專利名稱：高分辨率時間測量、處理裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及在流體中順流與逆流的傳播時差測量流體流量的計量儀表，以及其他一切需要高分辨率測量時間的技術領域，具體涉及ー種高分辨率時間測量、處理裝置。
背景技術：
隨著電子技術發展，電子元器件成本大幅降低，低成本、高精度超聲波流量計制造技術日趨成熟，應用日益廣泛，開始逐步進入諸如熱量表、水表、燃氣表這類極其廣闊的民用計量儀表市場。在熱量表、水表、燃氣表應用中，超聲波流量計測量液體/氣體流量的基本方法是時差法。即在流動的液體/氣體中，超聲波沿順流方向傳播和沿逆流方向傳播的速度是不同的。順流的速度是超聲波在靜態液體/氣體中速度與液體/氣體流速之和，逆流的速度 是超聲波在靜態液體/氣體中速度與液體/氣體流速之差。因此，超聲波在ニ點間沿順流方向傳播和沿逆流方向傳播的時間不同，測量出這ニ個時間之差，就可以計算出液體/氣體的流速，流量。超聲波在ニ點傳播時差通常是非常小的。特別是小口徑的熱量表、水表、燃氣表，ニ點間距離(即所謂聲程)小，流速低，時差的分辨率要求達到皮秒(PS)級，這對時間測量電路要求很高。目前超聲波流量計中使用的測量超聲波傳播時差電路一般為聲環繞法或ー種型號為GP2的時間數字轉換器1C。前者用“接力”方式擴大時差，從而降低對測量時差的分辨率要求；后者以信號通過邏輯門電路的時間作為時間測量單位，可使時間測量分辨率達到65ps。但是這ニ種方法都有局限，前者測量時間過長，本質上是以時間換精度，能量消耗較大,制造小口徑電池供電儀表時,對電池容量要求較高，拉高了成本；后者的分辨率仍不能滿足制造更高性能儀表要求，而且成本較高，成為低端市場接受的障礙。
實用新型內容(一 )要解決的技術問題本實用新型要解決的技術問題是提供ー種高分辨率、低成本、低耗電的時間測量、
處理裝置。( ニ )技術方案為了解決上述技術問題，本實用新型提供ー種高分辨率時間測量、處理裝置，包括振蕩器、換能器、信號處理器和信號解析器；振蕩器，用于產生預定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉換成另ー種形式的能量信號，井能夠發送和接收該種能量信號；信號處理器，用于根據所述換能器發送后接收的回波能量信號進行信號處理；信號解析器，用于將所述信號處理器處理后的信號進行解析得到時間測量結果，并進ー步處理得到處理結果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關斷。優選地，所述振蕩器的主頻上限大于等于16MHz。優選地，所述換能器能夠將振蕩轉換成但不限于超聲波、激光或電磁波。優選地，所述信號處理器包括可關斷恒流源和電容；當所述信號解析器控制可關斷恒流源打開時，所述可關斷恒流源以電流對電容充電；當所迷信號解析器控制可關斷恒流源關斷吋，得到并存儲所述電容電壓轉換值后，所述電容放電。優選地，所述處理結果為但不限于流量、距離或電路斷路定位。優選地，所述裝置應用于超聲波流量測量，所述換能器包括兩個超聲波換能器。優選地，所述振蕩器和信號解析器集成于MCU中；所述信號處理器包括可關斷恒流源和電容；所述MCU和超聲波換能器之間還設有功率放大器和模擬開關；所述換能器和可關斷恒流源之間還設有放大/比較器和邏輯門電路，所述邏輯門電路包括三個與非門。優選地，MCU —方面向功率放大器輸出預定頻率的方波作功率放大，一方面啟動內部計數器開始對內部高頻時鐘計數；功率放大器輸出的方波經過受MCU控制的模擬開關驅動超聲波第一換能器/第二換能器發出超聲波信號；超聲波信號在液體/氣體流經的管道中傳播到第二換能器/第一換能器，在相應換能器信器上感應出電信號，該電信號輸入到放太/比較器，經比較器整形得到預定頻率的方波輸出到第一與非門；當第一與非門的時鐘控制輸入端為高電平時，方波的上升沿啟動可關斷恒流源，開始以電流對電容充電，并給MCU發出中斷請求信號；可關斷恒流源另ー控制端和第二與非門的輸出端連接，第二與非門的兩輸入端一個接收MCU的高頻時鐘輸出，另ー個與可關斷恒流源flag端連接；當可關斷恒流源處于打開狀態吋，flag端為高電平，第二與非門允許高頻時鐘脈沖通過，打開可關斷恒流源后的第一個高頻時鐘脈沖通過第二與非門關斷可關斷恒流源；這樣，被打開的可關斷恒流源在ー個MCU時鐘周期內被關斷，電容的電壓充到V。。