微功耗超声波流量计.doc

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1、 第 IV 页 微功耗超声波流量计摘 要本文研究了以超声波时差法为原理的微功耗流量计，介绍了其应用范围、特点及与一般流量计相比较所具有的优势。分析了流量计的工作原理、硬件结构、软件流程、产生误差的原因和解决办法，以及在微功耗超声波流量计设计开发过程中应注意的问题。设计采用微功耗单片机（MSP430系列单片机），超声波专用收发侦测芯片TDC-GP2芯片，扩展相应的接口电路，实现流量的采集与处理。采用超声波专用收发侦测芯片TDC-GP2，外接超声波发射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发，通过测量时差，得出超声波流速。时差等信息通过SPI串行口送入单片机，由单片机计算出流速，累计计算出流量。LC

2、D显示器显示流速与流量。TDC-GP2作为高精度的时间测量芯片，不但集成了时间测量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功能。相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，显著降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。通过硬件调试和软件仿真，本微功耗超声波流量计可行且具有实际价值。关键词：超声波，微功耗，流量计，声速补偿Micro-power ultrasonic flowmeterAbstract Author：Shi Wangwang Tutor：Qi ShiqingIn this p

3、aper, we study a Micro-power flowmeter based on the principles of ultrasonic wave. Introduction of its range of applications, features, and advantages compared with the general flowmeter. Analysis the flowmeter of the hardware structure, software process works and the causes of errors and solutions,

4、 also the problems which should pay attention to during the design and development process of flowmeter. Design uses a micro-power microcontrollers (MSP430 MCU)Ultrasonic detection of specific transceiver chip TDC-GP2, the corresponding expansion of the interface circuit to achieve acquisition and p

5、rocessing of flow. Adopt specific detection of ultrasonic transceiver chip TDC-GP2, external transmit and receive ultrasonic probe, to achieve transceiver of downstream and Upstream ultrasonic, by measuring the time difference, obtained ultrasonic velocity. Sending the time difference and other info

6、rmation into the microcontroller through the SPI serial port, the microcontroller calculate flow rate and the total flow. Power-down.LCD display flow rate and total flow.TDC-GP2 is a high-precision time measurement chip which does not only integrates the time measurement function, but also provide f

7、unctions for the application of ultrasonic flow meters and heat meters ultrasonic transducer driving pulse and temperature measurement capabilities. Compared with the FPGA usage of discrete components or ultrasonic flowmeter program, the TDC-GP2 program greatly simplifies the hardware design, signif

8、icantly reducing the power consumption of the machine, which has becoming the most simple circuit, low-power ultrasonic flowmeter program. After hardwaredebugging andsoftware simulation,we can see that themicro-powerultrasonic flowmeter is feasible andpractical value.Key Words: ultrasonic wave, Micr

9、o-power, flowmete目 录目 录III1 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究状况21.3 课题研究方法41.4 论文的构成及研究内容52 流量计基本原理72.1 超声波简介72.2 基础量及流量计工作原理原理82.2.1 流量测量基本量及单位82.2.2 基本工作原理92.2.3 时差法原理103 系统硬件设计123.1 硬件统的总体设计系123.2 系统硬件电路模块设计133.2.1 系统控制电路模块133.2.2 时差测量电路153.2.3 超声波收发模块213.2.4 显示电路223.2.5 键盘电路233.2.6 数据存储模块243. 3 系统硬件电路图244 系

10、统软件设计264.1 引言264.2 软件开发方法274.2.1 结构化开发方法274.2.2 面对对象开发方法274.3 流量计计算软件的设计284.4 流量计控制软件的设计295 试验及误差分析315.1 流速测量实验315.1.1 实验装置315.1.2 模型简化分析315.2 结果及误差分析32结 论35致 谢37参考文献38附 录39附录A39 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 43 页1 绪论1.1 研究背景流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工

