【導(dǎo)讀】在國(guó)家清潔能源政策支持下，天燃?xì)庖呀?jīng)成為我們清潔能源體系的主體能源之一。隨著天燃?xì)庠谖覈?guó)一次能源消費(fèi)中的比例逐步攀升，燃?xì)庥?jì)量行業(yè)也在快速發(fā)展。目前市場(chǎng)上的主流燃?xì)獗戆▊鹘y(tǒng)的機(jī)械式膜式燃?xì)獗砗碗娮邮侥な饺細(xì)獗?。因?yàn)槟な饺細(xì)獗淼募夹g(shù)成熟、計(jì)量可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，這種方式一直在燃?xì)庥?jì)量行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是膜式燃?xì)獗碛捎诮Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磨損、易受管道介質(zhì)溫度壓力等因素影響，導(dǎo)致測(cè)量精度降低，小流量測(cè)量精度差。超聲波技術(shù)作為一種新型的計(jì)量方式，在日本、歐洲、美國(guó)等國(guó)家開(kāi)始采用。超聲波氣表具有非接觸測(cè)量、無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)壓力損失、極高測(cè)量精度、高測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)勢(shì)，在燃?xì)獗硎袌?chǎng)中嶄露頭角。結(jié)合燃?xì)獗碇悄芑?、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，中國(guó)超聲波燃?xì)獗硎袌?chǎng)將迎來(lái)春天。
機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。超聲波雖然是工業(yè)應(yīng)用中一種成熟技術(shù)，但是要在家用燃?xì)獗碇衅占?，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中會(huì)面臨各種挑戰(zhàn)。如何確保超聲波燃?xì)獗淼姆€(wěn)定性、如何提高小流量的精度、如何實(shí)現(xiàn)低功耗等等問(wèn)題，是我們?cè)O(shè)計(jì)初期就需要充分考慮的因素。換能器作為超聲波燃?xì)獗淼闹饕考唬囊恢滦浴㈩l率特性溫度漂移、長(zhǎng)時(shí)間老化都會(huì)影響到燃?xì)獗淼姆€(wěn)定性和精度。超聲波技術(shù)涉及到精密信號(hào)采集和快速的數(shù)據(jù)處理，如何降低系統(tǒng)功耗也需要重點(diǎn)考慮。
TI 超聲波技術(shù)USS (Ultrasonic Sensing Solution) 源于TI Jack Kilby創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，其高集成度、先進(jìn)的信號(hào)處理等優(yōu)點(diǎn)，為超聲波氣表設(shè)計(jì)提供高精度、高穩(wěn)定性、高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗的方案。下面小編會(huì)對(duì)TI USS 技術(shù)優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)品特點(diǎn)、設(shè)計(jì)資源等方面逐一介紹。
工作原理
超聲波測(cè)量流量的原理就是通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中正向、逆向的飛行時(shí)間差（DTOF）來(lái)計(jì)算流體的流速，通過(guò)流體流速乘以管道系數(shù)，就可以得到瞬時(shí)流量。瞬時(shí)流量是一個(gè)隨時(shí)間變化的量，我們對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行積分就可以得到一段時(shí)間的流量。
圖1
上圖1右邊是如何測(cè)量流速的公式推導(dǎo)。T12和T21分別為超聲波在兩個(gè)換能器之間正、反向的絕對(duì)飛行時(shí)間; L 為換能器之間的距離；v為流體的流速；c為超聲波在流體中的傳播速度。因?yàn)槌暡ǖ膫鞑ニ俣仁芰黧w的溫度、流體的彈性模量和密度這幾個(gè)因素有非常大的相關(guān)因素，所以我在公式推導(dǎo)過(guò)程中抵消這個(gè)參數(shù)。最后我們得到公式只跟流體流速、超聲波絕對(duì)飛行時(shí)間、時(shí)間差以及超聲波傳播方向的夾角這幾個(gè)參數(shù)相關(guān)。通常絕對(duì)飛行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正、反向時(shí)間差，所以時(shí)間差測(cè)量精度決定最后的流速精度。
如何能夠準(zhǔn)確測(cè)量出超聲波的飛行時(shí)間差呢？目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的測(cè)量時(shí)間的方式是閾值法也叫過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法（TDC），而TI采用的技術(shù)是互相關(guān)算法（Correlation）。 下面圖2是這兩種測(cè)量方式的示意圖。
