CN110542460B - 一种多声道超声波流量计换能器驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子电路技术领域，涉及多声道超声波流量计换能器驱动电路及其控制方法。该驱动电路，包括PWM驱动信号发生电路，与PWM驱动信号发生电路连接的限流电阻，与限流电阻连接的超声波换能器驱动电路，及为超声波换能器驱动电路提供电源的电源电路。PWM驱动信号发生电路通过多个GPIO端口分时输出同一个PWM定时器产生的PWM信号，每一个GPIO端口通过限流电阻控制一路超声波换能器驱动电路产生超声波换能器驱动信号，进而控制一个超声波换能器发出超声波。多个GPIO端口与多个超声波换能器驱动电路一一对应连接，多个超声波换能器驱动电路与多个超声波换能器一一对应连接，从而实现对多声道超声波流量计换能器的控制。

Description

一种多声道超声波流量计换能器驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及超声波换能器驱动电路，具体涉及一种多声道超声波流量计换能器驱动电路及其控制方法。

背景技术

近年来，随着超声波测量技术的发展，各类基于超声波技术的测量仪表也得到迅猛发展，如超声波水表、超声波气体流量表、超声波热量表等。在一些对测量精度要求较高的应用中，基于超声波时差法测量技术为首选，同时增加超声波测量输出通道也可大大提高测量精度。国内市场应用最多的为基于超声波时差法的双声道、四声道、六声道超声波流量计。

在基于时差法的多声道超声波流量计应用中，要求每个声道布置2个超声波换能器，此处将2个超声波换能器标记为换能器A和换能器B，超声波流量计通过测量换能器A和换能器B发出的超声波信号沿介质流动方向的顺流传播时间和沿介质流动反方向的逆流传播时间，并根据顺流传播时间和逆流传播时间的差值来计算管道内介质的流量。对于单声道的流量计需要控制2个超声波换能器发声、收声，对于两声道或四声道的流量计，需要控制4个或8个超声波换能器发声、收声。目前，业内对多个传感器的控制多采用模拟开关切换方法，具体实施为：MCU控制器通过GPIO端口输出1路PWM信号，驱动多路超声波换能器驱动电路，每一路超声波换能器驱动电路控制一个超声波换能器；MCU控制器通过GPIO端口控制模拟开关输出通道的开关，将连接至模拟开关输入端的直流电源，分时输出到模拟开关的输出端，进而施加到与模拟开关输出端连接的超声波换能器驱动电路。当超声波换能器驱动电路电源被模拟开关接通，且有PWM驱动施加时，超声波换能器将输出超声波换能器驱动信号至超声波换能器，进而控制超声波换能器发出超声波。

上述方法通过模拟开关控制换能器驱动电路的电源，进而控制换能器发声。该方法缺点为：1)使用一路PWM驱动信号，同时驱动多个换能器驱动电路，对输出该PWM信号的GPIO驱动能力要求较高。当换能器个数增加，对应的换能器驱动电路增加，当增加的超声波换能器驱动电路所需的驱动电流超出输出PWM信号的GPIO所能提供的最大驱动电流时，还须在该GPIO与超声波换能器驱动电路之间增加额外的驱动电路，用于增强GPIO的驱动能力，而增加的驱动电路会导致硬件成本增加，系统可靠性降低；2)一般超声波驱动电路电源都为较高的直流电源，如24V、36V较常用。当使用模拟开关对这类直流电源切换时，在电路系统中会引起较大切换噪声，同时在模拟开关相邻输出通道中也会引起较大干扰，即对模拟开关的输出通道隔离度提出较高要求；3)任何模拟开关都存在导通电阻，当导通电阻较大时，导通电阻将消耗部分需要施加到超声波换能器上的电源能量，进而影响超声波换能器发声。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多声道超声波流量计换能器驱动电路及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种多声道超声波流量计换能器驱动电路，包括：PWM驱动信号发生电路，所述PWM驱动信号发生电路包括多个GPIO端口，每个GPIO端口分别输出一路PWM信号，每路PWM信号经过限流电阻与一路超声波换能器驱动电路的控制端连接；所述超声波换能器驱动电路与电源电路连接。

进一步，所述PWM驱动信号发生电路包括MCU控制器，多个所述GPIO端口位于MCU控制器上；所述MCU控制器的内部集成有PWM定时器，所述PWM定时器配置有多个输出通道，多个所述输出通道均与输出通道控制器连接，且每个输出通道与一个GPIO端口连接，通过GPIO端口输出PWM信号。