11、程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。流量计又分为有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。流量、压力和温度并列为三大检测参数。对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量、压力和温度三种参数的检测仪表一样得到最广泛的应用。流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域：（1）工业生产过程（2）能源计量（3）环境保

12、护工程（4）交通运输（5）生物技术（6）科学实验流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于，至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，即分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。按流量计机构原理分有容积式流量

13、计、叶轮式流量计、差压式流量计、变面积式流量计、动量式流量计、冲量式流量计、LY-LDE电磁流量计、超声波流量计、质量流量计、流体振荡式流量计、转子流量计。本课题所研究的就是以超声波为检测原理的流量计，力图设计出具有理论和实际价值的微功耗流量计。超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。相对于使用传统测量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的优点：（1） 它不会改变流体的流动状态，不对流体产生附加阻力；（2） 它可适应多种

14、管径的流体测量，不会因管径的不同增加仪表成本；（3） 它的换能器可设计成夹装式，可作移动性测量。（4） 为无流动阻挠测量，无压力损失；超声波流量计目前所存在的缺点主要是：（1）可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制。（2）高温下被测流体传声速度的原始数据不全。1.2 国内外研究状况超声波流量计是通过检测流体流动对超声波(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。1928年法国的ORutten研制成功了世界上第一台超声波流量计。之后，美国、意大利等国陆续有人研究，但都限于相位差法，进展不大。1955年，应用声循环法

15、的超声波流量计首先作为航空燃料用流量计获得成功，随后又出现了基于时间差法和波束偏移法的超声波流量计。1958年，ALHerdrieh等人发明了折射式超声波探头，以消除由于管壁中声波的交混回响而产生的相位失真，为换能器的管道外夹安装提供了理论依据，超声多普勒流量计也在这一时期诞生。1963年，超声波流量计开始由日本的Tokyo Keiki等人引入工业应用，但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位。20世纪70年代后，集成电路技术迅速发展，高性能锁相技术的出现与应用，使得实用的超声波流量计得以迅速发展。到20世纪90年代初期日本、美国、西欧等地区超声波流量计的销售已占到流量仪表的。20世纪90年代中

16、期，超声波流量计世界范围的年销售台数约3.6万台，进入2l世纪，全球超声波流量计(不含明渠流量计)2000年的销售达到2.4亿美元，到2005年之前，超声波流量计的销售以年均的速度快速增长。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代有了新成仪表厂(上海仪表厂前身)所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。对于超声波流量计，我国起步同样较晚，60-70年代机械工业部上海

17、工业自动化仪表研究所、北京大学相继研制。近年若干科研和生产单位又推出所开发的一些新颖仪表。上世纪80年代中期，国内仪表厂从国外引进专有技术，生产具有80年代国际水平的仪表。我国的超声波流量计研究工作虽然起步较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已开始批量生产并投入使用。目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、南京康创流量计有限公司、唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电子有限公司、大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。但是，国内生产的超声波流量计无论从测量精度上还是测量方法上与国外相比都有一定的差距。如荷

18、兰Instroment公司、美国Danniel公司、Controlotron公司等厂家生产的超声波流量计在测量精度上，及便携角度来说都达到了较高的水平。由于超声波流量计测量液体或气体的独特优点，以及我国现代化建设的突飞猛进，国内对超声波流量计的需求和在超声波流量测量领域研究的投入都会不断增加，相信在不远的将来，国内的超声波流量测量计数和产品都会达到世界一流水平。目前，超声波流量计主要分为单声道和多声道两种类型。单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量

19、精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。近年来，国外竞相开发出经实流核准的高精度带测量管段的中小口径超声流量计，且用双声道或多声道以改善单声道测量平均流速的不确定影响量，使测量精度大大提高。传播速度差法超声波流量计是目前极具竞争力的流量测量手段之一，其测量精度已优于。多声道超声波流量计的精度已高于。1.3 课题研究方法本课题采用微功耗单片机（MSP430系列单片

