專利名稱：高分辨率時間測量、處理裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高分辨率時間測量、處理裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)發(fā)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(shù)日趨成熟，應(yīng)用日益廣泛，開始逐步進(jìn)入諸如熱量表、水表、燃?xì)獗磉@類極其廣闊的民用計量儀表市場。在熱量表、水表、燃?xì)獗響?yīng)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(tài)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(tài)液體/氣體中速度與液體/氣體流速之差。因此，超聲波在二點(diǎn)間沿順流方向傳播和沿逆流方向傳播的時間不同，測量出這二個時間之差，就可以計算出液體/氣體的流速，流量。超聲波在二點(diǎn)傳播時差通常是非常小的。特別是小口徑的熱量表、水表、燃?xì)獗恚?二點(diǎn)間距離(即所謂聲程)小，流速低，時差的分辨率要求達(dá)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(huán)繞法或一種型號為GP2的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器1C。前者用“接力”方式擴(kuò)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(dá)到 65ps。但是這二種方法都有局限，前者測量時間過長，本質(zhì)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。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高分辨率、低成本、低耗電的時間測量方法及相應(yīng)裝置。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供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(chǎn)生預(yù)定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量信號，并能夠發(fā)送和接收該種能量信號；信號處理器，用于根據(jù)所述換能器發(fā)送后接收的回波能量信號進(jìn)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(jìn)行解析得到時間測量結(jié)果， 并進(jìn)一步處理得到處理結(jié)果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關(guān)斷。優(yōu)選地，所述振蕩器的主頻上限大于等于16Mhz。優(yōu)選地，所述換能器能夠?qū)⒄袷庌D(zhuǎn)換成但不限于超聲波、激光或電磁波。優(yōu)選地，所述信號處理器包括可關(guān)斷恒流源和電容；當(dāng)所述信號解析器控制可關(guān)斷恒流源打開時，所述可關(guān)斷恒流源以電流對電容充電；當(dāng)所述信號解析器控制可關(guān)斷恒流源關(guān)斷時，得到并存儲所述電容電壓轉(zhuǎn)換值后，所述電容放電。優(yōu)選地，所述處理結(jié)果為但不限于流量、距離或電路斷路定位。優(yōu)選地，所述裝置應(yīng)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(yōu)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(guān)斷恒流源和電容；所述MCU和超聲波換能器之間還設(shè)有功率放大器和模擬開關(guān)；所述換能器和可關(guān)斷恒流源之間還設(shè)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(yōu)選地，MCU —方面向功率放大器輸出預(yù)定頻率的方波作功率放大，一方面啟動內(nèi)部計數(shù)器開始對內(nèi)部高頻時鐘計數(shù)；功率放大器輸出的方波經(jīng)過受MCU控制的模擬開關(guān)驅(qū)動超聲波第一換能器/第二換能器發(fā)出超聲波信號；超聲波信號在液體/氣體流經(jīng)的管道中傳播到第二換能器/第一換能器，在相應(yīng)換能器信器上感應(yīng)出電信號，該電信號輸入到放大/比較器，經(jīng)比較器整形得到預(yù)定頻率的方波輸出到第一與非門；當(dāng)?shù)谝慌c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(guān)斷恒流源，開始以電流對電容充電，并給 MCU發(fā)出中斷請求信號；可關(guān)斷恒流源另一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，另一個與可關(guān)斷恒流源flag端連接；當(dāng)可關(guān)斷恒流源處于打開狀態(tài)時，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(guān)斷恒流源后的第一個高頻時鐘脈沖通過第二與非門關(guān)斷可關(guān)斷恒流源；這樣，被打開的可關(guān)斷恒流源在一個MCU時鐘周期內(nèi)被關(guān)斷，電容的電壓充到V。。優(yōu)選地，MCU接收中斷請求信號后，立即轉(zhuǎn)入中斷處理，啟動ADC對電容上電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到并存儲轉(zhuǎn)換值；控制放電開關(guān)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(zhǔn)備。