CN110207771A - 一种单通路连续多超声信号同步计时电路及其计时方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单路连续多电压信号同步计时电路及方法。本发明待测超声信号输入阈值比较单元和过零比较单元；阈值比较单元接收主控单元发出的阈值信号；阈值比较单元将阈值比较结果信号输送到主控单元；主控单元向精确计时单元发送停止计时使能信号；过零比较单元向精确计时单元发送停止计时信号；主控单元与向精确计时单元发送结束计时信号，精确计时单元向主控单元发送测量完成信号。本发明仅需一套阈值比较、过零比较电路就可以对单通路上的连续多个超声信号进行准确计时，电路设计简单，成本低，测量精度可得到保证；能够解决单通路内超声信号强弱不同带来的无法使用同一阈值电平触发的问题，具有较好的实际应用价值。

Description

一种单通路连续多超声信号同步计时电路及其计时方法
技术领域
本发明属于超声流量测量技术领域，涉及一种单通路连续多超声信号同步计时电路及其计时方法。
背景技术
在超声流量测量领域中，超声换能器一致性差是限制超声流量计测量精度提高的重要因素。超声流量计需要配对使用至少两个换能器，每个换能器在流量测量的顺、逆流测量中分别起到超声发射器和接收器的作用。由于两个换能器的材料特性不可能完全一致，因而对超声信号的收发特性不一致，在测量中会导致零流量下的顺、逆流时间不等，也即引起零点漂移问题，该问题在环境温度变化时尤甚。
在超声流量计中设计辅助声道信号可改善换能器一致性差的问题。如图1所示，专利号为ZL201310340437.5的中国发明专利公开了一种辅助声道式超声波流量计测量块。测量块基体12安装于流量计管壁11上，第一换能器121和第二换能器122以30°～40°的夹角粘接在测量块基体12上，测量块基体的上下表面分别粘有铜箔123。在顺流测量时，第一换能器121发射的超声波，到达测量块基体12与被测介质10的交界面后，一部分透射进入被测介质10继续传播，经管壁11反射后被第二换能器122接收，此超声信号称之为测量信号151；另一部分反射后沿测量块基体12传播，经测量块基体12及铜箔123多次反射后被第二换能器122接收，此超声信号称之为测量信号152。在逆流测量时，第二换能器122发射超声波，第一换能器121接收超声波，超声信号的传播途径刚好与前述途径相反。第一换能器121和第二换能器122的信号激励和接收由控制器14控制。根据测量信号151的顺逆流测量时间差，可以计算被测介质10的流量；根据辅助信号152的顺逆流时间差，可以获得流量测量的零点漂移量，并进一步用于流量测量值的修正。借助辅助信号，在一定程度上能够消除换能器特性参数不一致对超声波渡越时间计量的影响，保证超声波流量计长期工作时的精度和稳定性，特别适用于温度、压力变化明显，流量计零点漂移严重的测量场合。
何俊在其硕士学位论文(何俊.基于辅助声道式超声波测量块的流量计量方法研究[D].浙江大学,2016)中提出了一种基于辅助声道式超声波测量块的新型流量计量方法。在相应的硬件电路设计中，其对辅助声道信号与流场测量信号分别使用了时基窗口屏蔽和阈值过零比较两种测量方法，其中，时基窗口屏蔽方法根据声速变化动态调整辅助声道信号采样的时基屏蔽窗口，阈值过零比较方法结合阈值比较和过零比较两种判断方法对流场测量信号进行采样。时基窗口屏蔽方法相较过零阈值比较法操作复杂，通用性较差。
为了能够将阈值过零比较计时方法应用到类似于上述单通路内包含若干连续超声波信号的测量中，本发明提出一种单通路连续多超声信号同步计时电路及方法，仅需一套阈值比较、过零比较电路就可以对单通路上的连续多个电压信号进行准确计时，设计简单，成本低。
发明内容
本发明主要为实现以下目的：
(1)对包含诸如辅助声道信号之类单通路内连续多个超声信号的渡越时间进行简便、精确计量；
(2)解决经不同介质路径传播的超声测量信号强弱不同，无法使用同一阈值电平触发计时的问题；
提出一种单通路连续多超声信号同步计时电路及其计时方法。
一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，包括以下步骤：
步骤一、通过主控单元配置精确计时单元关于连续多组待测超声信号的遮罩时间值；