进一步，每路PWM信号分别经过一个限流电阻与一路超声波换能器驱动电路的控制端连接。

进一步，所述超声波换能器驱动电路连接有超声波换能器，驱动超声波换能器产生超声波信号。

进一步，所述超声波换能器驱动电路包括带光耦隔离的MOSFET门驱动器，所述MOSFET门驱动器中光耦的阳极作为超声波换能器驱动电路的控制信号输入端，通过限流电阻与PWM驱动信号发生电路中的GPIO端口相连接；所述MOSFET门驱动器的输出引脚输出超声波驱动信号，且与超声波换能器连接。

进一步，所述电源电路的输出端与超声波换能器电路驱动电路中MOSFET门驱动器的电源引脚连接。

进一步，所述电源电路包括boost升压电路，用于将外部输入电源电压升压至超声波换能器驱动电路的工作所需电压。

另一方面，本发明提供了一种多声道超声波流量计换能器驱动电路的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将PWM驱动信号发生电路中的PWM定时器配置为PWM模式；

步骤二、MCU控制器首次启动PWM定时器，输出通道控制器配置PWM定时器的第一输出通道为当前输出通道，第一输出通道连接MCU控制器的第一个GPIO端口GPIO1，然后启动PWM定时器输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号在GPIO1端口的输出；

步骤三、关闭PWM定时器，输出通道控制器配置PWM定时器的第二输出通道为当前输出通道，第二输出通道连接MCU控制器的第二个GPIO端GPIO2，然后启动PWM定时器输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号在GPIO2端口的输出；

步骤四、重复步骤三，直至MCU控制器完成对PWM定时器所需所有输出通道的配置；

步骤五、从每一个所需输出通道输出PWM信号后，再从第一输出通道开始输出PWM信号，依次循环，从而实现分时从不同PWM定时器的输出通道输出同一个PWM定时器产生的PWM驱动信号。

进一步，所述PWM定时器，能够通过多个GPIO端口输出PWM驱动信号，每路PWM信号分别经过一个限流电阻与一路超声波换能器驱动电路的控制端连接，实现对多个超声波换能器驱动电路一对一控制。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：该多声道超声波流量计换能器驱动电路，通过MCU控制器中的多个GPIO端口作为PWM信号的多个输出通道，经限流电阻分别控制多个超声波换能器驱动电路，最终实现对多个超声波换能器驱动电路一对一控制，对每一路PWM信号的驱动能力需求大大降低；同时，避免了电路系统中因模拟开关切换而引入的切换噪声，省去了模拟切换开关，降低了硬件成本，简化了控制的复杂度。

附图说明

图1为本发明提供的多声道超声波流量计换能器驱动电路的结构示意图；

图2为本发明提供的PWM驱动信号发生电路的结构示意图；

图3为本发明提供的超声波换能器驱动电路的结构示意图；

图4为本发明提供的多声道PWM驱动信号时序图；

图5为现有使用模拟开关切换超声波换能器驱动电路3电源引入干扰的波形显示图。

其中：1为PWM驱动信号发生电路；2为限流电阻；3为超声波换能器驱动电路；4为电源电路；5为MCU控制器；6为PWM定时器；7为输出通道；8为输出通道控制器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

参见图1所示，本发明提供了一种多声道超声波流量计换能器驱动电路，包括PWM驱动信号发生电路1，PWM驱动信号发生电路1包括多个GPIO端口，每个GPIO端口分别输出一路PWM信号，每路PWM信号经过限流电阻2与一路超声波换能器驱动电路3的控制端连接；超声波换能器驱动电路3与电源电路4连接。

进一步地，参见图2所示，PWM驱动信号发生电路1包括MCU控制器5，多个所述GPIO端口位于MCU控制器5上；MCU控制器5的内部集成有PWM定时器6，PWM定时器6在MCU控制器5的控制下产生PWM信号；MCU控制器5还包括分别与PWM定时器6连接的多个输出通道7，多个输出通道7均与输出通道控制器8连接，且每一个输出通道7与一个GPIO端口连接，通过GPIO端口输出PWM信号。

优选地，每路PWM信号分别经过一个限流电阻2与一路超声波换能器驱动电路3的控制端连接。

进一步地，参见图3所示，超声波换能器驱动电路3包括带光耦隔离的MOSFET门驱动器，MOSFET门驱动器中光耦的阳极作为超声波换能器驱动电路3的控制信号输入端，通过限流电阻2与MCU控制器5中的GPIO端口相连接；超声波换能器电路3中MOSFET门驱动器的输出引脚输出超声波驱动信号，且与超声波换能器连接。

