機遇與挑戰并存。超聲波雖然是工業(yè)應用中一種成熟技術(shù)，但是要在家用燃氣表中普及，我們在設計中會(huì )面臨各種挑戰。如何確保超聲波燃氣表的穩定性、如何提高小流量的精度、如何實(shí)現低功耗等等問(wèn)題，是我們設計初期就需要充分考慮的因素。換能器作為超聲波燃氣表的主要部件之一，它的一致性、頻率特性溫度漂移、長(cháng)時(shí)間老化都會(huì )影響到燃氣表的穩定性和精度。超聲波技術(shù)涉及到精密信號采集和快速的數據處理，如何降低系統功耗也需要重點(diǎn)考慮。

 

TI 超聲波技術(shù)USS (Ultrasonic Sensing Solution) 源于TI Jack Kilby創(chuàng )新實(shí)驗室，其高集成度、先進(jìn)的信號處理等優(yōu)點(diǎn)，為超聲波氣表設計提供高精度、高穩定性、高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗的方案。下面小編會(huì )對TI USS 技術(shù)優(yōu)勢、產(chǎn)品特點(diǎn)、設計資源等方面逐一介紹。

 

工作原理

 

超聲波測量流量的原理就是通過(guò)測量超聲波在流體中正向、逆向的飛行時(shí)間差（DTOF）來(lái)計算流體的流速，通過(guò)流體流速乘以管道系數，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右邊是如何測量流速的公式推導。T12和T21分別為超聲波在兩個(gè)換能器之間正、反向的絕對飛行時(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。因為超聲波的傳播速度受流體的溫度、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，所以我在公式推導過(guò)程中抵消這個(gè)參數。最后我們得到公式只跟流體流速、超聲波絕對飛行時(shí)間、時(shí)間差以及超聲波傳播方向的夾角這幾個(gè)參數相關(guān)。通常絕對飛行時(shí)間遠遠大于正、反向時(shí)間差，所以時(shí)間差測量精度決定最后的流速精度。

 

如何能夠準確測量出超聲波的飛行時(shí)間差呢？目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的測量時(shí)間的方式是閾值法也叫過(guò)零點(diǎn)檢測法（TDC），而TI采用的技術(shù)是互相關(guān)算法（Correlation）。 下面圖2是這兩種測量方式的示意圖。

 

圖2

 

閾值法實(shí)際是閾值檢測和過(guò)零檢測技術(shù)的結合。超聲波接收端對信號幅值進(jìn)行檢測，當接收到的信號超過(guò)設定閾值時(shí)，過(guò)零點(diǎn)檢測電路開(kāi)啟，通過(guò)檢測超過(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動(dòng)電流來(lái)增加超聲波的發(fā)射幅值，副作用就是系統功耗會(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)一步影響到測量精度的穩定性。干擾同時(shí)會(huì )影響過(guò)零點(diǎn)的波形，從而嚴重影響測量精度。

 

而TI USS采用的相關(guān)算法來(lái)測量相位差。通常高速ADC會(huì )以4倍于被測信號頻率對上下行兩路信號進(jìn)行采樣，再將采樣到的兩路離散信號做線(xiàn)相關(guān)運算，線(xiàn)相關(guān)運算結果峰值點(diǎn)的橫坐標即為兩路信號之間的相位差。隨后通過(guò)高精度插值算法求得該橫坐標，進(jìn)而得到兩路信號之間的時(shí)間差。

 

這種方式有幾個(gè)優(yōu)勢：

 

●  相關(guān)算法相當于一個(gè)濾波器，在信號處理時(shí)可以濾除噪聲，降低線(xiàn)路上噪聲對采樣精度的影響

●  對超聲波信號幅值要求比閾值法的低，這樣可以采用低壓換能器，降低系統功耗。

●  穩定性好，因為相關(guān)算法是計算采樣信號的相位，信號幅值的變化對測量精度影響不大。所以在換能器老化、受環(huán)境溫度影響，信號幅●  值出現波動(dòng)時(shí)，相關(guān)算法可以保持測量精度的穩定性。

●  TI USS 對超聲波進(jìn)行全波采樣，我們可以獲得整個(gè)超聲波的曲線(xiàn)。通過(guò)觀(guān)察信號包絡(luò )曲線(xiàn)的長(cháng)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，確保燃氣表整個(gè)生命周期的穩定性。

 

系統架構

 

先進(jìn)的算法需要依托于優(yōu)化的硬件平臺，才能充分展現其性能優(yōu)勢。如圖3所示，TI 超聲波燃氣表方案基于MSP430內核，同時(shí)集成超聲波傳感子系統（USS）、低功耗加速器（LEA）、計量測試接口（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，為超聲波信號產(chǎn)生、接收、信號調理提供必要的硬件條件以及設計的靈活性。低功耗加速器LEA（Low Energy Accelerator）實(shí)際上是集成的一個(gè)DSP內核，它可以獨立對USS采集到的數據進(jìn)行快速數學(xué)運算，降低數據處理時(shí)間，減小CPU的開(kāi)銷(xiāo)，從而達到降低系統功耗。這些子系統對超聲波流量測試性能、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

 

USS子系統用于超聲波信號發(fā)生、接收信號調理以及AD采集。如圖4所示，USS是一個(gè)高度集成的物理結構，主要由幾個(gè)功能模塊構成，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）、子系統供電模塊（UUPS）以及采樣系統時(shí)序控制模塊（ASQ）。

 

圖4

 