步骤二、由发射端发出多组待测超声信号，同时精确计时单元开始计时过程，此时刻称为计时起点；根据超声信号的到达顺序，将待测超声信号命名为A1、……An，n为大于等于2的整数；
步骤三、主控单元向阈值比较单元输出最先到达待测超声信号A1的阈值信号；
步骤四、将待测超声信号A1输入计时电路后，作用于阈值比较单元产生停止计时使能信号，同时作用于过零比较单元产生停止计时信号；当待测超声信号A1的幅值高于阈值时，阈值比较单元产生信号停止计时使能信号输出至精确计时单元；当待测超声信号相对于零电平发生反相时，过零比较单元产生停止计时信号输出至精确计时单元；
若计时过程历经的时间大于遮罩时间值，且精确计时单元接收到停止计时使能信号和停止计时信号，则精确计时单元产生一个停止计时指令，并向主控单元输出对应的时间值；如若已检测最后一组，进入步骤六；
步骤五、主控单元调整输出到阈值比较单元的阈值，消除其输出的使能信号，完成一次停止计时操作；主控单元向阈值比较单元输出下一待测超声信号的阈值信号；采用步骤四相同的方法对所有输入待测超声信号进行计时；
步骤六、主控单元向精确计时单元发出结束计时指令，结束计时；精确计时单元向主控单元发送测量完成信号。
所述的主控单元工作主频为超声信号激发频率的2倍以上；每组待测超声信号的信号幅值不完全相等，在阈值比较单元中设置的阈值不完全相等。
所述的停止计时使能信号持续大于一个超声信号周期的时长，在产生停止计时使能信号之后主控单元控制输出满幅的阈值信号作用于阈值比较单元。
对于相邻两组待测超声信号，后到达超声信号的遮罩时间终点落在主控单元输出满幅阈值信号之后，且在后到达超声信号触发的停止计时信号之前。
所述的阈值信号直接由主控单元产生并传送至阈值比较单元或由主控单元控制外围电压生成单元产生并传送至阈值比较单元。
所述的计时过程历经的时间为自计时起点的时间值，在一个计时过程中产生至少两个停止计时指令，分别输出对应的时间值，完成一次停止计时操作。
所述的停止计时使能信号持续大于一个超声信号周期的时长，在产生停止计时使能信号之后主控单元控制输出满幅的阈值信号作用于所述阈值比较单元。
基于上述方法的一种单通路连续多超声信号同步计时电路，包括阈值比较单元、过零比较单元、精确计时单元、主控单元；所述的阈值比较单元和过零比较单元由比较器组成，主控单元为单片机模块，精确计时单元由高精度计时芯片组成；待测超声信号输出端分别连接到阈值比较单元的负相输入端和过零比较单元的正相输入端；阈值比较单元的正相输入端与主控单元的一个输出端连接，接收主控单元发出的阈值信号；过零比较单元的负相输入端接入零电平信号；阈值比较单元的输出端与主控单元的一个输入端连接，将阈值比较结果信号输送到主控单元；主控单元的另一个输出端与精确计时单元的使能输入端连接，向精确计时单元发送停止计时使能信号；过零比较单元的输出端与精确计时单元的停止输入端连接，向精确计时单元发送停止计时信号；主控单元的另一个输入端与精确计时单元控制输出端连接，主控单元向精确计时单元发送结束计时信号，精确计时单元向主控单元发送测量完成信号。
在主控单元、阈值比较单元与精确计时单元之间设置锁存器单元，锁存器单元由锁存器组成，锁存器的两个输入端分别与主控单元一个输出端和阈值比较单元的输出端连接，锁存器输出端与精确计时单元的使能输入端连接；主控单元另一个输出端输出满幅的阈值信号作用于阈值比较单元正相输入端，阈值比较单元输出信号与主控单元控制信号作用于锁存器单元，消除停止计时使能信号，使得精确计时单元处于待机状态；主控单元一个输出端发出的控制信号和阈值比较单元输出的阈值比较信号同时作用于锁存器单元，锁存器单元产生停止计时使能信号输送至精确计时单元。
本发明的有益效果是：本发明可应用于基于辅助声道式超声波测量块的超声流量解决方案中，实现辅助声道信号与流场测量信号的同步计时；本发明仅需一套阈值比较、过零比较电路就可以对单通路上的连续多个超声信号进行准确计时，电路设计简单，成本低，测量精度可得到保证；能够解决单通路内超声信号强弱不同带来的无法使用同一阈值电平触发的问题，具有较好的实际应用价值。
附图说明
图1为使用本发明的辅助声道式超声波流量计测量块原理示意图；
图2为基于阈值比较与过零比较的超声信号渡越时间计量原理；
图3为具体实施方式一的单通路多超声信号同步计时测量时序；
图4为具体实施方式一中消除停止计时使能信号c原理图；