優選地，MCU接收中斷請求信號后，立即轉入中斷處理，啟動ADC對電容上電壓進行模數轉換，得到并存儲轉換值；控制放電開關閉合，放掉電容上電荷，使電容上電壓歸零，為下一次測量做準備。(三)有益效果本實用新型高分辨率時間測量、處理裝置的分辨率可達17ps，僅用較廉價的單片機(MCU)及少量周邊元件，就可以完成精度高于GP2的超聲波傳播時間測量，而且電能消耗遠低于聲環繞法。因而同時具備并高于聲環繞法和GP2及其系列產品D的優點，且成本低，電路簡單，測量時間快，耗電小。本實用新型還可應用到其他一切需要高分辨率測量時間的技術領域，例如，激光測距、電纜斷路定位等等。
圖I為本實用新型裝置的結構框圖；圖2為本實用新型裝置一實施例的電路原理圖；圖3為本實用新型裝置一實施例中可關斷電源的電路圖；圖4為本實用新型裝置一實施例的電路時序圖；具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進ー步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不是限制本實用新型的范圍。如圖I所示，本實用新型所述的高分辨率時間測量、處理裝置，包括振蕩器、換能器、信號處理器和信號解析器；振蕩器，用于產生預定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉換成另ー種形式的能量信號，井能夠發送和接收該種能量信號；信號處理器，用于根據所述換能器發送后接收的回波能量信號進行信號處理；信號解析器，用于將所述信號處理器處理后的信號進行解析得到時間測量結果，并進ー步處理得到處理結果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關斷。本實用新型裝置可應用于超聲波熱量表、超聲波水表、超聲波燃氣表等應用超聲波在流體(液體或氣體)中順流與逆流的傳播時差測量流體流量的計量儀表，本實用新型還可應用到其他一切需要高分辨率測量時間的技術領域，例如，激光測距、電纜斷路定位等 坐寸ο所述振蕩器的主頻上限大于等于16MHz。所述換能器能夠將振蕩轉換成但不限于超聲波、激光或電磁波。所述處理結果為但不限于流量、距離或電路斷路定位。所述信號處理器可以包括可關斷恒流源和電容；當所迷信號解析器控制可關斷恒流源打開時，所述可關斷恒流源以電流對電容充電；當所迷信號解析器控制可關斷恒流源關斷時，得到并存儲所述電容電壓轉換值后，所述電容放電。如圖2所示，在本實用新型一實施例中，單片機(MCU)內部高頻震蕩經分頻后得到IMHz頻率的方波。測量開始后，單片機(MCU) —方面向功放電路輸出IMHz頻率的方波作功率放大,一方面啟動內部計數器開始對內部高頻時鐘計數。功放電路輸出的IMHz頻率的方波經模擬開關Ul (受MCU的控制)驅動換能器I/換能器2發出超聲波信號。超聲波在液體/氣體流經的管道中傳播到另ー換能器2/換能器I，在此換能器信器上感應出正弦波電信號。這個正弦波電信號輸入到放太/比較器，經比較器整形得到IMHz頻率的方波輸出到與非門U3-1。當U3-1的時鐘控制輸入端為高電平時，方波的上升沿啟動可關斷恒流源(實施例如圖3所示)，開始以電流I對電容C充電，并給單片機(MCU)發出中斷請求信號。可關斷恒流源另ー控制端(CLOSE)與非門U3-2輸出端連接，U3-2的ニ輸入端ー個接收單片機(MCU)高頻時鐘輸出，另ー個與可關斷恒流源flag端連接。當可關斷恒流源處于打開狀態時，flag端為高電平，U3-2允許高頻時鐘脈沖通過，因此，打開可關斷恒流源后的第一個高頻時鐘脈沖通過U3-2與非門關斷可關斷恒流源。這樣，被打開的可關斷恒流源在ー個單片機(MCU)時鐘周期內被關斷。電容C的電壓充到V。Vc = (I X Δ t) /C = (I/C) X Δ t這里，At是充電時間。當I和C不變時，Vc與At成正比，只要測量Vc，便可推出At。單片機(MCU)接收中斷請求信號后，立即轉入中斷處理。