TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用

２００９年第１期

仪表技术

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ＴＤＣ—ＧＰ２高精度时间测量芯片在时差法

超声波流量计中的应用

吴元良，姚骏，李斌

（上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２）

摘要：叙述高精度时间测量芯片ＴＤＣ—ＧＰ２在时差法超声波流量计中的应用。详细介绍了测时芯片ＴＤＣ—ＧＰ２的结构和功能原理．以及在超声波流量计时间测量模块中系统硬件部分的实现。

关键词：ＴＤＣ—ＧＰ２；超声渡流量计；时间测量

中图分类号：ＴＨ８１４文献标识码：Ｂ文章编号：１００６—２３９４（２００９）０１—００５９—０３

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ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

ＴＤＣ——ＧＰ２

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＤＣ—ＧＰ２；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇ

１高精度测时芯片ＴＤＣ—ＧＰ２１．１芯片简介

ＴＤＣ—ＧＰ２是ＡＣＡＭ公司推出的新款时间数字转化器件。它具有高精度小封装低功耗的特点，尤其适合于低成本的工业应用领域。ＧＰ２具有高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。它有两个测量范围，可以使时间的测量精度达到ｐｓ级。ＴＤＣ—ＧＰ２是３２脚封装，它的核心电压为１．８—３．６Ｖ，输入输出电压为１．８—５．５Ｖ。通过４线的ＳＰＩ可以和单片机相连，把ＴＤＣ—ＧＰ２当作单片机的外围设备使用。此外，它还具有最大ＩＭＨｚ的连续数据输出率；时钟校准单元；精确停止脉冲使能窗Ｅｌ；上升沿／下降沿单独触发或者上升沿和下降沿同时触发等。１．２功能描述

（１）测量范围１

测量范围ｌ的特点是：两个ｓｔｏｐ通道共用一个ｓｔａｒｔ通道，每个通道的典型分辨率５０ｐｓ，最低有效位为６５ｐｓ，间隔脉冲对的分辨能力１５ｎｓ，每个ｓｔｏｐ通道

收稿日期：２００８—０８

都可以进行４次采样，测量范围是２ｎｓ一１．８ｎｓ，每个通道都可以选择上升沿或者下降沿触发，ＥＮＡＢＬＥ引脚提供强大的ｓｔｏｐ信号使能功能可测量任意两个信号之间的时差。

（２）测量范围２

测量范围２的特点是：只有一个ｓｔｏｐ通道对应ｓｔａｒｔ通道，典型的分辨率为５０ｐｓ，间隔脉冲对的分辨率为２×ｒ耐，有３次采样能力，测量范围：２×ｒ耐一４ｍｓ，可选上升／下降沿触发。

（３）脉冲发生器

触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列。高速振荡器频率用作基本频率，这个频率在内部被倍频，它还可以自由地除以因子２一１５进行分频。可以产生１—１５个脉冲序列，每个脉冲序列都可通过设置寄存器来调节其相位。通过发送代码Ｓｔａｒｔ—Ｃｙｃｌｅ来激活触发脉冲发生器，触发脉冲发生器提供两个输出结果，Ｆｉｒｅｌ和Ｆｉｒｅ２，每个输出在５Ｖ时的驱动能力是４８ｍＡ。这两个输出的驱动能力可以同时增加到９６ｍＡ。此外，每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍。输出管脚能被单独地设置为高阻态。

基金项目：上海市重点学科建设项目基金（Ｉ＇０１０３）；上海市电站自动化技术重点实验室（Ｔ０１０３）作者简介：吴元良（１９８３一），男，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。

万方数据　

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仪表技术２００９年第１期

２

ＴＤＣ—ＧＰ２外围的硬件设计

图１为ＴＤＣ—ＧＰ２外围电路图，在整个ＴＤＣ—ＧＰ２

外围系统中，需要用到２个晶振。ＴＤＣ—ＧＰ２首先需要一个２—８ＭＨｚ的高速时钟进行校准用。在测量范围２中ＴＤＣ—ＧＰ２还需要高速时钟信号作为时间测量单元的一部分。此外ＴＤＣ—ＧＰ２需要一个３２．７６８ｋＨｚ的基准时钟来控制高速时钟和进行时钟校准用。

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ＴＤＣ．ＧＰ２

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ＰＴ３Ｆｉｒｅｌ；ＴＴｉ

２３ＰＴ２Ｆｉｒｅ２

ＰＴＩ２４ＰＴｌＳｔａｒｔ

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ＩＮＴＤＰ２

ＳｔｏｐｌＳＳＮ

９

ＳＳＮ

Ｓｔｏｐ２ＳＩ一一一一一～一

ＳＯ幽ＩＳ０

ｌｌ

ＭＯＳＩＥｎ—ＳｔｏｐＩ

ＳＣＫ

１０

ＳＣＫ

Ｅｎ

Ｓｔｏｐ２

ＲＳＴＮ

图１ＴＤＣ—ＧＰ２外围电路图

微控制器采用新华龙电子有限公司的Ｃ８０５１Ｆ４１０单片机，有３２个引脚，是完全集成的低功耗混合信号片上系统型ＭＣＵ芯片。它的主要特性有：高速、流水线结构的８０５ｌ兼容的微控制器核（可达５０ＭＩＰＳ）；全速、非侵入式的在系统调试接ｌＺｌ（片内）；真１２位流输出ＤＡＣ；高精度可编程的２４．５ＭＨｚ内部振荡器；件实现的ＳＭＢｕｓ／１２Ｃ、增强型ＵＡＲＴ和增强型ＳＰＩ串行接口等。