圖2
閾值法實(shí)際是閾值檢測(cè)和過(guò)零檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合。超聲波接收端對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)接收到的信號(hào)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路開(kāi)啟，通過(guò)檢測(cè)超過(guò)閾值后的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間來(lái)獲取超聲波的飛行時(shí)間。這種單點(diǎn)觸發(fā)方式容易受系統(tǒng)噪聲干擾，所以要求超聲波的幅值足夠高。我們可以通過(guò)提高換能器的電壓或者驅(qū)動(dòng)電流來(lái)增加超聲波的發(fā)射幅值，副作用就是系統(tǒng)功耗會(huì)升高。而且換能器的老化、環(huán)境溫度變化都可引起換能器幅值的變化，進(jìn)一步影響到測(cè)量精度的穩(wěn)定性。干擾同時(shí)會(huì)影響過(guò)零點(diǎn)的波形，從而嚴(yán)重影響測(cè)量精度。
而TI USS采用的相關(guān)算法來(lái)測(cè)量相位差。通常高速ADC會(huì)以4倍于被測(cè)信號(hào)頻率對(duì)上下行兩路信號(hào)進(jìn)行采樣，再將采樣到的兩路離散信號(hào)做線相關(guān)運(yùn)算，線相關(guān)運(yùn)算結(jié)果峰值點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為兩路信號(hào)之間的相位差。隨后通過(guò)高精度插值算法求得該橫坐標(biāo)，進(jìn)而得到兩路信號(hào)之間的時(shí)間差。
這種方式有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
● 相關(guān)算法相當(dāng)于一個(gè)濾波器，在信號(hào)處理時(shí)可以濾除噪聲，降低線路上噪聲對(duì)采樣精度的影響
● 對(duì)超聲波信號(hào)幅值要求比閾值法的低，這樣可以采用低壓換能器，降低系統(tǒng)功耗。
● 穩(wěn)定性好，因?yàn)橄嚓P(guān)算法是計(jì)算采樣信號(hào)的相位，信號(hào)幅值的變化對(duì)測(cè)量精度影響不大。所以在換能器老化、受環(huán)境溫度影響，信號(hào)幅● 值出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，相關(guān)算法可以保持測(cè)量精度的穩(wěn)定性。
● TI USS 對(duì)超聲波進(jìn)行全波采樣，我們可以獲得整個(gè)超聲波的曲線。通過(guò)觀察信號(hào)包絡(luò)曲線的長(zhǎng)期變化，我們可以判斷換能器的老化狀況，并通過(guò)軟件進(jìn)行校準(zhǔn)，確保燃?xì)獗碚麄€(gè)生命周期的穩(wěn)定性。
系統(tǒng)架構(gòu)
先進(jìn)的算法需要依托于優(yōu)化的硬件平臺(tái)，才能充分展現(xiàn)其性能優(yōu)勢(shì)。如圖3所示，TI 超聲波燃?xì)獗矸桨富贛SP430內(nèi)核，同時(shí)集成超聲波傳感子系統(tǒng)（USS）、低功耗加速器（LEA）、計(jì)量測(cè)試接口（MTIF）等功能模塊。其中USS集成了豐富的模擬電路，包含模擬前端和ADC，為超聲波信號(hào)產(chǎn)生、接收、信號(hào)調(diào)理提供必要的硬件條件以及設(shè)計(jì)的靈活性。低功耗加速器LEA（Low Energy Accelerator）實(shí)際上是集成的一個(gè)DSP內(nèi)核，它可以獨(dú)立對(duì)USS采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速數(shù)學(xué)運(yùn)算，降低數(shù)據(jù)處理時(shí)間，減小CPU的開(kāi)銷，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗。這些子系統(tǒng)對(duì)超聲波流量測(cè)試性能、功耗至關(guān)重要，是TI 超聲波方案差異化的技術(shù)核心。
圖3
USS子系統(tǒng)
USS子系統(tǒng)用于超聲波信號(hào)發(fā)生、接收信號(hào)調(diào)理以及AD采集。如圖4所示，USS是一個(gè)高度集成的物理結(jié)構(gòu)，主要由幾個(gè)功能模塊構(gòu)成，主要包含脈沖發(fā)生器PPG（Programmable Pulse Generator）、PHY、Sigma-delta高速ADC（SDHS）、高速鎖相環(huán)（HSPLL）、子系統(tǒng)供電模塊（UUPS）以及采樣系統(tǒng)時(shí)序控制模塊（ASQ）。
