基于ARM的超声波流量计A_D转换电路设计(over)

Automation ＆ Instrumentation 2010(11) 基于ARM的超声波流量计A/D转换电路设计 文章编号：1001-9944(2010)11-0018-04 张兴红 1，张 慧 1，王先全 1，冯济琴 1，王生宝 2 （1．重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400054；2．甘肃省武威市凉州区电力 局，武威 733000） 摘要：针对高精度超声波流量计价格不菲的缺点，以时差法超声波流量计为理论基础，借鉴国 内外先进的超声波流量测量技术， 选用高性价比的12位低功耗模数转换器ADC12DL040芯片 和ARM处理器LPC2138设计了基于ARM的超声波流量计A/D转换电路。实验结果表明所设计 的A/D转换电路很好地实现了超声波回波信号的高速高分辨率采样，A/D的最小分辨时间为 0．305ns，在解决超声波流量计关键技术问题的同时降低了生产成本，为低成本高精度超声波流 量计的研制打下了坚实的基础。 关键词：超声波流量计；时差法；A／D转换；ARM；数据采集 中图分类号：TP212 文献标志码：A Design of the A/D Conversion Circuit for Ultrasonic Flowmeter Based on ARM ZHANG Xing-hong1，ZHANG Hui1，WANG Xian-quan1，FENG Ji-qin1，WANG Sheng-bao2 （1．Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment， Ministry of Education，Chongqing U- niversity of Technology，Chongqing 400054，China；2．Wuwei Liangzhou Electric Power Bureau，Wuwei 733000，China） Abstract：Because the high－accuracy ultrasonic flowmeter has shortcomings of expensive， it has designed the A/D conversion circuit for ultrasonic flowmeter based on ARM． On the base of time－difference method ultrasonic flowmeter theory and the domestic－overseas advanced skill， a cost－effective low－power 12－bit ADC12DL040 chip and ARM processor LPC2138 were chosen for the design． The experimental results indicated that the designed A/D conversion circuit is able to accomplish the high－speed and high－resolution ultrasonic echo signal sampling， the minimum resolu- tion time of A/D conversion circuit is 0．305ns． The design and implementation of A/D conversion circuit for ultrasonic flowmeter not only lower the production cost， but also lay a solid foundation for the low－cost high－accuracy ultrason- ic flowmeter research． Key words：ultrasonic flowmeter； time－difference method； A/D conversion； ARM；data acquisition 收稿日期：2010-05-28；修订日期：2010-06-11 基金项目：重庆市自然科学基金项目资助（CSPC2008DD2336） 作者简介：张兴红（1970－），男，工学博士，教授，主要从事计算机辅助测试技术与仪器方面研究；张慧（1983－），女，在读硕士 研究生，主要从事计算机辅助测试技术与仪器方面研究。 当今在许多工业生产和科研活动中，流量测量 是必不可少的，超声波流量计以其高精度、非接触 式测量、易于安装维护等优点正在快速发展成为流 量测量领域的首选， 但是其仍有许多不足之处，因 此有必要加以改进和提高［1］。 本文研究的是应用最 广的时差法超声波流量计， 近几年来高精度成为新 型超声波流量计研究的重点［2］。 而高精度的超声波 流量计价格不菲，阻碍了超声波流量计的市场发展， 针对这一现状借鉴国内外先进的超声波流量测量技 术，研制基于 ARM的低成本高精度超声波流量计。 