本發(fā)明還提供一種上述裝置的測量方法，包括步驟MCU 一方面向功放電路輸出預(yù)定頻率的方波作功率放大，一方面啟動內(nèi)部計數(shù)器開始對內(nèi)部高頻時鐘計數(shù)；MCU接收中斷請求信號后，關(guān)閉內(nèi)部計數(shù)器停止計數(shù)，讀出計數(shù)器值；MCU在時間控制線上輸出低電平，封鎖第一與非門；MCU啟動ADC對電容上電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到與電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值；MCU控制放電開關(guān)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(zhǔn)備;MCU計算超聲波傳播時間，并根據(jù)超聲波傳播時間得到流量側(cè)臉值。(三)有益效果本發(fā)明高分辨率時間測量、處理裝置及其測量方法的分辨率可達(dá)17ps，僅用較廉價的單片機(jī)(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(yuǎn)低于聲環(huán)繞法。因而同時具備并高于聲環(huán)繞法和GP2及其系列產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，且成本低，電路簡單，測量時間快，耗電小。本發(fā)明還可應(yīng)用到其他一切需要高分辨率測量時間的技術(shù)領(lǐng)域，例如，激光測距、 電纜斷路定位等等。


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具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明的范圍。如圖I所示，本發(fā)明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(chǎn)生預(yù)定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量信號，并能夠發(fā)送和接收該種能量信號；信號處理器，用于根據(jù)所述換能器發(fā)送后接收的回波能量信號進(jìn)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(jìn)行解析得到時間測量結(jié)果，并進(jìn)一步處理得到處理結(jié)果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關(guān)斷。本發(fā)明裝置可應(yīng)用于超聲波熱量表、超聲波水表、超聲波燃?xì)獗淼葢?yīng)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，本發(fā)明還可應(yīng)用到其他一切需要高分辨率測量時間的技術(shù)領(lǐng)域，例如，激光測距、電纜斷路定位等等。所述振蕩器的主頻上限大于等于16Mhz。所述換能器能夠?qū)⒄袷庌D(zhuǎn)換成但不限于 超聲波、激光或電磁波。所述處理結(jié)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(guān)斷恒流源和電容；當(dāng)所述信號解析器控制可關(guān)斷恒流源打開時，所述可關(guān)斷恒流源以電流對電容充電；當(dāng)所述信號解析器控制可關(guān)斷恒流源關(guān)斷時，得到并存儲所述電容電壓轉(zhuǎn)換值后，所述電容放電。如圖2所示，在本發(fā)明一實(shí)施例中，單片機(jī)(MCU)內(nèi)部高頻震蕩經(jīng)分頻后得到IMhz 頻率的方波。測量開始后，單片機(jī)(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(nèi)部計數(shù)器開始對內(nèi)部高頻時鐘計數(shù)。功放電路輸出的IMhz頻率的方波經(jīng)模擬開關(guān)Ul (受MCU的控制)驅(qū)動換能器I/換能器2發(fā)出超聲波信號。超聲波在液體 /氣體流經(jīng)的管道中傳播到另一換能器2/換能器1，在此換能器信器上感應(yīng)出正弦波電信號。這個正弦波電信號輸入到放大/比較器，經(jīng)比較器整形得到IMhz頻率的方波輸出到與非門U3-1。當(dāng)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(guān)斷恒流源(實(shí)施例如圖3所示)，開始以電流I對電容C充電，并給單片機(jī)(MCU)發(fā)出中斷請求信號?？申P(guān)斷恒流源另一控制端(CLOSE)與非門U3-2輸出端連接，U3-2的二輸入端一個接收單片機(jī) (MCU)高頻時鐘輸出，另一個與可關(guān)斷恒流源flag端連接。當(dāng)可關(guān)斷恒流源處于打開狀態(tài)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(guān)斷恒流源后的第一個高頻時鐘脈沖通過U3-2與非門關(guān)斷可關(guān)斷恒流源。這樣，被打開的可關(guān)斷恒流源在一個單片機(jī)(MCU)時鐘周期內(nèi)被關(guān)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(dāng)I和C不變時，^與At成正比，只要測量Vc，便可推出At。單片機(jī)(MCU)接收中斷請求信號后，立即轉(zhuǎn)入中斷處理。中斷處理程序依次進(jìn)行以下處理(I)關(guān)閉內(nèi)部計數(shù)器停止計數(shù)，讀出計數(shù)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到與電壓V對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值m;(3)控制開關(guān)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(zhǔn)備;(4)計算超聲波傳播時間t = mXtf-nXte-tg0這里，tf是單片機(jī)(MCU)時鐘周期，te是細(xì)計時的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常由校準(zhǔn)得到。