进一步地，电源电路4的输出端与超声波换能器电路驱动电路3中MOSFET门驱动器的电源引脚连接。

进一步地，电源电路4包括boost升压电路，用于将外部输入电源电压升压至超声波换能器驱动电路3的工作所需电压。

此外，本发明还提供了一种多声道超声波流量计换能器驱动电路的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将PWM驱动信号发生电路1中的PWM定时器6配置为PWM模式；

步骤二、MCU控制器5首次启动PWM定时器6，输出通道控制器8配置PWM定时器6的第一输出通道为当前输出通道，第一输出通道连接PWM驱动信号发生电路1的第一个GPIO端口GPIO1，然后启动PWM定时器6输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号在GPIO1端口的输出；

步骤三、关闭PWM定时器6，输出通道控制器8配置PWM定时器6的第一输出通道为当前输出通道，第二输出通道连接PWM驱动信号发生电路1的第二个GPIO端口GPIO2，然后启动PWM定时器6输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号在GPIO2端口的输出；

步骤四、重复步骤三，直至MCU控制器5中的输出通道配置器8完成对PWM定时器6所需所有输出通道7的配置；

步骤五、从每一个所需输出通道7输出PWM信号后，再从第一输出通道开始输出PWM信号，依次循环，从而实现分时从不同PWM定时器6的输出通道7输出同一个PWM定时器6产生的PWM驱动信号。

进一步地，PWM定时器6，能够通过多个GPIO端口输出PWM驱动信号，每路PWM信号分别经过一个限流电阻2与一路超声波换能器驱动电路3的控制端连接，实现对多个超声波换能器驱动电路3进行一对一地控制。

综上，该多声道超声波流量计换能器驱动电路，解决了使用一路PWM信号驱动多路换能器驱动电路时驱动能力不足的问题；解决了使用模拟开关切换换能器驱动电路电源时对电路系统引入较大干扰的问题以及对模拟开关输出通道隔离度要求较高、输出通道导通电阻消耗能量的问题；同时，本发明提供的技术方案，去掉现有技术使用的模拟开关，降低了硬件成本，简化了控制复杂度。

实施例2：

参见图1所示，本发明提供了一种多声道超声波流量计换能器驱动电路，其中，声道数为n/2，一个声道布置两个超声波换能器，需要两路超声波换能器驱动电路，包括PWM驱动信号发生电路1，与PWM驱动信号发生电路连接的限流电阻2，与限流电阻2连接的超声波换能器驱动电路3以及为超声波换能器驱动电路3提供电源的电源电路4。PWM驱动信号发生电路1输出多路PWM信号，每路PWM信号通过限流电阻2分别与一路超声波换能器驱动电路3的控制端连接；超声波换能器驱动电路3的输出端输出超声波换能器驱动信号，电源电路4的输出端连接超声波换能器驱动电路3的电源端。

进一步地，PWM驱动信号发生电路1由MCU控制器5及最小系统电路组成，MCU控制器5通过其内部的PWM定时器6产生PWM信号，MCU控制器5的多个GPIO端口作为该PWM信号的输出通道7。

进一步地，PWM驱动信号发生电路1中，MCU控制器5上设置有可作为PWM信号输出通道的GPIO端口，分别通过限流电阻2连接至一路超声波换能器驱动电路3的控制引脚。

进一步地，参见图3所示，超声波换能器驱动电路3由带光耦隔离的MOSFET门驱动器实现，超声波换能器驱动电路3中光耦的阳极作为超声波换能器驱动电路3的控制信号输入脚，通过限流电阻2与PWM驱动信号发生电路1中MCU控制器5的GPIO端口相连；超声波换能器电路3中MOSFET门驱动器的VO引脚输出超声波驱动信号，外接超声波换能器。

进一步地，电源电路4的输出端连接至各路超声波换能器驱动电路3中MOSFET门驱动器的VCC引脚。

进一步地，电源电路4由boost升压电路组成，将外部输入电源电压升压至超声波换能器驱动电路3的工作所需电压。

进一步，PWM驱动信号发生电路1中MCU控制器5与超声波换能器驱动电路3连接的GPIO端口，输出如图4所示的PWM驱动信号，经限流电阻2限流后，分时施加到对应的超声波换能器驱动电路3的控制信号输入脚，超声波换能器驱动电路3依据控制端信号电平，控制MOSFET门驱动器中M1与M2的导通状态，控制逻辑如下表：

控制脚电平	M1状态	M2状态	VO状态
				高电平	导通	关闭	输出高电平
低电平	关闭	导通	输出低电平

由上表可知，依据超声波换能器驱动电路3控制端的信号状态，超声波换能器驱动电路3的VO端输出与其同频、同向的驱动信号，输出驱动信号的高电平等于电源电路4的输出电平。