仪器仪表装置 18 自动化与仪表 2010(11) 由于超声波在液体中传播速度很快 （在洁净水 中约为 1500m/s 左右），因此传播时间非常短，这对 超声波数据采集系统提出很高的要求 ［3］。 研发高精 度时差法超声波流量计的关键技术在于精确测量其 顺流逆流的时间差， 保证时间测量的精度达到纳秒 级，甚至纳秒级以上。超声波数据采集系统设计是超 声波流量计硬件设计中最核心的部分， 因此如何选 用符合要求的 A/D转换电路来设计数据采集系统以 达到高速高分辨率的实时数据采集至关重要。 流水线结构是目前 12位高分辨率数兆赫兹以上 采样频率的 A/D转换结构里各项关键指标较好的［4－5］， 因此采用 NS公司高性价比的 12位流水线结构 A/D 转换器 ADC12DL040来实现高精度超声波流量计时 间差的数据采集， 文中给出了 ADC12DL040芯片的 外围电路设计，硬件结构图和软件流程图。基于 ARM 的超声波流量计 A/D转换电路设计是研制低成本高 精度超声波流量计的关键步骤。 1 时差法超声波流量计原理与关键问题 1．1 时差法超声波流量计测量原理 超声波流量计的时差测量法具有精度高和可 靠性好等优点，它是根据超声波信号顺流传播时间 和逆流传播时间的差值来计算被测液体的流速，进 而求得被测液体的流量等信息［6］。 图 1 是时差法超 声波流量计的原理图。 图中：设运输液体介质的管道直径为 D；被测液 体的流速为 v； 超声波在液体中的传播速度为 c；则 超声波在换能器 A，B 间顺着液体流向传播所需的 时间为 t1：t1= D/sinθc+vcosθ ； 逆流时所需的时间为 t2：t2= D/sinθ c-vcosθ ；则顺流与逆流的时间差△t 可得到：Δt=t2- t1= 2vcosθ·D/sinθc2-（vcosθ）2 ， 因为 c>>v，超声波传播时间差可近似等于： Δt=t2-t1= 2vcosθ·D/sinθc2 从而得到流速与时间差的最终关系式： v= c 2 sinθ 2D cosθ Δt （1） 式（1）是超声波流量计时差测量法的理论基础。 其中，不同温度条件下超声波在液体中的传播速度 c略有变化［7］。 1．2 时差法超声波流量计的关键问题 A/D芯片是数据采集系统的核心器件， 数据采 集系统的性能指标在很大程度上取决于 A/D 芯片 的选取。 因此高精度时差法超声波流量计硬件电路 设计最大的难点在于如何构建最适合的 A/D 数据 采样系统［8］。举例来说，设超声波在介质中的传播速 度为 1450m/s，管径 D＝300mm，流体流速 v＝1．33m/s， 计算得到顺逆流时间差约为 1μs， 要保证测量达到 0．5％的测量精度，要求测量的时间差的分辨率要达 到 1～2ns才能实现， 顺逆流传播时间的测量分辨率 也应该在纳秒，乃至皮秒级。 A/D转换电路的选取从以下方面考虑： 首先考 虑 A/D采样系统的分辨率参数［9］。 分辨率是 A/D 转 换器能够识别的最小模拟输入量，用二进制位数表 示处理数字码位数的能力。 选择 12位 A/D转换器， 其分辨率为 212，用百分数表示： 1/212×100％＝1/4096×100％＝0．0244％ 由于选用流水线结构技术，高速 A/D 采样转换 速率比转换时间快得多，在前一次转换完成之前就 开始新的转换。其次选择影响高分辨率的频率大小。 假设超声波信号频率为 fs，采样频率为 fA/D，信号频 率 fs直接决定分辨率最小时间。 选择的超声波信号 频率 fs为 400kHz。 如果输入信号频率小于 400kHz 下，ADC电路损耗较大，约为 1位左右。 如果输入信 号远大于 400kHz， 如 1MHz 时 ADC 的二级余差信 号失真度较高，故最好工作在 400kHz输入信号。 分 辨率最小时间为 1 2N×fs = 1212×400k =0.305ns 采样频率 fA/D 关系到 ARM 是否能实现高速采 仪器仪表装置 图 1 时差法超声波流量计原理图 Fig．1 Schematic diagram of the time－difference ultrasonic flowmeter 换能器 B 信 号 处 理 电 路 换能器 A V Dθ 19 Automation ＆ Instrumentation 2010(11) 样数据存储。 选择 8MHz 采样频率，ARM 频率为 80MHz，能够实时完成高速数据读写操作。 2 超声波流量计的 A/D转换电路设计 2．1 ADC12DL040 高精度超声波流量计的时间测量需要高速高 分辨率数据采集系统来实现， 将模拟信号转换为 数字信号从而送入 CPU 中进行计算， 最终达到测 量纳秒级时间差的目的。 因此对 A/D 分辨率和采 样速度综合要求较高，在综合考虑价格，功耗，体 积，兼容性等其他因素后，最终决定选用美国国家 半导体 NS 公司的 ADC12DL040 作为系统模数转 换芯片。 ADC12DL040 ［10］是高性能 、单电源＋3V、最高 采样频率为 40MSPS 的双路 12 位低功耗单片 ADC，采用有数字误差修正差分流水线架构，片内 有采样保持电路和基准电压源 ， 满功率带宽位 250MHz，有 11．