CN105181046A - 一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***及方法，***部分包括主控模块MCU、计时单元、计量模块和显示模块；主控模块MCU与计时模块信号连接，计时模块的信号输出端与激发电路的信号输入端连接，激发电路的信号输出端接换能器模块的输入端；换能器模块的信号输出端口通过AD外设采样模块与计量模块的信号输出端口连接，换能器模块的信号输出端口通过运放、滤波、放大电路与主控模块MCU、计时模块连接；计量模块的信号输出端口与主控模块MCU的信号输入端口连接；主控模块MCU的显示信号输出端口与显示模块的显示信号输入端口连接。本发明通过双核心数字化结构，能改善计量精度，从而提升计量产品的等级。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表领域，尤其涉及一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***及方法。
背景技术
高精度、大流量的智能流量计在大口径流量测量方面优点突出，因此，近年来，工业、商业网络对气体超声流量计的需求越来越大。采用数字信号处理及纠错技术实现的气体流量计量方案，是大量程超声波流量计的首选趋势。
管段式超声波流量计的计量原理是“时差法”。一个探头发射信号穿过管壁、介质，到达另一侧管壁后，被另一个探头接收到，获得第一个飞行时间tAB，同样，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，得到第二个飞行时间tBA。由于受到流体介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系，进而可以得到流量值Q。根据时差原理计算的气流速度，再根据体积流量计算公式，可计算出单位时间t内，通过管段的气体体积，从而获得气体体积：
Q=π*(D/2) 2 *V*t
现有技术方案采用MCU控制高精度的计时芯片或者计时电路模块（统称计量单元），获得超声波在燃气流体中的往返的飞行时间。再简要分析计时芯片记取时间的方法依据，来计算时间差值，从而获得该时间范围内的气体流量。
该技术要求高精度的计时单元提供的时间精度高，而且重要的是时间点位置必须精准，计算点对应的波峰波谷也必须一一对应。但是，计时单元采用的是波峰阈值和过零点来定位计算的时间点。改变流体速度、温度、压力和量程，甚至改变气体成分的过程中，超声波的波形特征就会有比较大的变化，直接定位计算点容易偏移一个甚至多个周期。对于精度至少是us级飞行时间来说，超声波的一个周期就是几个us，会引起流量计计量误差超过***标定范围。
另外，如果通过主控MCU对波形的数字信号进行直接分析，由于MCU计算能力普遍偏弱，MCU无力承担数字信号处理过程。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***及方法。
一种双核心数字化超声波流量计***，包括主控模块MCU、计时单元、计量模块和显示模块；
主控模块MCU与计时模块信号连接，计时模块的信号输出端与激发电路的信号输入端连接，激发电路的信号输出端接换能器模块的输入端；换能器模块的信号输出端口通过AD外设采样模块与计量模块的信号输出端口连接，换能器模块的信号输出端口通过运放、滤波、放大电路与主控模块MCU、计时模块连接；计量模块的信号输出端口与主控模块MCU的信号输入端口连接；主控模块MCU的显示信号输出端口与显示模块的显示信号输入端口连接。
所述的换能器模块包括第一换能器和第二换能器。
温度传感器和压力传感器的信号输出端接主控模块。
一种双核心数字化超声波流量计***的计量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：主控模块MCU初始化***所有模块和单元，使其进入低功耗模式，当进入工作状态时，主控模块定时唤醒低功耗模块的组件，主控模块MCU定时触发电路信号开关，正向给计时芯片端发送触发信号，计时芯片通过的激发电路激发第一换能器，计时芯片记录激发时间点；第一换能器将电信号转换成超声波并发射，第二换能器接收到第一换能器的超声波信号后，产生响应的电信号；
步骤二：电信号通过AD外设采样模块传递给计量模块，电信号通过一系列的运放、滤波、放大之后传递给计时芯片和主控模块MCU；
步骤三：计时芯片通过自适应设定的信号检测阈值范围，检测接收到的响应信号的时间点，计时芯片得到一系列的时间点，从而得到多组正向飞行时间；
步骤四：计量模块核心ARM内，采样获得响应信号的波形，根据已知的标准流量下的参考信号，进行数字信号分析，将两种信号进行比对后，获得采样信号和参考信号的基点偏移量，根据采样周期和点位偏移量，从而获得采样信号的飞行时间；
步骤五：由于计量模块比较两种信号重合度的算法比计时芯片的阈值判断更加可靠，确定信号所在的那一个周期；主控模块MCU在计时芯片的多个时间值中进行选取一个周期范围内的时间值，从而获得正向飞行时间；
步骤六：主控模块通过切换电路开关，反向给计时芯片端发送触发信号，计时芯片通过的激发电路激发第而换能器，计时芯片记录激发时间点；第二换能器将电信号转换成超声波并发射，第一换能器接收到第二换能器的超声波信号后，产生响应的电信号；重复步骤2-5，获得反向飞行时间；
步骤七：两组飞行时间进行运算获得时间差，根据时差原理推导的公式，即可得到此时间内的流体流量；
步骤八：结合压力传感器和温度传感器的数据对得到流体流量进行补偿运算，然后将补偿运算后得到的流量数据流量数据送到显示单元进行显示输出；
步骤九：当数据信号输出后，主控MCU初始化***所有模块和单元，然后进入低功耗模式，达到节能目的，直到下一次主控MCU定时唤醒组件的信号产生。