圖4
PPG用于產(chǎn)生超聲波的激勵(lì)信號(hào)。作為信號(hào)源頭，該功能模塊提供靈活的參數(shù)設(shè)置。超聲波的激勵(lì)頻率可設(shè)定，覆蓋范圍從132KHz到2.5MHz，我們可以針對(duì)不同特性的換能器設(shè)定相應(yīng)的脈沖頻率。信號(hào)脈沖數(shù)量可以從單個(gè)脈沖到127個(gè)脈沖。在激勵(lì)脈沖結(jié)束時(shí)，我們也可以通過(guò)設(shè)定180度相位的反向脈沖來(lái)抵消換能器的超聲波殘余信號(hào)，最大反向脈沖最高可以到15個(gè)。激勵(lì)脈沖的極性可以通過(guò)寄存器設(shè)定，如下圖5所示。
圖5
在氣體流量設(shè)計(jì)中，PPG可以支持掃頻模式，激勵(lì)頻率可以設(shè)定在一定范圍內(nèi)。這樣TI 超聲波方案可以更好支持寬頻率特性的換能器。換能器的頻率特性受環(huán)境溫度、一致性、長(zhǎng)時(shí)間老化等因素而變化，激勵(lì)頻率可以覆蓋這些范圍，確保我們?nèi)細(xì)獗頊y(cè)量的高精度和穩(wěn)定性。在掃頻模式下，我們可以通過(guò)下面公式來(lái)計(jì)算頻率變化的步長(zhǎng)。
，(HPER : High period of pulse; LPER : Low period of pulse)
，(HPER : High period of pulse; LPER : Low period of pulse)PHY是USS子系統(tǒng)與換能器連接的物理層，實(shí)現(xiàn)換能器的驅(qū)動(dòng)以及阻抗匹配，如下圖6。TI的USS模塊提供雙路換能驅(qū)動(dòng)以及信號(hào)接收。驅(qū)動(dòng)信號(hào)和接收信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)上、下行換能器的交換，實(shí)現(xiàn)一對(duì)換能器可以雙向信號(hào)傳輸。PHY的輸出驅(qū)動(dòng)阻抗可以低至4?、驅(qū)動(dòng)電流可以高達(dá)120mA，所以配合簡(jiǎn)單的阻容電路，USS模塊可以直接驅(qū)動(dòng)換能器，而不需要增加額外的模擬器件。
因?yàn)樯稀⑾滦谐暡ㄐ盘?hào)會(huì)通過(guò)兩個(gè)不同的換能器發(fā)出，換能器與USS驅(qū)動(dòng)的阻抗匹配就需要考慮到。TI USS的PHY可以提供驅(qū)動(dòng)、端接兩種狀態(tài)下的阻抗匹配，匹配設(shè)定參數(shù)可以保存在寄存器里面。這樣在生產(chǎn)的過(guò)程中，我們可以通過(guò)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)每一個(gè)換能器進(jìn)行獨(dú)立阻抗匹配，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。
圖6
SDHS系統(tǒng)對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和高速采樣。如圖7所示，內(nèi)部包含可編程增益放大器（PGA）、12Bit Sigma-Delta ADC， 數(shù)據(jù)傳輸控制器（DTC）等功能模塊。ADC可以支持高于1.5MHz的信號(hào)帶，典型信噪比（SNR）可到達(dá)63dB。ADC的調(diào)制頻率從68MHz到80MHz，調(diào)制頻率來(lái)自高速鎖相環(huán)，可支持過(guò)采樣率范圍10~160。ADC這個(gè)功能模塊可以獨(dú)立使用采樣其他信號(hào)。ADC的最大輸入范圍是600mV，但是在實(shí)際流量測(cè)試過(guò)程中，接受到的超聲波信號(hào)可能在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。這需要PGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使ADC的輸入幅值在最優(yōu)采樣范圍。PGA的增益可以通過(guò)寄存器設(shè)置動(dòng)態(tài)調(diào)整，可調(diào)整范圍在-6dB~30dB之間，可調(diào)步長(zhǎng)為~1dB。這一特點(diǎn)可以讓我們動(dòng)態(tài)優(yōu)化產(chǎn)品性能。比如，當(dāng)換能器長(zhǎng)時(shí)間使用老化后，發(fā)射的超聲波幅值降低。在接收端觀察到ADC采樣幅值降低后，可以通過(guò)程序自動(dòng)增加PGA的增益，使ADC的輸入幅值始終保持在最優(yōu)采樣范圍從而避免設(shè)備老化引起系統(tǒng)性能變差。
ADC采樣出來(lái)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)DTC直接傳輸?shù)降凸募铀倨鳎↙EA）共享的RAM，方便LEA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。這個(gè)過(guò)程不需要CPU的干預(yù)，這樣可以減小系統(tǒng)處理時(shí)間、降低功耗。
