波换能器具有一定阻抗的问题，必须合理设计前置放大器才能有效的放大微弱的超声波接收信号。前置放大器的放大倍数约为30倍。
其优点在于：
基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，降低超声波燃气流量测量成本以及提高流量测量精度。
附图说明
图1为本测量装置电路原理图。
图2为实施例所述的激励脉冲升压电路的电路原理图。
具体实施方式
基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，包括时间-数字转换器TDC7200和超声波感测模拟前端TDC1000。
时间-数字转换器TDC7200连接超声波感测模拟前端TDC1000，超声波感测模拟前端TDC1000还连接激励脉冲升压电路1，激励脉冲升压电路1连接第一模拟开关2和第二模拟开关3，第一模拟开关2连接第一超声波换能器4，第二模拟开关3连接第二超声波换能器5。
第一模拟开关2和第二模拟开关3还连接前置放大电路TSV992，前置放大电路TSV992连接超声波感测模拟前端TDC1000。微控制器MSP430F5438A连接时间-数字转换器TDC7200。
HT7533电源给微控制器MSP430F5438A、时间-数字转换器TDC7200、超声波感测模拟前端TDC1000和前置放大电路TSV992提供工作电压。
微控制器MSP430F5438A还连接液晶显示装置6。HT7533电源还给液晶显示装置6提供工作电压。液晶显示装置6为段码液晶。
第一模拟开关2和第二模拟开关3的型号均为ISL43140。
第一模拟开关2还通过电阻R接地。
激励脉冲升压电路包括升压芯片7、MOSFET驱动器和场效应管。
MOSFET驱动器连接场效应管的漏极，场效应管的栅极连接超声波感测模拟前端TDC1000，场效应管的源极接地。
MOSFET驱动器还连接第一模拟开关和第二模拟开关。
升压芯片7给MOSFET驱动器供电。
升压芯片7型号为ISL97519。
MOSFET驱动器型号为TPS2811。
场效应管型号为2N7002。
Claims (6)
1.基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，包括时间-数字转换器TDC7200和超声波感测模拟前端TDC1000；其特征在于：
时间-数字转换器TDC7200连接超声波感测模拟前端TDC1000，超声波感测模拟前端TDC1000还连接激励脉冲升压电路（1），激励脉冲升压电路（1）连接第一模拟开关（2）和第二模拟开关（3），第一模拟开关（2）连接第一超声波换能器（4），第二模拟开关（3）连接第二超声波换能器（5）；
第一模拟开关（2）和第二模拟开关（3）还连接前置放大电路TSV992，前置放大电路TSV992连接超声波感测模拟前端TDC1000；微控制器MSP430F5438A连接时间-数字转换器TDC7200；
HT7533电源给微控制器MSP430F5438A、时间-数字转换器TDC7200、超声波感测模拟前端TDC1000和前置放大电路TSV992提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，其特征在于：
微控制器MSP430F5438A还连接液晶显示装置（6）；HT7533电源还给液晶显示装置（6）提供工作电压。
3.根据权利要求1所述的基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，其特征在于：第一模拟开关（2）和第二模拟开关（3）的型号均为ISL43140。
4.根据权利要求1所述的基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，其特征在于：第一模拟开关（2）还通过电阻R接地。
5.根据权利要求1所述的基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，其特征在于：激励脉冲升压电路包括升压芯片（7）、MOSFET驱动器和场效应管；
MOSFET驱动器连接场效应管的漏极，场效应管的栅极连接超声波感测模拟前端TDC1000，场效应管的源极接地；
MOSFET驱动器还连接第一模拟开关和第二模拟开关；
升压芯片（7）给MOSFET驱动器供电。
6.根据权利要求5所述的基于TDC7200与TDC1000的超声波燃气表测量装置，其特征在于：升压芯片（7）型号为ISL97519；
MOSFET驱动器型号为TPS2811；
场效应管型号为2N7002。
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