20、机），超声波专用收发侦测芯片TDC-GP2芯片，扩展相应的接口电路，实现流量的采集与处理。采用超声波专用收发侦测芯片TDC-GP2，外接超声波发射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发，通过测量时差，得出超声波流速。时差等信息通过SPI串行口送入单片机，由单片机计算出流速，累计计算出流量。流速与流量存储在EEPROM中，防止掉电数据丢失，LCD显示器显示流速与流量。通过RS485串行通信接口电路实现流量等参数的上传。由于超声波声速受到流体温度的影响，在测量流量的同时，检测流体温度，对声速进行补偿。TDC-GP2作为高精度的时间测量芯片，不但集成了时间测量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提

21、供超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功能。相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，显著降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。超声波流量计的软件流程如图1-1所示。为了达到微功耗的目的，在软件设计时，必须使MSP430在接到流量脉冲时才使CPU处于激活状态。其他情况下MSP430处于省电模式状态下工作。当采用超低功耗模式时，MSP430消耗电流为，唤醒标准低功耗模式仅为。MSP430的超低功耗结构和TDC-GP2芯片超声波流量检测模块的配合使用，实现了流量计的微功耗，大幅度地延长了电池的寿命，还可串行在线编程，具有低电

22、压监测等功能。图1-1 超声波流量计的软件流程图1.4 论文的构成及研究内容本文围绕时差法超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成和设计原理，并给出了进一步的改进想法与方案。本文内容由以下6部分组成：(1)绪论：分析了流量测量的意义，介绍了国内外流量计，尤其是超声波流量计的发展与现状，介绍了本论文的主要内容。(2)简述流量与流量计的概念，分析了时差法超声波流量计的基本测量原理，介绍了其它几种超声波流量计测量的方法以及流量计探头的安装方式。(2)系统硬件设计使用了高精度时间间隔测量数字转换芯片TDC-GP2、超低功耗16位单片机MSP430F1611等芯片，并详细

23、地介绍了设计电路及方案，阐述了设计原理。(4)系统软件设计部分介绍了流量计算的算法，并且给出了算法的流程框图，对于流量计控制软件，做了总体上的论述，提出了控制软件所要完成的功能，并给出了流程框图。(5)介绍了流量计的测试系统和误差的基本理论，重点讨论了流量计测量时各种误差对精度的影响。(6)结论：对论文完成的内容和得出的数据进行了总结，给出了系统的实现结果及本论文的意见。2 流量计基本原理2.1 超声波简介超声波为振荡频率高于的声波。人类能听到的声波范围是之间，低于的波为次声波。概括地讲，超声波有两大特点：1. 波长短现在使用的超声波频率从到几十兆赫兹，频率很高，所以波长很短，它具有一些类似光

24、线的物理性质。（1） 超声波的传播，类似于光线，遵循几何光学规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理。（2） 能够产生窄脉冲，为了提高探测精度和分辨率，要求探测信号的脉冲极窄，但一般脉冲宽度是波长的几倍，超声波的波长很短，所以可以作为窄脉冲信号发生器。2. 功率大（1） 声波能够产生并传播很大的能量，声波作用于物体时，物体分子也要随之运动，其振动频率和超声波振荡频率是相同的。因为超声波振荡频率相当高，所以物体分子的振动频率也很高，产生的能量也就很大。（2） 在液体内能产生空化现象。（3） 能够聚焦。超声波的聚焦可以使用凹透镜和声学棱镜，此外还把发射表面

25、作成雷达抛物面天线的形状进行聚焦。从超声波的物理性质出发，其应用可以分为两大方面：1. 超声波作为探测以及测量的信息在气体中的测量参数包括风向、风速、气温、煤气渗漏检查、电缆漏电检查、料位控制、自动控制、遥调、防盗报警、气体成份分析等；在液体中可以测量的参数有流速、流量、水温、鱼群探测、海探、海底地貌、寻找沉船、反潜、水下通讯以及液体的密度、粘度、浊度等；在固体中的测量参数有厚度、探伤、超声波固体延迟线、超声诊断、生物体组织的特征等。2. 超声波作为加工处理的能量在气体中的应用包括干燥、除尘、凝聚、贵重金屑的收集以及超声悬浮等；在液体中的应用包括超声清洗、乳化、粉碎、搅拌混合、提取、分散、加速

