引言
超声波流量计（UltrasoNIcFlowmeter，USF）是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和原理而设计的，它也是通过测流速来反映流量大小的。
超声波流量计具有精确度高，测量无阻碍，方便安装，成本低等优点，正在快速发展成为流量测量领域的首选。近几年来，随着硬件和数字信号处理技术的改进，流量的测量精度得到不断提高，高精度成为新型超声波流量计研究的重点。
1 流量测量原理
根据对信号检测的原理不同，超声流量计测量方法可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频率差法）、波速偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法、噪声法等。
本文采用的测量方法是时差法，其原理图如图1所示。
图1 时差法测量原理图
该方法将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化，如静止流体中声速为c，流体的流速为u，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为（c+u）；当两者方向相反时，其传播速度为（c－u）。
如果距离为L的两处放两组超声波发生器T1、T2与接收器R1、R2，则当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，分别到达R1和R2的时间为：
（1）
（2）
由于u2<<c2，所以：
从而可以得到流体流速为：
（3）
由此可见，Δt的精度也就是t1和t2的测量精度直接关系到流速的测量精度。校准流速时要一个系数，其中L是固定值，超声波在流体中传播的速度与流体的温度有关，所以测量水速时需要进行温度补偿。
2 超声波流量计测量装置的硬件设计
超声波流量计测量装置的硬件部分主要是电路方面的处理和设计。整个硬件部分选用型号为EPM7064AE的CPLD作为测量的核心器件，并设计了基于EPM7064AE的流速测量装置，主要包括计时装置、驱动电路、逻辑电路、接收电路、输出电路等，采用低功耗单片机MSP430作为微处理器，同时还需设计微处理器与流速测量装置的接口电路。
2.1 EPM7064AE的外围电路
EPM7064AE的外围电路如图2所示。引脚TDI－1、TMS－7、TCK－26、TDO－32及外围元件R5、R7、R8组成了JTAG接口电路。SIGNAL1－44和SIGNAL2－43为接收超声波返回信号输入端。SIGNAL1和SIGNAL2这两路信号是来自比较器输出引脚的信号，并设定它们为高电平时表示接收到超声波返回的信号，当接收到超声波返回信号后，EPM7064AE内部计数器停止计数。为了防止干扰，SIGNAL1和SIGNAL2分别用一个10k的电阻接地。
图2 EPM7064AE的外围电路
OUT1和OUT2为超声波传感器驱动信号输出端，被定义为输出引脚，分别接到2个换能器的一端，换能器的另一端接地。它们不能同时发送驱动信号，驱动信号的频率为1.25MHz。CONTROL1和CONTROL2分别控制OUT1和OUT2的发送，且CONTROL1和CONTROL2由单片机控制。CLR－39脚为复位输入引脚。GCLK1－37全局时钟输入端。
2.2 显示电路
显示电路如图3所示。O0～O7是8位数据端口，输出的是EPM7064AE内部定时器的低8位数据。定时器数据反映的是超声波传输的时间，为了调试方便，将数据端接上LED灯，这样可以通过灯的亮灭来读出超声波传播的时间。
图3 显示电路
2.3 信号处理电路
信号处理电路主要包括信号放大电路和信号整形电路。
2.3.1 信号放大电路
文中设计的信号放大电路如图4所示。选用的是美信公司生产的双路、宽带、低功耗、单电源、满摆幅输入/输出运放MAX4128。每个放大器的工作电流为650μA，供电电压范围+2.7V～+6.5V，25MHz的增益带宽乘积。
在超声波流量测量中，一般发射方向有两个：一个是顺流方向，一个是逆流方向，因此需要处理两路返回信号，所以选择了一个双运放。电路中的隔直电容C7将信号中的直流分量去除，这个直流分量是电路中干扰过来的，它的幅值是不确定的，如果不把这部分直流分量去掉的话，它将抬高接收到的交流信号。交流信号的幅值将直接影响测量时间。输入信号通过负反馈将信号放大10倍，放大后的信号送给比较器整形变成矩形波。
图4 信号放大电路
2.3.2 信号整形电路
信号整形电路如图5所示。电路中选用了一款性能较高的比较器MAX9142。MAX9142是美信公司生产的一款双路高速比较器，可用于3V或5V电源供电系统，传输延迟为40ns，每个比较器的电源电流为150μA，输出兼容于CMOS/TTL，工作电压可低于2.7V，满摆幅输入电压范围。
图5 信号整形电路
2.4 流速测量装置与微处理器的接口电路
文中选用的微处理器是美国德州仪器生产的MSP430单片机。流速测量装置与微处理器的接口电路如图6所示。两个控制线CONTROL1和CONTROL2分别与微处理器P2.0和P2.1口线相连，CPLD的数据输出口线O0～O7也接到单片机的I/O口线上，OUT1和OUT2分别与两个换能器相连，低8位数据输出给微处理器。
图6 超声波测速装置与微处理器接口电路
3 超声波流量计系统软件设计
系统软件流程图如图7所示。
图7 超声波流量计软件流程图
CONTROL1和CONTROL2分别控制正、反相发射驱动信号，高电平有效，高电平的时间至少大于CPLD的1个时钟周期。当检测到CONTROL1或CONTROL2有大于1个时钟周期的高电平后，由驱动模块控制，在OUT1或OUT2产生一个频率为1.25MHz的方波驱动信号，高电平幅值为电源电压3.6V。方波驱动信号连续发射3个周期后就停止发射。产生方波信号的同时，CPLD启动计时模块开始计时。当计时时间达到45μs后，CPLD允许SIGNAL1和SIGNAL2接收信号。超声波驱动信号经过换能器转换为声波信号，在液体中大约经过50μs的时间到达另一个换能器，这个换能器将接收到的声波信号转换为电信号，电信号经过信号处理电路后进入信号接收端SIGNAL1或SIG-NAL2。信号接收端接收到高电平后，计时模块停止计时，并将当前的计时时间通过CPLD的数据输出口线O0～O7输出并锁存。经过上面的过程就完成了一次正方向测量，单片机再经过一次反方向测量后，将两次测量结果进行运算处理就可以计算出当前液体的平均流速。经过一段时间测量后就可以算出流量。该装置的数据输出采用并行输出，由于采用的是时差法测量，所以只需要对正反两次测量时间相减。由于水速相对于超声波的传播速度要小得多，所以水速对传播时间影响很小，正反测量时只有数据的低几位发生变化，这样就不需要知道整体测量时间，只要知道低8位数据就可以计算出时间差。
4 结论
经过反复测试，大量的实验数据表明文中设计的基于CPLD超声波流量计工作稳定，使用方便，抗干扰能力强，测量精度高，已经具备了小批量生产的能力。随着网络技术的发展，超声波流量计的技术会不断成熟，这种具有微处理单元的仪表在未来会取代机械式仪表，它将使自动抄表成为可能，这种仪表也将成为家居自动化设备中的一员。
参考文献
［1］张兴红，张慧，王先全，等．超声波流量计高分辨率A/D转换电路设计与实现［J］．仪表技术与传感器，2011，（2）：22－23．
［2］陈朝明，周杏鹏．基于CPLD的超声波流量计的设计与实现［J］．仪器仪表与分析监测，2009，（4）：34－35．
［3］吴志敏，苏满红，叶玮渊．基于DSP与FPGA的新型超声波流量计的设计［J］．仪表技术，2008，（9）：8－10．