校準(zhǔn)時，使電容C以電流I充電tf時間，然后將充電后的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字，設(shè)為P，則 te = tf/p ;tg是各項(xiàng)延時的總和,例如功放電路延時、模擬開關(guān)延時、比較電路延時、可關(guān)斷恒流源延時、中斷響應(yīng)及中斷處理延時等等。對于一特定個體，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(guān)緊要的。如此可以先后測量出超聲波在二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(shè)分別為tb和ta:Tb = mb X tf-nb X te_tgTa = 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(guān)的m、n、p。設(shè)測量液體/氣體點(diǎn)流速為q，則q = k Δ T = k [ (mb_ma) + (nb_na) /p] tf= (k tf) [ (mb-ma) + (nb_ha) /p]令K = ktf，則q = K [ (mb-ma) + (nb_na) /p]K由標(biāo)定時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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。在本發(fā)明一實(shí)施例中，測量電路時序圖見圖4。如前所述，P值是由校準(zhǔn)決定的。校準(zhǔn)時，單片機(jī)(MCU)在校準(zhǔn)脈沖線上發(fā)出一個脈沖，此脈沖經(jīng)過與非門U2-3后，一方面啟動可關(guān)斷恒流源，開始以電流I對電容C充電， 另一方面給單片機(jī)(MCU)發(fā)出中斷請求信號。在一個高頻時鐘周期末，啟動的可關(guān)斷恒流源被與非門U2-2輸出的高頻時鐘脈沖關(guān)斷。單片機(jī)(MCU)接收中斷請求信號后，立即轉(zhuǎn)入中斷處理。中斷處理程序依次進(jìn)行以下處理
(I)啟動ADC對電容C上電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到并存儲轉(zhuǎn)換值P ；(2)控制開關(guān)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(zhǔn)備?？申P(guān)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.抑艦/\這里Vad。是ADC比較電壓，在一次性鋰電池供電設(shè)備中，通常為1，5_2V。例如，若取Vadc = 2V，tf = 125ns (即單片機(jī)主頻為8Mhz)，C = IOOpf，則I應(yīng)取 I. 44mA. 關(guān)于測量分辨率。由前述原理可知,測量時間的分辨率r為r = tf/p這里P的大小決定于ADC的位數(shù)。仍以上例說明，若ADC為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則 P = 0.9X4096 = 3686，r = 34ps。優(yōu)于GP2系列產(chǎn)品的時間測量分辨率。若使單片機(jī)(MCU)主頻提高到16Mhz，則r = 17ps。遠(yuǎn)優(yōu)于GP2系列產(chǎn)品的時間測量分辨率。 關(guān)于成本本發(fā)明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(fā)器 (詳見圖2 :可控恒流源示例，雙D觸發(fā)器之一)、2個三極管及若干電阻電容，就可實(shí)現(xiàn)性能遠(yuǎn)高于集成電路GP2的時間測量功能。其電路復(fù)雜性不及GP2的百分之一，成本僅GP2的十分之一。 關(guān)于電能消耗本發(fā)明的電路采用AD轉(zhuǎn)換器將正比于被測時間的電壓V。轉(zhuǎn)換為數(shù)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(biāo)志，讀結(jié)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，本發(fā)明高分辨率時間測量、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(xiàn)行超聲波時差測量電路達(dá)不到的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還可應(yīng)用到其他一切需要高分辨率測量時間的技術(shù)領(lǐng)域，例如，激光測距、電纜斷路定位
坐坐寸寸ο以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一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(chǎn)生預(yù)定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量信號，并能夠發(fā)送和接收該種能量信號;信號處理器，用于根據(jù)所述換能器發(fā)送后接收的回波能量信號進(jìn)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(jìn)行解析得到時間測量結(jié)果，并進(jìn)一步處理得到處理結(jié)果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關(guān)斷。