26、化学反应等；在固体中的应用有超声金屑加工、超声金屑及塑料焊接、陶瓷、玻璃及宝石等的打孔等。2.2 基础量及流量计工作原理原理2.2.1 流量测量基本量及单位流量计测量的结果需要以流量及总量的形式表示出来。流量就是在单位时间内流经管道横截面的基本物理量，有两种表示形式，即体积流量和质量流量，又叫做瞬时流量。其表达式为： 2.1 2.2式中：相对于流量的概念总量又称为累积流量，顾名思义表示在一定的时间之内流过管道横截面的总的流体量，按照流量的分类方式，也分为质量和体积两种形式。总量的表达式为： 2.3 2.42.2.2 基本工作原理超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和积累系统三部分组成

27、。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，由电子线路放大并转换为代表测量的电信号，经运算处理后供给显示和积累电路进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。超声波流量计常用压电换能器，发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应，发射换能器采用适当的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能，以便检测。综上，超声波的接收和发射是基于正压电效应和逆压电效应。l 逆压电效应将具有压电效应的介质置于电场内，由于电场作用引起介质内部币负电

28、荷中心发生位移，这种位移在宏观上表现为产生了形变(或应变)。应变和电场强度成正比，如电场反向，则应变亦反向。这一现象称为逆压电效应。将适当的交变电信号施加到压电晶体(比如压电陶瓷)，它将产生交替的压缩和拉伸，因为产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体耦合到弹性介质中，那么晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。因此此时的换能器处在发射状态，将电能转为声能。l 正压电效应当压电晶体(比如压电陶瓷)接收到超声波时，它将产生振动，这种振动引起陶瓷晶体在轴向产生交替的压缩和拉伸，就相当于外加了一个力使其产生交替的形变。这种形变将引起内部正负电荷中心发生相对的位移从而产生交替的

29、极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，将声能转换为电能。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。超声波在流体中传播时，收到流体速度的影响而载有流速信息。通过检测接收到的超声波信号可以测知流体流速，从而求得流体流量。2.2.3 时差法原理超声波流量计是一种非接触式流量计，其工作原理为超声波在流动的介质中传播时，便载上了流体的流速信息，因此，通过接收到的超声波就可检测出流体的流速，进而换算成流量。根据对信号检测的原理不同，目前超声波流量计大致可分为传播速度差法（包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法）、波束偏移法、多普勒法

30、、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。声波可在各种流体介质中传播，当超声波信号在流体介质中传播时，其固有传播速度即介质中声速与流体介质本身的速度无关，而仅仅取决于介质本身密度以及温度，压力等因素。但是总的传播速度却表现为声波在该流体介质中传播的固有速度与流体介质流速的叠加。时差法正是根据这一原理而产生。时差法可克服声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，故被广泛采用。时差法测量原理为：由于受流体流速的影响，在同一传播路径上，超声波沿顺流方向的传播时间小于沿逆流方向的传播时间，通过测量该传播时间差值，再利用其与被测流体流速间的关系便可求得流速进而换算出流量。按照超声波换能器的安装方法不同，时差法

31、又可分为：Z法（透过法）、V法（反射法）、X法（交叉法）等。TDC为时间数字转换器，可将时间间隔直接转化为高精度数字值。TDC-GP2芯片是通用TDC系列新一代产品，它的超高测量精度和小尺寸封装特性使其非常适用于高精度时间测量，如超声波流量和热量测量以及激光测距、测速等方面。结构如图2-1所示。图2-1 超声波流量计结构图1-超声波表体 2-超声波换能器 3-温度传感器利用超声波测量流体的流量是在流体的管段中设置1对超声波换能器，换能器交替发射接收超声波，通过测量超声波在流体介质的顺流和逆流传播时间，就可得到式2.5和式2.6： 2.5 2.6 2.7考虑到超声波在水中的传播速度C比流体在管道