图5为具体实施方式一中测量信号A1与信号A2过程中阈值变化示意图；
图6为TDC-GP21计时芯片在各种控制信号作用下计时停止原理；
图7为具体实施方式二的单通路多超声信号同步计时测量时序。
具体实施方式
本发明提供了一种单通路连续多超声信号同步计时电路及其计时方法，能够连续对多组超声信号进行同步计时，辅助声道式超声波流量计的超声波渡越时间测量。其具体实施方式为：
具体实施方式一：如图2所示，本实施方式中一种单通路连续多超声信号同步计时电路，包括阈值比较单元1、过零比较单元2、锁存器单元3、精确计时单元4和主控单元5。其中阈值比较单元1与过零比较单元2主要由比较器组成，锁存器单元3主要由锁存器组成，主控单元5为单片机模块，精确计时单元4主要由高精度计时芯片组成，该计时芯片能够连续测量至少2个停止计时信号的时间值并可针对每个停止计时信号设置相应的信号遮罩时间值，实施例中精确计时单元4选用德国ACAM公司的TDC-GP21集成电路(以下简称GP21)，主控单元5选用美国TI公司的MSP430，锁存器单元3选用日本TOSHIBA公司的74HC279，阈值比较单元1和过零比较单元2选用美国TI公司的LMV761。
图2中虚线代表超声信号，实线代表控制信号，箭头为信号传递方向。
滤波后的超声信号分为两路，其中一路信号进入阈值比较单元1的负相输入端，另外由主控单元5发出阈值信号y进入阈值比较单元1的正相输入端，当超声信号幅值高于阈值信号y时，其产生的控制信号作用于锁存器单元3，产生持续的停止计时使能信号c作用于精确计时单元4。另一路超声信号进入过零比较单元2的正相输入端，同时在过零比较单元2的负相输入端接入零电平信号，正相和负相输入端的信号经过零比较单元2处理后获得停止计时信号d，传送至精确计时单元4。当停止计时使能信号c存在，而且精确计时单元4接收到停止计时信号d时，触发一次停止计时操作，这便是基于阈值比较与过零比较的计时流程。在计时过程中，主控单元5向阈值比较单元1、锁存器单元3发送控制信号，精确计时单元4向主控单元5发送测量完成信号以及测量结果。
如图3所示，基于上述一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法具体包括以下步骤：
步骤一、通过主控单元配置精确计时单元关于连续多组待测超声信号的遮罩时间值；
步骤二、输入待计时超声信号A1与超声信号A2，信号A1先到达，信号A2后到达，二者在时间轴上无相互交叠。
步骤三、主控单元向阈值比较单元输出最先到达待测超声信号A1的阈值e；
步骤四、将先到达超声信号A1分为两路，其中一路超声信号A1进入阈值比较单元1，当超声信号A1幅值高于阈值e时，其产生的控制信号作用于锁存器单元3，产生持续的停止计时使能信号c作用于精确计时单元4。另一路超声信号A1进入过零比较单元2，用于产生停止计时信号d，当停止计时使能信号c存在时，精确计时单元4会接收停止计时信号d，完成计时。如若已检测最后一组，进入步骤六；
步骤五、主控单元调整输出到阈值比较单元1的阈值，消除其输出的使能信号，完成一次停止计时操作；检测精确计时单元4对超声信号A1计时是否完成；消除停止计时使能信号c，使精确计时单元4待机，准备对下一个停止计时信号计时；主控单元向阈值比较单元1输出待测超声信号A2的阈值g；采用步骤四相同的方法对所有输入待测超声信号进行计时；
步骤六、精确计时单元4接收到主控单元的指令后结束计时过程，精确计时单元4向主控单元发送测量完成信号。
如图4和5所示，在超声信号A1计时完成后，由于锁存器单元3的作用，停止计时使能信号c将一直有效，为了消除停止计时使能信号c，具体需要以下几步操作：主控单元5将输出到阈值比较单元1中的阈值e更改为阈值f；由于阈值信号f的作用，阈值比较单元1的输出一确定结果；主控单元5向锁存器单元3发送控制信号；锁存器单元3的两个输入端信号确定，则输出确定。完成以上步骤后，即可消除作用于精确计时单元4的停止计时使能信号c，使得精确计时单元4处于待机状态。
阈值e为针对超声信号A1设定的阈值，在完成超声信号A1的计时后，阈值e提高为阈值f，在该时间跨度内，由主控单元5主导阈值比较单元1与锁存器单元3消除停止计时使能信号c。之后阈值f降低为阈值g，准备测量信号A2的渡越时间。