PPG用于產(chǎn)生超聲波的激勵信號。作為信號源頭，該功能模塊提供靈活的參數設置。超聲波的激勵頻率可設定，覆蓋范圍從132KHz到2.5MHz，我們可以針對不同特性的換能器設定相應的脈沖頻率。信號脈沖數量可以從單個(gè)脈沖到127個(gè)脈沖。在激勵脈沖結束時(shí)，我們也可以通過(guò)設定180度相位的反向脈沖來(lái)抵消換能器的超聲波殘余信號，最大反向脈沖最高可以到15個(gè)。激勵脈沖的極性可以通過(guò)寄存器設定，如下圖5所示。

 

圖5

 

在氣體流量設計中，PPG可以支持掃頻模式，激勵頻率可以設定在一定范圍內。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(cháng)時(shí)間老化等因素而變化，激勵頻率可以覆蓋這些范圍，確保我們燃氣表測量的高精度和穩定性。在掃頻模式下，我們可以通過(guò)下面公式來(lái)計算頻率變化的步長(cháng)。 ，(HPER : High period of pulse; LPER : Low period of pulse)

 

PHY是USS子系統與換能器連接的物理層，實(shí)現換能器的驅動(dòng)以及阻抗匹配，如下圖6。TI的USS模塊提供雙路換能驅動(dòng)以及信號接收。驅動(dòng)信號和接收信號通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換實(shí)現上、下行換能器的交換，實(shí)現一對換能器可以雙向信號傳輸。PHY的輸出驅動(dòng)阻抗可以低至4?、驅動(dòng)電流可以高達120mA，所以配合簡(jiǎn)單的阻容電路，USS模塊可以直接驅動(dòng)換能器，而不需要增加額外的模擬器件。

 

因為上、下行超聲波信號會(huì )通過(guò)兩個(gè)不同的換能器發(fā)出，換能器與USS驅動(dòng)的阻抗匹配就需要考慮到。TI USS的PHY可以提供驅動(dòng)、端接兩種狀態(tài)下的阻抗匹配，匹配設定參數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)測試設備對每一個(gè)換能器進(jìn)行獨立阻抗匹配，使整個(gè)系統達到最優(yōu)狀態(tài)。

 

圖6

 

SDHS系統對接收到的超聲波信號進(jìn)行調理和高速采樣。如圖7所示，內部包含可編程增益放大器（PGA）、12Bit Sigma-Delta ADC， 數據傳輸控制器（DTC）等功能模塊。ADC可以支持高于1.5MHz的信號帶，典型信噪比（SNR）可到達63dB。ADC的調制頻率從68MHz到80MHz，調制頻率來(lái)自高速鎖相環(huán)，可支持過(guò)采樣率范圍10~160。ADC這個(gè)功能模塊可以獨立使用采樣其他信號。ADC的最大輸入范圍是600mV，但是在實(shí)際流量測試過(guò)程中，接受到的超聲波信號可能在一個(gè)范圍內波動(dòng)。這需要PGA對信號進(jìn)行調理，使ADC的輸入幅值在最優(yōu)采樣范圍。PGA的增益可以通過(guò)寄存器設置動(dòng)態(tài)調整，可調整范圍在-6dB~30dB之間，可調步長(cháng)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，當換能器長(cháng)時(shí)間使用老化后，發(fā)射的超聲波幅值降低。在接收端觀(guān)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備老化引起系統性能變差。

 

ADC采樣出來(lái)的數據可以通過(guò)DTC直接傳輸到低功耗加速器（LEA）共享的RAM，方便LEA對數據進(jìn)行快速處理。這個(gè)過(guò)程不需要CPU的干預，這樣可以減小系統處理時(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)處理基于向量的數學(xué)運算和信號處理，內部結構如下圖8。該LEA可以支持16位、32位定點(diǎn)數學(xué)運算，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)調用DSP Lib， LEA 可以支持超過(guò)50種函數運算。

 

圖8

 

采用LEA進(jìn)行這些數學(xué)運算，跟傳統的MCU相比，LEA的運算效率更高、功耗更低。下面表1我們給出LEA和不同的CPU計算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)間內完成LEA的運算量，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

 

如果我們對比MSP430 CPU 和LEA性能，如圖9所示，在相同的時(shí)間32mS內采樣256次并對數據進(jìn)行FFT函數運算。LEA的運算時(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高效的數據處理可以讓系統處于低功耗模式（LPM0）的時(shí)間更長(cháng)，從而大幅度降低整個(gè)系統功耗。

 

圖9

 

USS設計中心

 

TI USS設計中心提供可視化的設計界面，讓客戶(hù)可以快速啟動(dòng)超聲產(chǎn)品評估和設計，調試更簡(jiǎn)單。

 

在圖10的USS GUI中，我們可以直觀(guān)設置超聲波的各種參數。從基本超聲波激勵頻率、脈沖數量、上下行超聲波的時(shí)間間隔、PGA的增益等等基本參數到 USS的時(shí)鐘頻率、ADC的采樣率、超聲波的捕捉時(shí)間等關(guān)鍵參數都可以通過(guò)GUI來(lái)設定。并且通過(guò)GUI實(shí)現上位機、芯片、應用程序之間的通信。

 

圖10

 

GUI還可以以波形的形式展現測試結果，方便設計人員對參數進(jìn)行優(yōu)化。圖11左邊的波形為ADC采樣到的超聲波信號?？梢酝ㄟ^(guò)調整PGA的增益，讓ADC Capture的幅值在±800左右以達到最優(yōu)的ADC轉換效果。圖11右邊為GUI提供實(shí)時(shí)TOF測試結果，DToF為上下行超聲波的時(shí)間差、Absolute ToF為測試得到超聲波的絕對飛行時(shí)間以及VFR瞬時(shí)流量。波形下方的數學(xué)統計量展示了該數據的平均值、最小值、最大值和標準差。

 

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、特點(diǎn)總結為下面幾個(gè)方面：

 

●  低流量、工作溫度范圍內飛行時(shí)間差dTOF可達到±250ps以?xún)鹊木?/div>