CN203274819U - 基于超声波技术的液体计量SoC芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声波技术的液体计量SoC芯片，包括MCU内核、电源管理电路、超声波时差检测电路、存储器、模拟量检测电路和外设电路，所述MCU内核分别连接所述存储器、外设电路、超声波时差检测电路和模拟量检测电路；所述电源管理电路分别连接所述MCU内核、超声波时差检测电路和模拟量检测电路；所述模拟量检测电路连接所述超声波时差检测电路。本实用新型可完成对密闭管道内液体流量、温度、压力的测量，并根据流量计和热量表的特点，提供了液晶显示控制、远程通信和数据存储等功能，满足了设计各种全电子式流量计和热量表的各种必备功能，具备信号稳定、专用设计、使用简便的特点。

Description

基于超声波技术的液体计量SoC芯片

技术领域

本实用新型涉及一种用于密闭管道内液体计量的SoC（(System-on-a-Chip）芯片。

背景技术

随着城镇居民生活水平的日益提高，远程通信和电子化结算技术已经普遍的融入了人们的生活。但作为居民生活根本保障的液体（包含水、热水、中水等）计量，大多数还依赖于传统的机械计量和手工结算。自上世纪90年代末至今，许多企业和科研机构，为了将液体计量电子化做出了巨大的努力，也取得了一定实质的飞跃。但是，由于密闭管道内液体计量的特殊性，对电子化计量提出了严酷的使用要求，比如：测量精度高、整体功耗低、复杂的使用环境。这使得许多技术和许多原件都无法经受这样的考验，逐渐退出了液体计量的舞台。

即使到了今天，市场上仍在大量地使用中的磁传动与磁原件配合的计量技术和使用光电管编码的光电直读技术，也因原件寿命问题，严重制约着液体计量电子化的发展。直至近年来，在材料科学、生产技术和通信技术大幅发展的促进下，超声波差速法作为一种成熟的测量技术，再次被应用于密闭管道内的液体计量。应用超声波技术的流量计、热量表在近几年实际应用中，取得了不错的效果。但国内应用于超声波液体计量的各类IC（(Integrated Circuit）芯片的发展滞后，长期被国外芯片垄断，目前同样制约着超声波液体计量设备的大面积推广和发展，利用超声波计量的IC芯片的主要存在如下问题：

a）在超声波计量中，核心的时间转化芯片全部依赖进口，价格昂贵，并且这种芯片并不是单纯为了液体流量计使用，在液体测量功耗、算法均尚需改进。国内的芯片制造往往是模仿设计，并非为流量仪表专用设计，这样的问题同样存在；

b）在超声波流量计（热量表）中，必须选取低功耗的单片机作为中央处理的MCU（Micro Control Unit）芯片，且这样的芯片也大多数依赖进口，并且使设计复杂，增加不可靠性；

c）在设计超声波流量计（热量表）中，如果要完成对采集数据的显示、远传、结算，则还需要搭配实时钟电路、温度采集电路、远程通信接口等电路，极大的增加设计难度。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种完全为密闭管道内液体计量定制设计的基于超声波技术的液体计量SoC芯片。在进行流量计或热量表设计时使用1枚芯片，即可完成对密闭管道内液体流量、温度、压力的测量，并根据流量计和热量表的特点，芯片提供了液晶显示控制、远程通信和数据存储等功能，满足了设计各种全电子式流量计和热量表的各种必备功能。同时，因为本实用新型集成度高，又专为流量仪表设计，因此在使用本实用新型设计仪表时会大幅简化电路元件，会使电路变得简洁稳定。

实现上述目的的技术方案是：

一种基于超声波技术的液体计量SoC芯片，包括MCU内核、电源管理电路、超声波时差检测电路、存储器、模拟量检测电路和外设电路，其中：

所述MCU内核分别连接所述存储器、外设电路、超声波时差检测电路和模拟量检测电路；

所述电源管理电路分别连接所述MCU内核、超声波时差检测电路和模拟量检测电路；

所述模拟量检测电路连接所述超声波时差检测电路；

所述外设电路包括定时器、GPIO（General Purpose Input Output，通用输入/输出）接口、高精度实时钟RTC、通用异步接收/发送装置UART、SPI（SerialPeripheral Interface，串行外设接口）接口以及看门狗电路。

上述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其中，所述外设电路还包括LCD（液晶显示器）控制电路。

上述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其中，所述的超声波时差检测电路，包括超声波收发处理电路和时间测量电路TDC。

上述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其中，所述的存储器，包括4K的运行内存、64K的程序存储器和1K数据存储器。