对于相邻两组待测超声信号，后到达超声信号A2的遮罩时间终点应落在主控单元输出满幅阈值信号y之后，且在后到达超声信号触发的停止计时信号之前。针对计时点二设置的信号遮罩时间值应介于下限t1与上限t2之间。
如图6所示，为GP21计时芯片在各种控制信号作用下停止计时的原理，当信号遮罩结束且ENSTOP引脚为高电平，若STOP引脚出现上升沿电平信号，GP21停止计时，完成一次渡越时间测量。
GP21芯片不仅能够在总长4ms的时间范围内对3个停止计时信号进行计时，而且可以针对每个停止计时信号单独设置信号遮罩时间值。
在实施例中，首先在计时电路的离线调试过程中借助示波器等仪器测量超声信号A1与超声信号A2的幅值以及在时间轴上的位置情况，据此确定二者的阈值触发电平以及信号遮罩时间值，然后设置主控单元5，在指定的时间向阈值比较单元1输送阈值信号y，以及向精确计时单元4输送信号遮罩时间值。
表1给出了74HC279锁存器芯片消除GP21停止计时使能信号c的输入输出状态变化，表中端为阈值比较单元1的输出结果，端直接由MSP430的IO口控制，Q端接GP21的停止计时使能端，即ENSTOP引脚，表中“0”代表低电平，“1”代表高电平。
表1
当辅助信号达到阈值e之后，锁存器进入状态A，GP21的ENSTOP引脚为高电平，此时可以得到计时点一的渡越时间。结合74HC279真值表可知，只有进入状态B才能使ENSTOP引脚变为低电平，消除停止计时使能信号，使得GP21处于待机状态。因此在ENSTOP引脚变为高电平后，将阈值信号y拉高到阈值f，确保端为高电平，端由MSP430控制电平拉低，从而进入状态B。之后要为信号A2的计时做准备，首先控制端电平抬高，进入状态C，之后将阈值信号y拉低到阈值g水平，当信号b幅值超过阈值g时，进入状态D，完成计时点二时间测量。
具体实施方式二：如图7所示，本实施方式与具体实施方式一的区别在于硬件电路组成无锁存器单元，阈值比较单元1的输出传送给主控单元5，当主控单元5检测到信号h电平变化时，主控单元5输出阈值f到阈值比较单元1中，同时产生停止计时使能信号c作用于精确计时单元4，在停止计时使能信号c存在不少于一个超声信号周期的时长后，主控单元5消除停止计时使能信号c。
本实施方式中一种单通路连续多超声信号同步计时方法包括以下步骤：
步骤一、通过主控单元配置精确计时单元关于连续多组待测超声信号的遮罩时间值；
步骤二、由发射端发出多组待测超声信号，同时精确计时单元开始计时过程，此时刻称为计时起点；根据超声信号的到达顺序，将待测超声信号命名为A1、……An，n为大于等于2的整数。
步骤三、主控单元向阈值比较单元输出最先到达待测超声信号A1的阈值信号；
步骤四、将待测超声信号A1输入计时电路后，作用于阈值比较单元产生停止计时使能信号，同时作用于过零比较单元产生停止计时信号；当待测超声信号A1的幅值高于阈值时，阈值比较单元产生信号停止计时使能信号输出至精确计时单元；当待测超声信号相对于零电平发生反相时，过零比较单元产生停止计时信号输出至精确计时单元。
若计时过程历经的时间大于遮罩时间值，且精确计时单元接收到停止计时使能信号和停止计时信号，则精确计时单元产生一个停止计时指令，并向主控单元输出对应的时间值；如若已检测最后一组，进入步骤六；
步骤五、主控单元5将阈值调整为满幅输出到阈值比较单元1，消除停止计时使能信号，完成一次停止计时操作；主控单元向阈值比较单元输出下一待测超声信号的阈值信号；采用步骤四相同的方法对所有输入待测超声信号进行计时；
步骤六、精确计时单元接收到主控单元的指令后结束计时过程，精确计时单元向主控单元发送测量完成信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、通过主控单元配置精确计时单元关于连续多组待测超声信号的遮罩时间值；
步骤二、由发射端发出多组待测超声信号，同时精确计时单元开始计时过程，此时刻称为计时起点；根据超声信号的到达顺序，将待测超声信号命名为A1、……An，n为大于等于2的整数；
步骤三、主控单元向阈值比较单元输出最先到达待测超声信号A1的阈值信号；
步骤四、将待测超声信号A1输入计时电路后，作用于阈值比较单元产生停止计时使能信号，同时作用于过零比较单元产生停止计时信号；当待测超声信号A1的幅值高于阈值时，阈值比较单元产生信号停止计时使能信号输出至精确计时单元；当待测超声信号相对于零电平发生反相时，过零比较单元产生停止计时信号输出至精确计时单元；