1 有效位（ENOB），可用在超声波和 成像、仪器仪表、通信接收器、声纳/雷达、xDSL 和 线缆调制解调器以及 DSP 前端。 其主要特性与参 数见表 1。 2．2 超声波流量计的 A/D转换电路设计 图 2 为 ADC12DL040 的外部电路图 ， 选用 ADC12DL040 的 A 路连接 ARM 处理器 LPC2138。 在设计时应特别注意，对于高速 A/D 转换放大电路 和 A/D 转换电路应尽可能的靠近放置，放大电路和 A/D转换电路都要求与滤波器件临近放置， 则在放 大电路输出迹线上具有最低的寄生负载效应，而模 数转换电路则对可能耦合至输入线路的噪声极为敏 感。 A/D转换电路的数字输出应与模拟输入良好地 隔离开放大电路和 A/D 转换电路相邻引脚间距应 在 2mm以内。 3 超声波流量计工作原理 3．1 硬件结构图 高精度超声波流量计数据采集系统的硬件包括 换能器，放大电路，滤波电路，A/D 转换器，CPU 等。 其中超声波流量计数据采集系统的核心部分主要由 表 1 ADC12DL040 主要特性与参数 Tab．1 Main features and parameters of ADC12DL040 主要特性 主要参数 ＋3．0V单电源供电； 分辨率 12Bits 内部采样与保持 DNL ±0．3 LSB 内部参考 SNR 69 dB 掉电模式 SFDR 85dB 2．4V－3．6V兼容输出 数据延迟 7 个时钟周期 占空比稳定器 正常操作模式功耗 210 mW 多路输出模式 掉电模式功耗 36 mW 图 2 ADC12DL040 外部电路图 Fig．2 External circuit diagram of ADC12DL040 仪器仪表装置 20 自动化与仪表 2010(11) A/D 采样电路模块完成，A/D 芯片采样的分辨率直 接决定时间的测量精度，同时对超声波流量计的精 度起决定性作用。 CPU作为超声波流量计硬件系统 的核心之一， 主要用来实现对采集数据的实时存 储、分析、计算处理，以及外部数据通信等。 综合考 虑价格等因素 ，A/D 转换芯片采用 NS 公司的 ADC12DL040 芯片 ，CPU 采用 NXP 公司生产的 ARM7 微处理器 LPC2138， 其采样系统硬件结构图 如图 3所示。 换能器能够把超声波机械振动信号转换为电 信号， 也能够把电信号转换为超声波机械振动信 号。 CPU 发出 400kHz 正弦信号，经过 D/A 后驱动 换能器 A 成为超声波，机械振动在液体中传播，载 上液体流速信息后换能器 B 接收并转换为电信 号，超声波电信号通过放大电路、滤波电路，再由 12 位 A/D 转换器 ADC12DL040 芯片进行数据转 换，将模拟信号转换成 12 位的数字信号，同时高速 采样数据经过 FIFO 存入 CPU，再对已存储的 CPU 采样数据进行处理，计算出被测的超声波顺逆流时 间差。 3．2 系统流程框图 在设计超声波流量计数据采集的 A/D 转换软 件流程时要特别注意：A/D 转换器初始化启动后 必须首先对转换结果寄存器执行清空指令， 以免 上一次的采样数据对当前采样造成不必要的误差 影响。 超声波流量计 A/D 采样的软件流程图如图 4 所示。 4 实验结果 为了验证所设计的 A/D 转换电路是否能完成 超声波信号的数据采样，进行如下实验：超声波液体 介质为静止的洁净水，管道直径 D＝300mm，换能器 A、B 与管道中轴的夹角为 45°（如图 1 所示）， 图 5 是实验现场图。 数字示波器显示换能器 B接收到的 从换能器 A 发出的超声波回波信号，从示波器可以 看出所接收的回波信号是变幅周期性信号。 图 3 硬件结构图 Fig．3 Hardware structure diagram 发射通道 切换电路 驱动电路 换能器 A 换能器 B 接收通道 切换电路 滤波电路自动增益放大电路ADC12DL040 D/A FIFO 高速数据 采集控制 通道切换 控制逻辑 正弦信号 发生器 通道切换 控制逻辑 LCD 显示 RS-485 键盘操作 方向输出CPU 图 4 软件流程图 Fig．4 Flow chart of software A/D 转换结果寄存器清零 初始化 开始 通道切换 控制字？ 顺流模式通道 启动 A/D ADC12DL040 同步采样 A/D 转换结束？ 逆流模式通道 启动 A/D ADC12DL040 同步采样 A/D 转换结束？ 数据存储 到 RAM1 数据存储 到 RAM2 CPU读取采样结果 计算顺逆流时间差 计算流速 V并输出 结束 N N Y N Y Y 图 5 实验装置图 Fig．5 Experimental device （下转第 26页） 仪器仪表装置 21 Automation ＆ Instrumentation 2010(11) 图 6 是根据 A/D 转换电路的采 样点拟合得到的换能器 B 接收回波曲线，从图中看 出采样的回波曲线符合理论分析，也和示波器显示 的波形吻合。 实验结果表明所设计的 A/D转换电路 很好的实现了超声波回波信号的高速高分辨率采 样，为下一步精确计算纳秒级的超声波顺逆流时间 差打下了坚实的硬件基础。 