依照上述方案，实现的多声道超声波流量计换能器驱动电路，对每一路PWM信号的驱动能力需求大大降低，由模拟开关输出通道切换引入的切换干扰完全消除，减少的模拟开关电路，对硬件成本有所降低。

例如：对于一个双声道的超声波流量计，需要驱动四个超声波换能器，即需要四路超声波换能器驱动电路3。按照以往技术，使用一路PWM信号驱动四路超声波换能器驱动电路3，依照常规MCU控制器5，其GPIO端口的驱动电流约10mA，一路超声波换能器驱动电路3所需驱动电流为8mA，四路超声波换能器驱动电路3所需驱动电流为32mA，远大于一路GPIO端口所能提供的驱动电流。因此，就需要额外增加PWM信号驱动电路，对该GPIO端口上输出的PWM信号进行驱动增强后方可同时驱动四路超声波换能器驱动电路。

如图5所示，为使用模拟开关切换超声波换能器驱动电路3电源引入干扰的波形显示图，其中，示波器第一输出通道(图5中的1)所示为干扰信号，示波器第二输出通道(图5中的2)所示为MCU控制器5输出到模拟开关的切换控制信号。而本发明提供的多声道超声波流量计换能器驱动电路，提供多个PWM驱动信号，每一路PWM信号驱动一路超声波换能器驱动电路3，单个GPIO端口提供的10mA驱动电流大于每1路超声波换能器驱动电路所需的8mA驱动电流，无需增加额外的PWM信号驱动电路。同时，采用本发明方案提供的超声波换能器驱动电路3，当对其中一路超声波换能器驱动电路3施加PWM驱动脉冲时，其他三路超声波换能器驱动电路3无PWM施加，因此，其他三路超声波换能器驱动电路3的电源无需关闭，进而可以省去模拟开关对超声波换能器驱动电路3的电源切换控制，消除了模拟开关切换引入电路的切换噪声。

此外，本发明还提供了一种多声道超声波流量计换能器驱动电路的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将PWM驱动信号发生电路1中的MCU控制器5，其内部的PWM定时器6配置为PWM模式；

步骤二、PWM驱动信号发生电路1中的MCU控制器5首次启动PWM定时器6时，输出通道控制器8配置PWM定时器6的第一输出通道为当前输出通道，第一输出通道连接PWM驱动信号发生电路1的第一个GPIO端口GPIO1，然后启动PWM定时器6输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号的在GPIO1端口的输出；

步骤三、PWM驱动信号发生电路1中的MCU控制器5完成本次PWM脉冲输出后，关闭PWM定时器6，输出通道控制器8配置PWM定时器6的第二输出通道为当前输出通道，第二输出通道对应MCU控制器5的第二个GPIO端口GPIO2，然后启动PWM定时器6输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号在GPIO2端口的输出；

步骤四、重复步骤三，直到MCU控制器5中的输出通道配置器8完成对PWM定时器6所需所有输出通道7的配置；

步骤五、从每一个所需输出通道7输出PWM信号后，再从第一输出通道开始输出PWM信号，依次循环，从而实现分时从不同PWM定时器6的输出通道7(对应MCU控制器5不同的GPIO端口)输出同一个PWM定时器6产生的PWM驱动信号，进而使用同一个PWM定时器6，通过多个GPIO端口输出PWM驱动信号，对多个超声波换能器驱动电路3进行一对一控制。

该控制方法实际应用如下：如对于一个双声道超声波流量计，配置有四个超声波换能器，对应需要四路超声波换能器驱动电路3。PWM驱动信号发生电路1中MCU控制器5的四个GPIO端口通过限流电阻2分别连接四路超声波换能器驱动电路3的控制脚，其中，所述四个GPIO端口分别对应PWM定时器6的四个输出通道7。

具体地，将PWM定时器6的四个输出通道7与GPIO端口的对应关系约束如下：PWM定时器6的第一输出通道对应GPIO1，PWM定时器6的第二输出通道对应GPIO2，PWM定时器6的第三输出通道对应GPIO3，PWM定时器6的第四输出通道对应GPIO4。

