适用于气体流量测量的超声波传感子系统参考设计

本资源的原文使用英文撰写。为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

说明

本参考设计可帮助设计人员使用集成的超声波传感解决方案 (USS) 模块开发超声波气体计量子系统，从而提供卓越的计量性能、低功耗和最大集成度。该设计基于 64KB MSP430FR6043 微控制器 (MCU)，其中集成了基于 ADC 的高速信号采集功能，并通过集成的低功耗加速器 (LEA) 来优化数字信号处理。

资源

TIDM-02003	设计文件夹
MSP430FR6043	产品文件夹
EVM430-FR6043	工具文件夹
TS5A9411	产品文件夹
OPA836	产品文件夹
OPA838	产品文件夹
TPS61240	产品文件夹
TPS22860	产品文件夹

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特性

业界一流的计量性能：在 200kHz 至 500kHz 传感器上，提供 ±250ps 零流量漂移 (ZFD) 以及 500ps 一次性标准偏差
低功耗：在每秒提供一组综合结果的 200kHz 至 500kHz 传感器上，功耗小于 20µA
具有多种管道和传感器，可灵活运行
轻松使用超声波传感设计中心图形用户界面 (GUI) 和超声波感应 (USS) 软件库进行测试和自定义
针对 200:1 的动态范围，流量精度在 ±1% 之间，流速最高达 12000 升/小时
可检测的最低流速为 3 升/小时
基于波形捕获的处理功能：
- 随着温度的变化，强大的性能根据传感器特性变化而变化
- 轻松进行仪表校准，不受传感器特性变化的影响
- 支持仪表诊断，例如监控传感器老化和外部噪音干扰
- 片上自动增益控制 (AGC) 支持动态实现，以便处理发生变化的传感器或气体环境状况

应用

1 系统说明

TIDM-02003 参考设计使用 TI 的 MSP430FR6043 MCU 以及其他分立式元件构建。此实现基于飞行时间差 (ToF) 的计算结果，并对上行和下行路径使用两个传感器。传感器激励和信号捕获使用 MSP430FR6043 MCU 的内部超声波传感解决方案 (USS) 模块实现。信号随后由一系列算法通过 MSP430™ MCU 的低功耗加速器 (LEA) 进行处理，以快速且低功耗地计算必要的输出数据。

本参考设计使用 EVM430-FR6043 评估套件，专用于气流表等超声波传感应用。EVM 包括连接其他 BoosterPack™ 插件模块的连接器，以添加无线通信等功能。本参考设计包括所需的所有硬件文件。

此软件通过 TI 的 MSP430Ware™ 软件和 MSP430 超声波传感气体计量库，以模块化和可移植方式编写。

本参考设计还包括超声波设计中心，使设计人员可通过易于使用的 GUI 修改和优化不同的配置参数。USS 设计中心可使用户轻松实现和自定义不同收发器，而无需修改示例工程中的应用代码。

设计文件包括用于应用示例和相应 Code Composer Studio™ IDE 与 IAR Embedded Workbench® IDE 工程的源代码。

1.1 关键系统规格

表 2-1 关键系统规格

参数	规格	详细信息
零流量漂移 (ZFD)	±250ps（典型值）	Topic Link Label3.2.2.2
一次性标准偏差 (STD)	<500 ps	Topic Link Label3.2.2.1
最小可检测流量 (MDF)	3lph	Topic Link Label3.2.2.5
平均电流消耗 (I_AVG)	<20µA	Topic Link Label3.2.2.6

2 系统概述

2.1 方框图

图 3-1 TIDM-02003 方框图

2.2 设计注意事项

2.2.1 流量测量

超声波气流表设计基于 ToF 测量原理。此测量是指信号从发送传感器传输到接收传感器所需的时间。

图 3-2 显示了流量管。

图 3-2 流量计中的 ToF

信号从第一个传感器 (XDR₁) 传输到第二个传感器 (XDR₂) 的传播时间是 T₁₂。T₂₁ 表示以相反方向进行传输的传播时间。根据以下公式计算这些时间，这些时间与气体中的超声波速度和气流速度存在函数关系。此长度远远大于管道半径 r，因此与气流垂直的波的传播长度在以下分析中忽略不计。