圖7
低功耗加速器LEA
LEA 集成了一個(gè)32位的DSP核，主要用來(lái)處理基于向量的數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號(hào)處理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖8。該LEA可以支持16位、32位定點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以支持目前主流的算法包含：FFT、FIR、IIR、矩陣、向量乘法等。通過(guò)調(diào)用DSP Lib， LEA 可以支持超過(guò)50種函數(shù)運(yùn)算。
圖8
采用LEA進(jìn)行這些數(shù)學(xué)運(yùn)算，跟傳統(tǒng)的MCU相比，LEA的運(yùn)算效率更高、功耗更低。下面表1我們給出LEA和不同的CPU計(jì)算16位FFT所需要的時(shí)鐘周期。以Cortex-M4F的CPU為例，它要相同時(shí)間內(nèi)完成LEA的運(yùn)算量，它的時(shí)鐘需要提高到LEA的3倍，這樣功耗也會(huì)提高3倍。
表1
如果我們對(duì)比MSP430 CPU 和LEA性能，如圖9所示，在相同的時(shí)間32mS內(nèi)采樣256次并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT函數(shù)運(yùn)算。LEA的運(yùn)算時(shí)間是700uS而MSP430 CPU需要9.64mS。在其他時(shí)間基本一致的情況下，LEA高效的數(shù)據(jù)處理可以讓系統(tǒng)處于低功耗模式（LPM0）的時(shí)間更長(zhǎng)，從而大幅度降低整個(gè)系統(tǒng)功耗。
圖9
USS設(shè)計(jì)中心
TI USS設(shè)計(jì)中心提供可視化的設(shè)計(jì)界面，讓客戶可以快速啟動(dòng)超聲產(chǎn)品評(píng)估和設(shè)計(jì)，調(diào)試更簡(jiǎn)單。
在圖10的USS GUI中，我們可以直觀設(shè)置超聲波的各種參數(shù)。從基本超聲波激勵(lì)頻率、脈沖數(shù)量、上下行超聲波的時(shí)間間隔、PGA的增益等等基本參數(shù)到 USS的時(shí)鐘頻率、ADC的采樣率、超聲波的捕捉時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)都可以通過(guò)GUI來(lái)設(shè)定。并且通過(guò)GUI實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、芯片、應(yīng)用程序之間的通信。
圖10
GUI還可以以波形的形式展現(xiàn)測(cè)試結(jié)果，方便設(shè)計(jì)人員對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。圖11左邊的波形為ADC采樣到的超聲波信號(hào)。可以通過(guò)調(diào)整PGA的增益，讓ADC Capture的幅值在±800左右以達(dá)到最優(yōu)的ADC轉(zhuǎn)換效果。圖11右邊為GUI提供實(shí)時(shí)TOF測(cè)試結(jié)果，DToF為上下行超聲波的時(shí)間差、Absolute ToF為測(cè)試得到超聲波的絕對(duì)飛行時(shí)間以及VFR瞬時(shí)流量。波形下方的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)量展示了該數(shù)據(jù)的平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差。
圖11
TI 超聲方案產(chǎn)品及特點(diǎn)
TI USS 明星產(chǎn)品包含MSP430FR6043, MSP430FR5043 ，圖12為MSP430FR6043產(chǎn)品簡(jiǎn)介。
圖12
綜合前面所述，TI超聲波方案優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)總結(jié)為下面幾個(gè)方面：
● 低流量、工作溫度范圍內(nèi)飛行時(shí)間差dTOF可達(dá)到±250ps以內(nèi)的精度
● 在12000L/小時(shí)的流量范圍內(nèi)，200:1的動(dòng)態(tài)范圍下，測(cè)量精度可達(dá)到±1%
● 最大流量測(cè)試可以超過(guò)25000L/小時(shí)；可以監(jiān)測(cè)最小流量< 3L/小時(shí)
● 在1秒測(cè)試一組數(shù)據(jù)的條件下，整體功耗低于20uA
● 方案平臺(tái)覆蓋面廣，可以支持家用氣表、工業(yè)氣體流量管徑范圍覆蓋15mm~1000mm
● 支持各種換能器、可以配置多種信號(hào)路徑
● 高精度、高穩(wěn)定性，對(duì)于換能器一致性、長(zhǎng)時(shí)間老化、環(huán)境溫度變化都能確保高精度
● 高集成度提高系統(tǒng)的可靠性
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