32、中的流动速度v要大得多，而且是一个小于1的量值，所以式2.7可改写为： 2.83 系统硬件设计3.1 硬件统的总体设计系系统的硬件设计是采用模块化设计方法。MSP430单片机是系统的控制核心，并且对采集到的数据进行处理。TDC-GP2计时模块电路用来发射超声波换能器驱动信号、采集时间差，也是整个系统的核心。硬件系统结构框图如图3-1所示。图3.1 硬件系统结构框图整个系统的工作过程是：系统通电后，单片机完成自身和计时芯片的初始化设置。先给收发时序控制电路一个信号，来确定是顺水测量还是逆水测量。MSP430给GP2发送一个命令信号，通知GP2的脉冲发生器发射信号，用来驱动超声波换能器，同时给GP

33、2一个Start信号，计时开始。超声波信号通过管道中的流体后，接收换能器将接收到的信号修正后送到GP2的STOP引脚，计时结束。最后由GP2中的算术逻辑单元(ALU)算出超声波在流体中的传播时间。然后，MSP430改变收发时序控制电路的方向，再进行一次测量，又得到一个传播时间。两个时间参数，通过时差法的原理公式就能够算出管道中的流量。如图3.1，电源是贯穿整个硬件系统的全部模块的，所以这里不再单独标注。系统控制电路是整个系统的核心部分，所有的操作均由控制部分来掌控；实时时钟电路给系统提供实时时间，这个时间可以实时显示在LCD屏幕上，并在流量采集、数据存储和总量计算时提供帮助；按键电路提供给操作

34、者对系统控制的人机交互；LCD显示电路提供给操作者系统状态的观察窗口；发射电路为换能器提供驱动；接收处理电路将接收到的信号进行处理，并将其转换为数字形式的时间差脉冲；时差测量电路将测量到达的时差脉冲，并将结果送给控制系统；存储电路的作用是将采集到的结果以文件的形式保存，并可以通过计算机对其进行直接的访问。3.2 系统硬件电路模块设计3.2.1 系统控制电路模块目前广泛使用的单片机有MCS-51系列、PIC系列、MSP430系列等多种型号。与其它单片机相比，MSP430系列具有超低功耗、抗干扰能力强、适应温度范围宽等优点，适合工控且对功耗要求不敏感的领域。考虑到硬件电路的简化和系统性能的稳定，本

35、设计选用了美国TI公司的MSP4301611，属于MSP430系列的单片机。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。图3-2 MSP430单片机实物图MSP430家族主要是低功耗应用，它可以设置成不同的操作模式。操作模式的设置需要考虑三个不同的需求：低功耗应用、速度和数

36、据处理要求和单个外围设备的最小电流消耗。根据系统的需要可以在某些场合时系统进入低功耗模式，在进入低功耗模式后，系统的时钟就会停止，甚至主时钟都可以停止，这样系统的功耗处于级。当系统处于低功耗的时候，外部中断可以将系统从低功耗模式唤醒来执行相应的操作。MSP430系列芯片可以在内从低功耗模式迅速进入到活动模式。当系统进入低功耗的时候，所有的I/O端口、RAM和寄存器的内容不会发生变化，并且所有的中断都可以将系统从低功耗模式唤醒，从而进入中断服务程序，进行相应的处理。图3.3 MSP430F1611引脚图图3.4 MSP430F161x 结构框图选择这款单片机芯片，主要考虑其有以下优点：（1）其功