5 结语 时差法超声波流量计达到高精度的关键在于 采用适合的 A/D 转换电路对超声波信号进行高速 高分辨率数据采集，从而能精确计算超声波纳秒级 的顺逆流时间差，所以设计并实现超声波流量计的 A/D转换电路成为超声波流量计硬件设计的重点难 点。 文章在前人时差法理论研究基础上，借鉴国内 外先进的超声波流量测量技术， 采用 A/D 转换器 ADC12DL040 来设计低成本的高精度超声波流量 计。 经实验结果验证，所设计的基于 ARM的超声波 流量计 A/D 转换电路很好地实现了超声波回波信 号的高速高分辨率采样， 最小分辨时间为 0．305ns， 在解决超声波流量测量关键问题的同时降低了生产 成本，为低成本高精度超声波流量计的研制打下了 坚实的基础。 参考文献： ［1］ 于文峰．时差式超声流量计的研究与硬件电路实现［D］．哈尔滨 工程大学，2008． ［2］ 孙延祚．论流量计的合理选型［C］//第十八届多国仪器仪表学术 会议暨展览会学术论义集（应用篇），2007． ［3］ MANDARD E． KOUAME D． Transit time ultrasonic flowmeter： velocity profile estimation ［J］．IEEE Ultrasonic Symposium， 2005，2：763－766． ［4］ Wang X，Hurst P J，Lewis S H．A 12－bit 20－MS/s pipelined ADC with nested digital background calibration ［C］//Proceedings of IEEE Custom Integrated Circuits Conference，Sep 21－24，2003． San Jose，CA，USA．Piscataway．NJ，USA：IEEE，2003：409－412． ［5］ Grace C R，Hurst P J，Lewis S H．A 12－b 80－MS/s pipelined ADC with bootstrapped digital calibration ［J］．IEEE Journal of Solid－state Circuits，2005，40（5）：1038－1046． ［6］ 梁国伟，蔡武昌．流量测量技术及仪表［M］．北京：机械工业出版 社，2002． ［7］ 段允，王让定，孙广清．一种提升时差法超声波流量计精度的方 法［J］．微电子学与计算机，2009，26（8）：45－48． ［8］ 李广峰，刘昉，高勇．超声波流量计的高精度测量技术［J］．仪器仪 表学报，2001，22（6）：644－647． ［9］ 纪宗南.集成 A/D转换器应用技术和实用线路［M］．北京：中国电 力出版社，2008． ［10］ NS 公司 ．ADC12DL040 Data Sheet，NS．http：//www．national．com/ pf/DC/ADC12DL040．html＃Documents［Z］，2005，11． ■ 图 6 采样点拟合曲线 Fig．6 Fitting curve of sampling -2048 2048 t/（μs） A/D 采样数字值 最终将直观地看到直升飞机飞向目标位置的过程。 除了点击目标的方式，程序还允许在编辑框里直接 输入目标位置的三维坐标，然后发给直升飞机。 3 结语 该通信和监控系统现已经应用在实际飞行实 验中。 通过地面监控站，可以实时观察无人机的飞 行姿态和实现参数在线调试，同时也能将飞行数据 保存用于系统辨识和数据回放。 为无人机的调试开 发提供了一个安全可靠的测试平台。 参考文献： ［1］ Franc Dimc，Tone Magister．MINI UAV COMMUNICATION LINK SYSTEMS ［EB/OL］．http：//webmail．fpp．edu/～mdavid/TVP/Semi- narske％2008－09/ICTS2006CD/papers/Dimc＿Magister．pdf． ［2］ W Richard．UNIX 网络编程［M］．北京：清华大学出版社，2006：1－ 56． ［3］ W Richard．UNIX环境高级编程［M］．北京：机械工业出版社，2004： 298－301． ［4］ CharlesPetzol，博彦科技．Windows 程序设计［M］．北京：北京大学 出版社，1999：303－326． ［5］ 徐雷，裴海龙，刘馨，等．一种小型无人机地面控制站软件的开发 无人直升机监控平台设计与实现 ［J］． 自动化与仪表，2009，24 （6）：40－43． ［6］ 常锐，裴海龙．无人直升机监控平台设计与实现［J］．微计算机信 息，2006，22（5）：92－94． ［7］ Chris Sells，Michael Weinhardt， 汪泳 ．Windows Forms 2．0 程序 设计［M］．北京：电子工业出版社，2008：37－43． ■ ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ （上接第 21页） 总线与网络 26