中斷處理程序依次進行以下處理(I)關閉內部計數器停止計數，讀出計數器值η ;(2)在時間控制線上輸出低電平，封鎖與非門U3-1 ；(2)啟動ADC對電容C上電壓進行模數轉換，得到與電壓V對應的轉換值m;[0041](3)控制開關K閉合，放掉電容C上電荷，使電容C上電壓歸零，為下一次測量做準備;(4)計算超聲波傳播時間t = mXtf-nXte-tg0這里，tf是單片機(MCU)時鐘周期，te是細計時的時間數字轉換系數，通常由校準得到。校準時，使電容C以電流I充電tf時間，然后將充電后的電壓轉換為數字，設為P，則te = tf/p ;tg是各項延時的總和,例如功放電路延時、模擬開關延時、比較電路延時、可關斷恒流源延時、中斷響應及中斷處理延時等等。對于ー特定個體，這些延時的總和通常是恒定的。后面將看到，tg在計算逆流和順流的傳播時間之差時互相抵消，因此是無關緊要的。如此可以先后測量出超聲波在ニ換能器之間沿逆流方向傳播時間和沿順流方向傳播時間，設分別為tb和ta:Tb = mb X tf-nb X te_tg·Ta = maX tf-naX te-tg則Λ T = Tb-Ta = (mb-ma) X tf+ (nb_na) X te= [ (mb-ma) + (nb_na) /p] Xtf測量時只要存儲相關的m、n、p。設測量液體/氣體點流速為q，則[0051 ] q = k Δ T = k [ (mb_ma) + (nb_na) /p] tf= (k tf) [ (mb-ma) + (nb_na) /p]令K = k tf,則q = K [ (mb-ma) + (nb_na) /p]K由標定時根據標準設備確定。由此可見，測量超聲波傳播時間時，只要計算并存儲值z = m+n/P就足夠了。在本實用新型一實施例中，測量電路時序圖見圖4。如前所述，P值是由校準決定的。校準時，單片機(MCU)在校準脈沖線上發出ー個脈沖，此脈沖經過與非門U2-3后，一方面啟動可關斷恒流源，開始以電流I對電容C充電，另ー方面給單片機(MCU)發出中斷請求信號。在ー個高頻時鐘周期末，啟動的可關斷恒流源被與非門U2-2輸出的高頻時鐘脈沖關斷。單片機(MCU)接收中斷請求信號后，立即轉入中斷處理。中斷處理程序依次進行以下處理(I)啟動ADC對電容C上電壓進行模數轉換，得到并存儲轉換值P ；(2)控制開關K閉合，放掉電容C上電荷，使電容C上電壓歸零，為下一次測量做準備。可關斷恒流源電流I和電容C的值得確定，一般按下式計算I/C = O. 9Vadc/tf這里Vad。是ADC比較電壓，在一次性鋰電池供電設備中，通常為1，5_2V。例如，若取Vadc = 2V，tf = 125ns (即單片機主頻為 8MHz)，C = IOOpf, M I 應取
I.44mA. 關于測量分辨率。由前述原理可知,測量時間的分辨率r為[0067]r = tf/p這里p的大小決定于ADC的位數。仍以上例說明，若ADC為12位模數轉換器，則P = 0.9X4096 = 3686，r = 34ps。優于GP2系列產品的時間測量分辨率。若使單片機(MCU)主頻提高到16MHz，則r = 17ps。遠優于GP2系列產品的時間測量分辨率。 關于成本本實用新型的電路僅一片與非門(其中有4個與非門，使用其中3個)、一片D觸發器(詳見圖2 :可控恒流源示例，雙D觸發器之一)、2個三極管及若干電阻電容，就可實現性能遠高于集成電路GP2的時間測量功能。其電路復雜性不及GP2的百分之一，成本僅 GP2的十分之一。 關于電能消耗本實用新型的電路采用AD轉換器將正比于被測時間的電壓V。轉換為數字，耗時僅幾個微秒。較GP2須配置控制寄存器，等待測量完成標志，讀結果寄存器等幾乎近I毫秒耗時，時間縮短許多，因而電能消耗小許多。顯而易見，本實用新型高分辨率時間測量、處理裝置及其測量方法，具有電路簡單，成本低廉，測量精度高，測量時間快，耗電小等現行超聲波時差測量電路達不到的優點。本實用新型還可應用到其他一切需要高分辨率測量時間的技術領域，例如，激光測距、電纜斷路定位等等。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.ー種高分辨率時間測量、處理裝置，其特征在于，包括振蕩器、換能器、信號處理器和信號解析器； 振蕩器，用于產生預定頻率的振蕩； 換能器，用于將所述振蕩轉換成另ー種形式的能量信號，井能夠發送和接收該種能量信號; 信號處理器，用于根據所述換能器發送后接收的回波能量信號進行信號處理； 信號解析器，用于將所述信號處理器處理后的信號進行解析得到時間測量結果，并進一步處理得到處理結果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關斷。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述振蕩器的主頻上限大于等于16MHz。
