ZHCU625A January   2019  – July 2022

 

  1.   说明
  2.   资源
  3.   特性
  4.   应用
  5.   5
  6. 1系统说明
    1. 1.1 关键系统规格
  7. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项
      1. 2.2.1 流量测量
      2. 2.2.2 ToF 测量
        1. 2.2.2.1 基于 ADC 的采集过程
        2. 2.2.2.2 超声波传感流量计量库
      3. 2.2.3 低功耗设计
        1. 2.2.3.1 节能软件
        2. 2.2.3.2 优化的硬件设计
        3. 2.2.3.3 高效利用 FRAM
        4. 2.2.3.4 LEA 的优势
    3. 2.3 重点产品
      1. 2.3.1 MSP430FR6043
      2. 2.3.2 OPA836 和 OPA838
      3. 2.3.3 TS5A9411
    4. 2.4 系统设计原理
      1. 2.4.1 ToF 信号处理
  8. 3硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 3.1 所需的硬件和软件
      1. 3.1.1 硬件
        1. 3.1.1.1 EVM430-FR6043
      2. 3.1.2 软件
        1. 3.1.2.1 MSP 驱动程序库 (MSP Driverlib)
        2. 3.1.2.2 超声波传感流量计量库
        3. 3.1.2.3 应用
          1. 3.1.2.3.1 应用自定义
          2. 3.1.2.3.2 LCD 独立模式
        4. 3.1.2.4 USS 设计中心 (PC GUI)
      3. 3.1.3 传感器和仪表
        1. 3.1.3.1 传感器和仪表的频率表征
    2. 3.2 测试和结果
      1. 3.2.1 测试设置
        1. 3.2.1.1 连接硬件
        2. 3.2.1.2 构建和加载软件
          1. 3.2.1.2.1 使用 Code Composer Studio IDE
          2. 3.2.1.2.2 使用 IAR Embedded Workbench IDE
        3. 3.2.1.3 执行应用
        4. 3.2.1.4 使用 GUI 配置器件并观察结果
        5. 3.2.1.5 自定义和优化
      2. 3.2.2 测试结果
        1. 3.2.2.1 一次性标准偏差
        2. 3.2.2.2 零流量漂移
        3. 3.2.2.3 绝对飞行时间测量
        4. 3.2.2.4 传感器之间零流量漂移的变化
        5. 3.2.2.5 流量测量
        6. 3.2.2.6 平均电流消耗
        7. 3.2.2.7 内存占用量
  9. 4设计和文档支持
    1. 4.1 设计文件
      1. 4.1.1 原理图
      2. 4.1.2 物料清单
      3. 4.1.3 PCB 布局建议
        1. 4.1.3.1 布局图
      4. 4.1.4 Altium 工程
      5. 4.1.5 Gerber 文件
      6. 4.1.6 装配图
    2. 4.2 软件文件
    3. 4.3 相关文档
    4. 4.4 术语
    5. 4.5 商标
    6. 4.6 支持资源
  10. 5关于作者
  11. 6修订历史记录

2.4.1 ToF 信号处理

Equation5 提供了飞行时间的信号处理。

Equation5. r 2 i   =   r 2 i f s  

其中

  • fs 是 ADC 的采样率。
  • i 是采样指数。
  • r2(t) 指示在传感器 2（下行捕获）的输出端接收的超声波信号。

与此类似，在传感器 1（上行捕获）处接收的信号 r1(t) 由数据向量表示，请参阅Equation6。

Equation6. r 1 - = r 1 1 ：   r 1 2 ：   r 1 3 ：   . . . ,   r 1 N  

例如，当采样频率 fs = 4000kHz、捕获持续时间为 40µs 时，接收的数据向量大小为 N = 160。

根据 r1 和 r2，相关值 corr(k) 的计算公式为Equation7。

Equation7. c o r r ( k )   =   ∑ i = 1 N   r 1 i + k r 2 k ;   f o r   k   =   - m ：   - ( m - 1 ） ：   . . . ,   - 1 ： 0 ： 1 ：   . . . ：   ( m - 1 ） ：   m

其中

  • r1i、r2 i 的值 = 0（i < 1 时）
  • i > N

最大相关值的计算公式为Equation8。

Equation8. k ^ =   m a x k c o r r ( k )

其中

  • Z-1 = corr(k–1)
  • Z0 = corr(k)
  • Z+1 = corr(k+1)

这些变量是处于和接近于最大值的相关值。实际的最大相关值现在通过内插确定（请参阅Equation9）。

Equation9. δ   =   i n t e r p m a x Z - 1 ：   Z 0 ：   Z + 1

DToF 现在通过Equation10 确定。

Equation10. T 12 c o r r   =   k ^ - m + δ

为达到高效实现，m 选择为 +1，这意味着大部分时间仅计算三个相关值（Z-1、Z0 和 Z+1）。图 3-3 显示了先前关系。

GUID-D6500780-12F7-49D2-8B02-5F2EBFFC73EC-low.png图 3-3 ToF 差的内插步进

基于相关值的 ToF 计算以前在文献中已有报告，如 MSP430FR58xx、MSP430FR59xx 和 MSP430FR6xx 系列用户指南 所述。EVM430-FR6043 硬件指南 说明了高效的内插技术。如前所述，为达到高效实现，仅通过几个点计算相关值，从而获得低功耗实现。

通过估计气体中的准确 absToF，不需要使用温度传感器来计算气体中的声速。在本参考设计使用的 USS SW 库中，absToF 通过计算接收信号的包络来确定。先计算每个捕获的信号最大值。然后确定此最大值的包络交叉给定比率。随后通过此包络交叉阈值的恒定偏移来计算 absToF，如图 3-4 和Equation11 所示。

GUID-C393E05F-6F72-478E-B1BD-59565BF430E8-low.png图 3-4 ADC 捕获的波形和 AbsToF 计算的包络

UPS 和 DNS absToF 通过Equation11 确定。

Equation11. T u p s a b s   =   T p r o p   +   T t h r e s h u p s   -   T o f f s e t T d n s a b s   =   T p r o p   +   T t h r e s h d n s   -   T o f f s e t

其中

  • Tprop 是通过 USS 设计中心 GUI 或应用配置预编程的传播时间，与给定仪表中超声波信号的估算传播时间相对应。

通常，此值范围为 35 至 70µs。阈值参数 Tthreshups 和 Tthreshdns 与从 ADC 触发到达到信号最大值的包络交叉特定比率（通常选择为 20%）之间的时间对应。