37、耗非常低。MSP430系列单片机的电源电压采用低电压，RAM数据保持方式下耗电仅，活动模式耗电(MIPS：每秒百万条指令数)，输入端口的漏电流最大仅。同时，它有五种低功耗模式，在低功耗模式下，唤醒快速方便，其从低功耗模式到唤醒的时间仅需要，可以通过中断的方式唤醒。这样，可以在需要的时候使其进入低功耗模式，在使用时，通过中断的方式唤醒。（2）其存储介质为FLASH型。相较于其他单片机，MSP430的F系列(F在此表示FLASH)单片机采用的是FLASH作为存储介质。内置的FLASH可以很方便的擦写，无需像其他内置ROM构造的芯片那样，需要将程序代码存储到片外FLASH或EEPROM当中，使操作更

38、简单方便。（3）其片上集成了丰富的外设资源。MSP430F1611的片上集成了两个同步SPI与异步RS232共用的外设模块，满足了上面对于系统设计的要求。同时，它具有12位的带采样保持内部参考源的模块。而这一模块，可以应用到电路系统信号强度检测当中。更加具有一般单片机所没有的硬件乘法器，大大加强了其数据处理能力。（4）丰富的通用端口。见图3.4，有6个通用端口共48个通用引脚，足以满足各种控制需要。（5）多中断源。MSP430F1611单片机的中断源有很多，其UART模块的收发都可以以中断形式实现，另外，它的P1和P2两端口均可收到中断。这样，就避免了查询等待方式效率慢，行为不易控制的缺点。（

39、6）大量的RAM资源。在设计中，除了以上几点因素以外，很重要的一点就是RAM的大小。在MSP430的F14X，F15X和F16X系列相近型号的选择中，之所以选择F1611，就是因为它有高达10KB的RAM资源。其中，在进行CF卡文件系统的读写时，需要用到大量的RAM资源，而在三个系列中其他芯片的RAM资源是无法满足要求的。3.2.2 时差测量电路时差法超声波流量计测量流量的关键是对于时差的精确测量，因而，对于顺逆流时间差测量的方法选择对于流量计精确与否至关重要。本设计采用了一款高精度的时间间隔测量数字转换芯片TDC-GP2来进行时差的测量。TDC-GP2(以下简称GP2)是德国ACAM公司通用

40、TDC系列的新一代产品，它具有高精度和小封装的特点，尤其适合于低成本的工业应用领域。另外，它还提供了与微处理器的多种接口方式，用户可以很方便地用它构成自己的系统或仪器。GP2由脉冲发生器、TDC(时间数字转换单元)、ALU(算术逻辑单元)、配置寄存器、控制单元、SPI接口及测温单元等模块组成。该芯片的内部结构如图3.5所示。图3.5 TDC-GP2内部结构图TDC-GP2芯片是一种专门用于超声波流量测量的芯片。它具有超高的精度和小尺寸的封装、高精度时间测量、高速脉冲发生器、接收信号使能、温度测量和时钟控制等功能，这些功能模块使得它尤其适合在超声波流量测量和热量测量方面的应用。该芯片利用现代化的

41、纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到65ps的精度，给超声波流量计的时差测量提供了完美的解决方案。尤其适合于低成本的工业应用领域。时间数字转换器是一个高精度达到皮秒级的时间间隔测量单元。测量原理是通过控制逻辑门的延迟时间。逻辑门对温度和电压变化很敏感，但是通过适当的控制和校准方法可以将通过逻辑门的延迟作为高精度的时间间隔。最新的CMOS技术使单次测量的精确度最高可达10ps(相当于100GHz)。TDC-GP2的单次时间间隔测量的典型精度为65ps，也就是说内部通过1个逻辑门的时间被确定在大约65ps。TDC-GP2芯片可自动完成时间测量，由MSP430微处理器发送一个Start指令，

42、TDC-GP2芯片得到该指令后自动触发换能器发出超声波，并测量2个换能器之间的传播时间，最后计算出时间差值并传送给MSP430微处理器。TDC-GP2是德国ACAM公司推出的继TDC-GP1之后的新一代TDC系列时间数字转换器，它有如下特性：（1）具有级的测量精度，核心供电电压为1.8V3.6V，外围I/O口供电电压为1.8V5.5V，完全可以使用电池供电，具有四线SPI标准接口，可方便地与微控制器进行数据交互，可以通过软件设置上升沿/下降沿单独触发或上升沿和下降沿同时触发，支持自动校准测量；（2）具有高速脉冲发生器，单次最多可以发射频率和相位都可调的15个脉冲，触发脉冲发生器提供两个输出结果