若计时过程历经的时间大于遮罩时间值，且精确计时单元接收到停止计时使能信号和停止计时信号，则精确计时单元产生一个停止计时指令，并向主控单元输出对应的时间值；如若已检测最后一组，进入步骤六；
步骤五、主控单元调整输出到阈值比较单元的阈值，消除其输出的使能信号，完成一次停止计时操作；主控单元向阈值比较单元输出下一待测超声信号的阈值信号；采用步骤四相同的方法对所有输入待测超声信号进行计时；
步骤六、主控单元向精确计时单元发出结束计时指令，结束计时；精确计时单元向主控单元发送测量完成信号。
2.如权利要求1所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：所述的主控单元工作主频为超声信号激发频率的2倍以上；每组待测超声信号的信号幅值不完全相等，在阈值比较单元中设置的阈值不完全相等。
3.如权利要求1所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：所述的停止计时使能信号持续大于一个超声信号周期的时长，在产生停止计时使能信号之后主控单元控制输出满幅的阈值信号作用于阈值比较单元。
4.如权利要求1所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：对于相邻两组待测超声信号，后到达超声信号的遮罩时间终点落在主控单元输出满幅阈值信号之后，且在后到达超声信号触发的停止计时信号之前。
5.如权利要求1所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：所述的阈值信号直接由主控单元产生并传送至阈值比较单元或由主控单元控制外围电压生成单元产生并传送至阈值比较单元。
6.如权利要求1所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：所述的计时过程历经的时间为自计时起点的时间值，在一个计时过程中产生至少两个停止计时指令，分别输出对应的时间值，完成一次停止计时操作。
7.如权利要求1所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路的计时方法，其特征在于：所述的停止计时使能信号持续大于一个超声信号周期的时长，在产生停止计时使能信号之后主控单元控制输出满幅的阈值信号作用于所述阈值比较单元。
8.一种单通路连续多超声信号同步计时电路，包括阈值比较单元、过零比较单元、精确计时单元、主控单元；其特征在于：
所述的阈值比较单元和过零比较单元由比较器组成，主控单元为单片机模块，精确计时单元由高精度计时芯片组成；待测超声信号输出端分别连接到阈值比较单元的负相输入端和过零比较单元的正相输入端；阈值比较单元的正相输入端与主控单元的一个输出端连接，接收主控单元发出的阈值信号；过零比较单元的负相输入端接入零电平信号；阈值比较单元的输出端与主控单元的一个输入端连接，将阈值比较结果信号输送到主控单元；主控单元的另一个输出端与精确计时单元的使能输入端连接，向精确计时单元发送停止计时使能信号；过零比较单元的输出端与精确计时单元的停止输入端连接，向精确计时单元发送停止计时信号；主控单元的另一个输入端与精确计时单元控制输出端连接，主控单元向精确计时单元发送结束计时信号，精确计时单元向主控单元发送测量完成信号。
9.如权利要求8所述的一种单通路连续多超声信号同步计时电路，其特征在于：在主控单元、阈值比较单元与精确计时单元之间设置锁存器单元，锁存器单元由锁存器组成，锁存器的两个输入端分别与主控单元一个输出端和阈值比较单元的输出端连接，锁存器输出端与精确计时单元的使能输入端连接；主控单元另一个输出端输出满幅的阈值信号作用于阈值比较单元正相输入端，阈值比较单元输出信号与主控单元控制信号作用于锁存器单元，消除停止计时使能信号，使得精确计时单元处于待机状态；主控单元一个输出端发出的控制信号和阈值比较单元输出的阈值比较信号同时作用于锁存器单元，锁存器单元产生停止计时使能信号输送至精确计时单元。
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