2.如權(quán)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(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述換能器能夠?qū)⒄袷庌D(zhuǎn)換成但不限于超聲波、激光或電磁波。
4.如權(quán)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(guān)斷恒流源和電容； 當(dāng)所述信號解析器控制可關(guān)斷恒流源打開時，所述可關(guān)斷恒流源以電流對電容充電；當(dāng)所述信號解析器控制可關(guān)斷恒流源關(guān)斷時，得到并存儲所述電容電壓轉(zhuǎn)換值后，所述電容放電。
5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述處理結(jié)果為但不限于流量、距離或電路斷路定位。
6.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，應(yīng)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(quán)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(guān)斷恒流源和電容；所述MCU和超聲波換能器之間還設(shè)有功率放大器和模擬開關(guān)；所述換能器和可關(guān)斷恒流源之間還設(shè)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(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，MCU—方面向功率放大器輸出預(yù)定頻率的方波作功率放大，一方面啟動內(nèi)部計數(shù)器開始對內(nèi)部高頻時鐘計數(shù)；功率放大器輸出的方波經(jīng)過受MCU控制的模擬開關(guān)驅(qū)動超聲波第一換能器/第二換能器發(fā)出超聲波信號；超聲波信號在液體/氣體流經(jīng)的管道中傳播到第二換能器/第一換能器，在相應(yīng)換能器信器上感應(yīng)出電信號，該電信號輸入到放大/比較器，經(jīng)比較器整形得到預(yù)定頻率的方波輸出到第一與非門(U3-1);當(dāng)?shù)谝慌c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(guān)斷恒流源，開始以電流對電容(Cl)充電，并給MCU發(fā)出中斷請求信號；可關(guān)斷恒流源另一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，另一個與可關(guān)斷恒流源flag端連接；當(dāng)可關(guān)斷恒流源處于打開狀態(tài)時，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(guān)斷恒流源后的第一個高頻時鐘脈沖通過第二與非門關(guān)斷可關(guān)斷恒流源；這樣，被打開的可關(guān)斷恒流源在一個MCU時鐘周期內(nèi)被關(guān)斷，電容的電壓充到V。。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，MCU接收中斷請求信號后，立即轉(zhuǎn)入中斷處理，啟動ADC對電容(Cl)上電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到并存儲轉(zhuǎn)換值；控制放電開關(guān)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(zhǔn)備。
10.一種權(quán)利要求9所述裝置的測量方法，其特征在于，包括步驟MCU—方面向功放電路輸出預(yù)定頻率的方波作功率放大，一方面啟動內(nèi)部計數(shù)器開始對內(nèi)部高頻時鐘計數(shù)；MCU接收中斷請求信號后，關(guān)閉內(nèi)部計數(shù)器停止計數(shù)，讀出計數(shù)器值；MCU在時間控制線上輸出低電平,封鎖第一與非門；MCU啟動ADC對電容上電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到與電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值；MCU控制放電開關(guān)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(zhǔn)備； MCU計算超聲波傳播時間，并根據(jù)超聲波傳播時間得到流量側(cè)臉值。
全文摘要
本發(fā)明是一種高分辨率時間測量、處理裝置及其測量方法，該裝置包括振蕩器、換能器、信號處理器和信號解析器；振蕩器，用于產(chǎn)生預(yù)定頻率的振蕩；換能器，用于將所述振蕩轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量信號，并能夠發(fā)送和接收該種能量信號；信號處理器，用于根據(jù)所述換能器發(fā)送后接收的回波能量信號進(jìn)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(jìn)行解析得到時間測量結(jié)果，并進(jìn)一步處理得到處理結(jié)果；所述信號解析器能夠控制所述信號處理器的打開/關(guān)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(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01H11/06GK102589626SQ20121002001
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者湯天順 申請人:北京嘉潔能科技有限公司