具体地，电源电路4将外部输入直流电源电压升压至换能器驱动电路需要的直流电压，并始终施加到四路超声波换能器驱动电路3上。

进一步地，PWM驱动信号发生电路1中，MCU控制器5将其内部的PWM定时器6配置为PWM模式，设定输出PWM脉冲个数为四个；MCU控制器5首次启动PWM定时器6时，将PWM定时器6的输出通道配置为第一输出通道，即通过GPIO1将PWM驱动信号施加到对应的第一路超声波换能器驱动电路3的控制脚，控制第一路超声波换能器驱动电路3输出超声波换能器驱动脉冲，与之连接的超声波换能器发出超声波信号。MCU控制器5计数PWM定时器6完成四个PWM脉冲输出后，关闭PWM定时器6，将PWM定时器6输出通道配置为第二输出通道，即通过GPIO2将PWM驱动信号施加到对应的第二路超声波换能器驱动电路3的控制脚，与第二路超声波换能器驱动电路3连接的超声波换能器发出超声波信号。MCU控制器5计数PWM定时器6完成四个PWM脉冲输出后，关闭PWM定时器6。依次类推，将PWM定时器6输出通道配置为第三输出通道、第四输出通道，从GPIO3、GPIO4输出PWM驱动信号到对应的第三路、第四路超声波换能器驱动电路，使得与之对应连接的超声波换能器发出超声波信号。当MCU控制器5完成在第四输出通道输出PWM驱动脉冲后，再从第一输出通道开始输出PWM驱动信号，依次循环，进而实现分时控制对应的超声波换能器驱动电路，达到控制四个超声波换能器分时、循环发出超声波信号的目的。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种多声道超声波流量计换能器驱动电路，其特征在于，包括：PWM驱动信号发生电路(1)，所述PWM驱动信号发生电路(1)包括多个GPIO端口，每个GPIO端口分别输出一路PWM信号，每路PWM信号经过限流电阻(2)与一路超声波换能器驱动电路(3)的控制端连接；所述超声波换能器驱动电路(3)与电源电路(4)连接；

所述PWM驱动信号发生电路(1)包括MCU控制器(5)，多个所述GPIO端口位于MCU控制器(5)上；所述MCU控制器(5)的内部集成有PWM定时器(6)，所述PWM定时器(6)配置有多个输出通道(7)，多个所述输出通道(7)均与输出通道控制器(8)连接，且每个输出通道(7)与一个GPIO端口连接输出PWM信号，每路PWM信号分别经过一个限流电阻(2)与一路超声波换能器驱动电路(3)的控制端连接；

所述超声波换能器驱动电路(3)连接有超声波换能器；所述超声波换能器驱动电路(3)包括带光耦隔离的MOSFET门驱动器，所述MOSFET门驱动器中光耦的阳极作为超声波换能器驱动电路(3)的控制信号输入端，通过限流电阻(2)与PWM驱动信号发生电路(1)中的GPIO端口相连接；所述超声波换能器驱动电路(3)中MOSFET门驱动器的输出引脚输出超声波驱动信号，且与超声波换能器连接；所述超声波换能器驱动电路(3)中MOSFET门驱动器的电源引脚与电源电路(4)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的多声道超声波流量计换能器驱动电路，其特征在于，所述电源电路(4)包括boost升压电路，所述boost升压电路用于将外部输入电源电压升压至超声波换能器驱动电路(3)的工作所需电压。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的多声道超声波流量计换能器驱动电路的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将PWM驱动信号发生电路(1)中的PWM定时器(6)配置为PWM模式；

步骤二、MCU控制器(5)首次启动PWM定时器(6)，将PWM定时器(6)的输出通道(7)配置为第一通道，第一通道连接MCU控制器(5)的第一个GPIO端口GPIO1，然后启动PWM定时器(6)输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号的首次输出；

步骤三、关闭PWM定时器(6)，将PWM定时器(6)的输出通道(7)配置为第二输出通道，第二输出通道连接MCU控制器(5)的第二个GPIO端口GPIO2，然后启动PWM定时器(6)输出PWM驱动信号，完成PWM脉冲信号在GPIO2端口的输出；

步骤四、重复步骤三，直至MCU控制器(5)完成对PWM定时器(6)所需所有输出通道(7)的配置；

步骤五、从每一个所需输出通道(7)输出PWM信号后，再从第一输出通道开始输出PWM信号，依次循环，从而实现分时从不同PWM定时器(6)的输出通道(7)输出同一个PWM定时器(6)产生的PWM驱动信号。

4.根据权利要求3所述的多声道超声波流量计换能器驱动电路的控制方法，其特征在于，所述PWM定时器(6)，能够通过多个GPIO端口输出PWM驱动信号，每路PWM信号分别经过一个限流电阻(2)与一路超声波换能器驱动电路(3)的控制端连接，实现对多个超声波换能器驱动电路(3)一对一控制。

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