上述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其中，所述的模拟量检测电路，包括温度测量电路和压力测量电路。

本实用新型的有益效果是：本实用新型能完成对密闭管道内液体流量、温度、压力的测量，并根据流量计和热量表的特点，提供液晶显示控制、远程通信和数据存储等功能；同时，本实用新型集成度高，在使用本实用新型设计仪表时会大幅简化电路元件，会使电路变得简洁稳定。并且，本实用新型在流量计和热量表的设计中，可直接取代外围MCU、液晶驱动、实时钟、时测芯片等分离原件，具备信号稳定、专用设计、使用简便的特点；同时，本实用新型在和高效能换能器配合的使用过程中，可以达到待机功耗10μA，采集时整机功耗不超过500μA，仅使用普通智能水表的电池，即可满足超声波热量表和流量计的使用寿命需要。

附图说明

图1是本实用新型的液体计量SoC芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1，本实用新型的一种基于超声波技术的液体计量SoC芯片，包括MCU内核1、电源管理电路2、超声波时差检测电路3、存储器4、模拟量检测电路5和外设电路6，MCU内核1分别连接存储器4、外设电路6、超声波时差检测电路3、模拟量检测电路5；电源管理电路2分别连接MCU内核1、超声波时差检测电路3和模拟量检测电路5并给它们供电；模拟量检测电路5连接超声波时差检测电路3；

MCU内核1、电源管理电路2、超声波时差检测电路3、存储器4、模拟量检测电路5和外设电路6均镶嵌在SoC芯片上；

外设电路6包括定时器、GPIO接口、高精度实时钟RTC、通用异步接收/发送装置UART、LCD控制电路、SPI接口以及看门狗电路；

MCU内核1选用16位低功耗高效能微处理器，运行频率达到30Hz以上，可满足高速采集和检测所需的要求；

超声波时差检测电路3包括超声波收发处理电路和时间测量电路TDC，最高检测时间可达到30ps，典型检测时间可达到50ps；

存储器4包含4K的运行内存（RAM）、64K的程序存储器（Flash）和1K数据存储器（eeprom）。以满足正常运行中程序运行、程序存储和数据保存的需要；

模拟量检测电路5包括温度测量电路和压力测量电路，分别对温度和压力这两个对液体流量相关的两个模拟量进行测量；由于温度对水流的流量计量有直接影响，并且在设计热量表时，需要对入水温度和回水温度进行精确测量，因此在温度测量电路时，设计了4路温度采集，以满足热量计算的采集需要和内部温度补偿的测量需要。

本实用新型在低功耗模式下待机运行，可以达到功耗在10μA内。

本实用新型原理：当液体流过管道时，超声波换能器利用压电材料的压电效应，用发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电信号，供超声波时差检测电路检测。超声波时差检测电路3准确计量超声波在待测流体在密闭管道中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差时间差。并将时间差转换为数字信号给MCU内核1。模拟量检测电路5中的温度测量电路通过PT1000或PT500等采样原件，完成对进水、回水温度的测量；压力测量电路，则测量出管道内的压力，并将测量的信号传递给MCU内核1。MCU内核1中含有乘法器、逻辑电路（ALU）等，会将采集到的时差信号、温度信号运算，将计算出的结果，输出给存储器4。电源管理电路2可选择3.3V/5V两种工作标准电压模式；

本实用新型的各部件均选用市面常见且易于采购的产品实现，或者通过现有技术设计实现。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其特征在于，包括MCU内核、电源管理电路、超声波时差检测电路、存储器、模拟量检测电路和外设电路，其中：

所述MCU内核分别连接所述存储器、外设电路、超声波时差检测电路和模拟量检测电路；

所述电源管理电路分别连接所述MCU内核、超声波时差检测电路和模拟量检测电路；

所述模拟量检测电路连接所述超声波时差检测电路；

所述外设电路包括定时器、GPIO接口、高精度实时钟RTC、通用异步接收/发送装置UART、SPI接口以及看门狗电路。

2.根据权利要求1所述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其特征在于，所述外设电路还包括LCD控制电路。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其特征在于，所述的超声波时差检测电路，包括超声波收发处理电路和时间测量电路TDC。

4.根据权利要求1或2所述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其特征在于，所述的存储器，包括4K的运行内存、64K的程序存储器和1K数据存储器。

5.根据权利要求1或2所述的基于超声波技术的液体计量SoC芯片，其特征在于，所述的模拟量检测电路，包括温度测量电路和压力测量电路。