Equation1. $T_{12} = \frac{L}{c + v}$

Equation2. $T_{21} = \frac{L}{c - v}$

Equation3. $∆ t = T_{21} - T_{12}$

其中

c 是超声波在介质中的速度。
v 是气流速度。
L 是沿气流的管道传播长度。

使用Equation1 到Equation3 得出气流速度 (v)，无需知道超声波在介质中的速度 (c) 即可得出此值。

本参考设计在计算气流时，假定超声波速度未知。在本例中，Equation4 通过Equation1 和Equation2 得到，方法是消除 c。

Equation4. $v = \frac{L}{2} \times (\frac{1}{T_{12}} - \frac{1}{T_{21}}) = \frac{L}{2} \times (\frac{T_{21} - T_{12}}{T_{21} T_{12}}) = \frac{L}{2} \times (\frac{∆ T}{T_{21} T_{12}})$

使用Equation4，计算在两个方向上沿管道横截面的实际传播时间 T₁₂ 和 T₂₁。

2.2.2 ToF 测量

在本参考设计讨论的实现中，MSP430FR6043 MCU 使用器件中的 USS 模块执行完整的采集过程以进行信号调节。图 3-3 显示了此采集过程。

在序列开始时，MSP430FR6043 MCU 向第一个传感器 XDCR₁ 发送一列脉冲。此信号随后由第二个收发器 XDCR₂ 接收，历经的传播时间为 T₁₂。传输和接收之间的时间差决定上行 (UPS) ToF，即 ToF_UPS。

MSP430FR6043 MCU 在下行阶段期间在相反方向重复相同过程，传播时间为 T₂₁，表示下行 (DNS) ToF，即 ToF_DNS。

随后可以计算 DToF (Δt) ，这是 T₁₂ 与 T₂₁ 之间的差，如Equation3 所示。

DToF 通常使用两种技术测量：使用时数转换器 (TDC) 的零交叉或使用 ADC 捕获信号的相关方法

TIDM-02003 设计使用基于 ADC 的技术而非 TDC 技术，因为前者具有以下优势。

性能提升：相关方法可用作抑制噪声的数字滤波器，从而使标准偏差降低三到四倍左右。类似地，相关方法也可用作抑制其他干扰（如线路噪声）的低通滤波器。
信号幅度变化的稳健性得以提升：因为算法不受接收信号的幅度、传感器间变化和温度变化的影响。
信号的包络自然获取。此信号可调节到传感器频率，以及减慢包络在一段时间内的变化，可用于保持包括老化传感器或仪表在内的性能。

2.2.2.1 基于 ADC 的采集过程

本参考设计中实现的基于 ADC 的采集过程大量使用 MSP430FR6043 MCU 中 USS 模块的硬件功能，包括脉冲生成和高速 Σ-Δ ADC，以完全实现采样过程自动化。此采集过程不仅可在不依赖于 CPU 延迟和编译器的情况下更严格地控制采样过程，还能够减少功耗，因为 CPU 在测量期间处于低功耗模式 3 (LPM3)。

图 3-4 显示了信号采集过程的时序图。信号采集步骤为：

此过程开始时 (t₀)，器件初始化 USS 模块（运行源于 USSXT 的内部时钟），并触发脉冲生成的启动。
在启动 USS 模块后，CPU 进入 LPM0 低功耗模式，等待测量序列完成。此序列还包括高速 Σ-Δ ADC 进行的信号采集，捕获的数据存储在 CPU 与 LEA 模块之间共享的 RAM 中。
在最后一次采样后，USS 模块将通过中断机制自动唤醒 CPU。
CPU 在转换时间 (t_EoC) 结束时准备进入 LPM3 模式。
经过指定的 UPS-DNS 间隙 (t_UPS-DNS-GAP) 后，CPU 启动 USS 模块以处理其他 (DNS) 通道。CPU 进入 LPM0 模式，等待 DNS 采样和测量。
在为 DNS 接收最后一次采样后，USS 模块将通过中断机制自动唤醒 CPU。
CPU 处理数据，并为 DNS 和 UPS 通道获取飞行时间差 (DTOF) 和绝对飞行时间 (AbsToF)，同时获取体积流速 (VFR)。处理完成后，CPU 在 t_DNS-UPS-GAP 持续时间内进入 LPM3 模式，这是当前测量结束到下次测量开始之间的间隙。