43、，Fire1和Fire2。每个输出在5V时的驱动能力是48mA，这两个输出的驱动能力可以同时增加到96mA。此外，每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍。图3.6 TDC-GP2引脚图（3）具有测量范围1和测量范围2两种测量模式。在测量范围2中，TDC-GP2的典型分辨率可达50ps，测量的时间范围500ns4ms，间隔脉冲对的分辨能力为两个校准时钟周期，最多可以进行3次采样，而且具有精确的停止信号使能窗口，每个单独的Stop信号都有一个精度为10ns的可调使能窗口，可提供准确的Stop信号，这样可最大限度地屏蔽干扰信号，准确捕捉需要的停止信号的触发沿时刻。TDC-GP2是以信号通过内部门电路

44、的传播延迟来进行时间间隔测量的，它可准确地记下信号通过门电路的个数。TDC-GP2主要由脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。在实际应用中，由于TDC-GP2的功耗很低，使得TDC-GP2的输入/输出电压(工作电压)为1.85.5V，核心电压为1.83.6V，所以可以采用电池供电，使用方便。同时单片机由4线的SPI接口相连，可以把TDC-GP2作为单片机的一个外围设备来操作。通过内部ALU单元计算出时间间隔，并将结果送入结果寄存器保存起来。通过对TDC-GP2内部寄存器的设置，可以多次采样并将结果保存。TDC-GP2是

45、基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的，是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。脉冲发生器：触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列。高速振荡器频率用作基本频率。这个频率在内部被倍频，它还可以自由地除以因子2-15进行分频。可以产生1-15个脉冲序列，每个脉冲序列都可通过设置寄存器来调节其相位。在本系统中，发送出1MHz的15个脉冲序列，在其第8个脉冲处产生相位翻转作为真正的Start信号，这样就可以从收波中相应位置提取出脉冲作为Stop信号。TDC模块：本系统采用GP2芯片的测量范围2，其测量范围为500ns-4ms。在测量范围2中，采用前置配器来扩展

46、可测量的最大时间间隔。此模式下，TDC的高速单元并不测量整个时间间隔，仅测量从Start信号或者Stop信号到相邻基准时钟的上升沿之间的间隔时间(Finecounts)。在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数(Coarsecount)。在、25的条件时，GP2的最小分辨率为65ps。图3.7为测量范围2的测时原理图3.7 TDC-GP2测量范围2测时原理ALU模块：在测量之后，算术逻辑单元根据计算公式： 3.1 3.2计算时间，将32位定点数结果送到结果寄存器中。选择ALU空闲作为中断源，只要结果寄存器中有可读的数据，中断标志位就会置位。然后输出寄存器的载入指针增1，并指向下一个要存储

47、的单元。状态寄存器的位0.2可以显示出载入指针的实际位置。配置寄存器：用来根据用户的需要对芯片进行设置。控制单元：根据芯片的具体设置，控制各个模块进行工作。SPI接口：用于单片机与GP2之间的通信。测温单元：温度测量是全自动的。通过单片机发送代码来启动温度测量。GP2自动控制4次测量。测量完成之后中断标志置位。四次测量数据被存储在寄存器0-3中。TDC-GP2的一个非常大的优势就是超低的电流消耗。这个优势要归功于TDC的革新的测量方法，因为GP2将测量以脉冲的形式来进行，而且尤其在超声波测量中，要用到测量范围2的时候，如上图所示TDC的核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量start信号上升沿到下一个参考时钟上升沿和stop信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则由数才考时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。在超声波流量计的设计中，由于应用TDC-GP2进行设计，大