有益效果：本发明通过双核心数字化结构，能改善计量精度，从而提升计量产品的等级。而且，使用数字信号处理的方法，能更有利于获得更多的信号用于分析，积累测试用数据。同时，也将使产品数字化程度更高，有利于产品全方位的数字化升级，为多声道、更大口径的流量计提供更多有效的数据。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种双核心数字化超声波流量计***，包括主控模块MCU、计时单元、计量模块和显示模块；
主控模块MCU与计时模块信号连接，计时模块的信号输出端与激发电路的信号输入端连接，激发电路的信号输出端接换能器模块的输入端；换能器模块的信号输出端口通过AD外设采样模块与计量模块的信号输出端口连接，换能器模块的信号输出端口通过运放、滤波、放大电路与主控模块MCU、计时模块连接；计量模块的信号输出端口与主控模块MCU的信号输入端口连接；主控模块MCU的显示信号输出端口与显示模块的显示信号输入端口连接。
所述的换能器模块包括第一换能器和第二换能器。
温度传感器和压力传感器的信号输出端接主控模块。
如图2所示，一种双核心数字化超声波流量计***的计量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：主控模块MCU初始化***所有模块和单元，使其进入低功耗模式，当进入工作状态时，主控模块定时唤醒低功耗模块的组件，主控模块MCU定时触发电路信号开关，正向给计时芯片端发送触发信号，计时芯片通过的激发电路激发第一换能器，计时芯片记录激发时间点；第一换能器将电信号转换成超声波并发射，第二换能器接收到第一换能器的超声波信号后，产生响应的电信号；
步骤二：电信号通过AD外设采样模块传递给计量模块，电信号通过一系列的运放、滤波、放大之后传递给计时芯片和主控模块MCU；
步骤三：计时芯片通过自适应设定的信号检测阈值范围，检测接收到的响应信号的时间点，计时芯片得到一系列的时间点，从而得到多组正向飞行时间；
步骤四：计量模块核心ARM内，采样获得响应信号的波形，根据已知的标准流量下的参考信号，进行数字信号分析，将两种信号进行比对后，获得采样信号和参考信号的基点偏移量，根据采样周期和点位偏移量，从而获得采样信号的飞行时间；
步骤五：由于计量模块比较两种信号重合度的算法比计时芯片的阈值判断更加可靠，确定信号所在的那一个周期；主控模块MCU在计时芯片的多个时间值中进行选取一个周期范围内的时间值，从而获得正向飞行时间；
步骤六：主控模块通过切换电路开关，反向给计时芯片端发送触发信号，计时芯片通过的激发电路激发第而换能器，计时芯片记录激发时间点；第二换能器将电信号转换成超声波并发射，第一换能器接收到第二换能器的超声波信号后，产生响应的电信号；重复步骤2-5，获得反向飞行时间；
步骤七：两组飞行时间进行运算获得时间差，根据时差原理推导的公式，即可得到此时间内的流体流量；
步骤八：结合压力传感器和温度传感器的数据对得到流体流量进行补偿运算，然后将补偿运算后得到的流量数据流量数据送到显示单元进行显示输出；
步骤九：当数据信号输出后，主控MCU初始化***所有模块和单元，然后进入低功耗模式，达到节能目的，直到下一次主控MCU定时唤醒组件的信号产生。
Claims (4)
1.一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***，其特征在于：包括主控模块MCU、计时单元、计量模块和显示模块；
主控模块MCU与计时模块信号连接，计时模块的信号输出端与激发电路的信号输入端连接，激发电路的信号输出端接换能器模块的输入端；换能器模块的信号输出端口通过AD外设采样模块与计量模块的信号输出端口连接，换能器模块的信号输出端口通过运放、滤波、放大电路与主控模块MCU、计时模块连接；计量模块的信号输出端口与主控模块MCU的信号输入端口连接；主控模块MCU的显示信号输出端口与显示模块的显示信号输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***，其特征在于：所述的换能器模块包括第一换能器和第二换能器。
3.根据权利要求1所述的一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***，其特征在于：温度传感器和压力传感器的信号输出端接主控模块。
4.一种基于双核心架构的数字化超声波流量计***的计量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：主控模块MCU初始化***所有模块和单元，使其进入低功耗模式，当进入工作状态时，主控模块定时唤醒低功耗模块的组件，主控模块MCU定时触发电路信号开关，正向给计时芯片端发送触发信号，计时芯片通过的激发电路激发第一换能器，计时芯片记录激发时间点；第一换能器将电信号转换成超声波并发射，第二换能器接收到第一换能器的超声波信号后，产生响应的电信号；
步骤二：电信号通过AD外设采样模块传递给计量模块，电信号通过一系列的运放、滤波、放大之后传递给计时芯片和主控模块MCU；
步骤三：计时芯片通过自适应设定的信号检测阈值范围，检测接收到的响应信号的时间点，计时芯片得到一系列的时间点，从而得到多组正向飞行时间；
步骤四：计量模块核心ARM内，采样获得响应信号的波形，根据已知的标准流量下的参考信号，进行数字信号分析，将两种信号进行比对后，获得采样信号和参考信号的基点偏移量，根据采样周期和点位偏移量，从而获得采样信号的飞行时间；
步骤五：由于计量模块比较两种信号重合度的算法比计时芯片的阈值判断更加可靠，确定信号所在的那一个周期；主控模块MCU在计时芯片的多个时间值中进行选取一个周期范围内的时间值，从而获得正向飞行时间；
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