3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述換能器能夠將振蕩轉換成但不限于超聲波、激光或電磁波。
4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述信號處理器包括可關斷恒流源和電容；當所述信號解析器控制可關斷恒流源打開時，所述可關斷恒流源以電流對電容充電；當所述信號解析器控制可關斷恒流源關斷時，得到并存儲所述電容電壓轉換值后，所述電容放電。
5.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述處理結果為但不限于流量、距離或電路斷路定位。
6.如權利要求1-5中任意一項所述的裝置，其特征在干，應用于超聲波流量測量，所述換能器包括兩個超聲波換能器。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述振蕩器和信號解析器集成于MCU中；所述信號處理器包括可關斷恒流源和電容；所述MCU和超聲波換能器之間還設有功率放大器和模擬開關；所述換能器和可關斷恒流源之間還設有放大/比較器和邏輯門電路，所述邏輯門電路包括三個與非門。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在干，MCU—方面向功率放大器輸出預定頻率的方波作功率放大，一方面啟動內部計數器開始對內部高頻時鐘計數；功率放大器輸出的方波經過受MCU控制的模擬開關驅動超聲波第一換能器/第二換能器發出超聲波信號；超聲波信號在液體/氣體流經的管道中傳播到第二換能器/第一換能器，在相應換能器信器上感應出電信號，該電信號輸入到放太/比較器，經比較器整形得到預定頻率的方波輸出到第一與非門(U3-1);當第一與非門的時鐘控制輸入端為高電平時，方波的上升沿啟動可關斷恒流源，開始以電流對電容(Cl)充電，并給MCU發出中斷請求信號；可關斷恒流源另ー控制端和第二與非門(U3-2)的輸出端連接，第二與非門的兩輸入端一個接收MCU的高頻時鐘輸出，另ー個與可關斷恒流源flag端連接；當可關斷恒流源處于打開狀態吋，flag端為高電平，第二與非門允許高頻時鐘脈沖通過，打開可關斷恒流源后的第一個高頻時鐘脈沖通過第二與非門關斷可關斷恒流源；這樣，被打開的可關斷恒流源在ー個MCU時鐘周期內被關斷，電容的電壓充到V。。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在干，MCU接收中斷請求信號后，立即轉入中斷處理，啟動ADC對電容(Cl)上電壓進行模數轉換，得到并存儲轉換值；控制放電開關閉合，放掉電容上電荷，使電容上電壓歸零，為下一次測量做準備。
專利摘要本實用新型是一種高分辨率時間測量、處理裝置，包括振蕩器、換能器、信號處理器和信號解析器；振蕩器，用于產生預定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉換成另一種形式的能量信號，并能夠發送和接收該種能量信號；信號處理器，用于根據所述換能器發送后接收的回波能量信號進行信號處理；信號解析器，用于將所述信號處理器處理后的信號進行解析得到時間測量結果，并進一步處理得到處理結果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關斷。具有電路簡單，成本低廉，測量精度高，測量時間快，耗電小等優點。
文檔編號G01F1/66GK202453016SQ20122002743
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者湯天順 申請人:北京嘉潔能科技有限公司