ＴＤＣ—ＧＰ２与Ｃ８０５１Ｆ４１０的连接通过ＴＤＣ—ＧＰ２上的ＳＰＩ接口来实现。串行接口与４线ＳＰＩ标准接口兼容，需要一个Ｓｅｒｉａｌ

Ｓｅｌｅｃｔ

Ｎｏｔ（ＳＳＮ），不能作为３线

接口使用。ＳＳＮ—ＳＰＩ从机选择，ＳＣＫ—ＳＰＩ时钟，ＳＩ—ＳＰＩ数据输入，ＳＯ—ＳＰＩ数据输出。如图２所示。

ＴＤＣ．ＧＰ２

Ｃ８０５ｌＦ４１０

ＳＣＫＰ１＿３

Ｓ０Ｐ１．４Ｓｌ

Ｐ１．５ＳＳＮ

Ｐ１．６

图２ＴＤＣ—ＧＰ２与Ｃ８０５１Ｆ４１０的连接原理图

万　

方数据３超声波流量计时问测量部分设计方案

设计方案采用在同方向上多次发射及接收超声波，每次采用不同的比较阈值来确定接收波的起始点位置。

首先是发送超声波过程一，由ＣＰＵ控制发送换能器发射超声波，发射的波形为正弦波，频率为０．５ＭＨｚ一１ＭＨｚ。开启ＴＤＣ精确计时，工作在方式２。开启ＣＰＵ内部定时器计时。接收段开启ＡＤ转换，确定噪

声幅值。启动过零比较，使用ＣＰＵ定时器记录每个脉

冲过零点的上升沿和下降沿的时间ｔ；。一Ｌ。。根据

ＡＤ转换得到的噪声幅值，确定过程一的比较阈值Ｋ．，并由ＤＡ输出到比较器。ＴＤＣ及时记录每次过比较阈值Ｋ。的时间。ＴＤＣ在方式２只能记录４个时间数据

ｒ．１～ｒ“。

然后是发送超声波过程二，其过程与发送超声波过程一相同，但是记录下不同的数据。ＣＰＵ定时器记录每个脉冲过零点的上升沿和下降沿的时间瓦ｄ一巩蛆，过程二的比较阈值为圪。，ＴＤＣ在方式２记录每次过比较阈值Ｋ。的４个时间数据瓦。一７’Ｈ。

系统硬件结构如图３所示。Ｋ。和ｙｍ接单片机内部的比较器，设定两个较高的电压值ｙ．和Ｖ。，用来确定两次收发过程波形的一致性。输入信号通过Ｋ。。作过零比较，确定过零点时间ｔ。一ｒ；。。输入信号通过Ｋ。。与比较阈值儿。或Ｋ。作比较，确定过比较阈值时间

ｒ．。和ｒｂ日。

图３

时间测量模块硬件结构图

接收到超声波的波形如图４所示。

商ｈ种１＝

２０

２５

３０３５

４０４５５０５５

６０

图４超声渡接收波形

２００ｋｓｐｓ的２４通道ＡＤＣ，带模拟多路器；两个１２位电３２ＫＢ的片内ＦＬＡＳＨ存储器；２３０４字节片内ＲＡＭ；硬

２００９年第１期仪表技术

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从图４超声波接收波形来看，可以得到起振以后正弦波个数，各个正弦波的大致起止时间ｒ。。。一ｒ。，ｒ。。，一ｒ。：。。ｙ。和矿。确定了接收波形的峰值范围，以此来确定两次收发过程波形的一致性，这给判断该次测量的可靠性提供依据。根据两次过零点波形，分别对两次过比较阈值点时间的可靠性进行判断，确定ｒ．，～

要的环节，因为超声波顺流和逆流的时差十分微小，测量时间的精度要求很高，测量时间的精度又直接影响到了流量计的精度，因此时间间隔测量在整个超声波流量计系统中占有非常重要的地位。ＴＤＣ—ＧＰ２是一款高精度的时间测量芯片，它具有６５ｐｓ量级的时间间隔测量精度。在超声波流量计时间测量系统中运用ＴＤＣ—ＧＰ２大大提高了超声波流量计的测量精度。本文为实现ＴＤＣ—ＧＰ２在超声波流量计时间测量中的应用提供了一个技术方案，在实际流量测量中，还存在流量管道气泡杂质等影响，从而影响流量测量的精度，这是有待改进的。参考文献：

［１］黄永峰．时差式超声流量计新测量方法的设计与实现

［Ｄ］．哈尔滨工程大学，２００７．

［２］党瑞荣，石浩亮，杨灏．基于ＴＭＳ３２０ＶＣ３３和ＴＤＣ—ＧＰ２的

流量测量电路设计［Ｊ］．石油仪器，２００７，（６）．

［３］潘琢金．Ｃ８０５ｌＦ４１０／１／２／３混合信号ＩＳＰＦＬＡＳＨ微控制器

数据手册［ｚ］．２００６．［４］ＡＣＡＭ．ＴＤＣ—ＧＰ２（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ

ｖｅｒｔｅｒ）［ｚ］．２００６．

［５］仲峰，万莉萍，岳宇．高精度时间测量芯片ＴＤＣ—ＧＰ２在激

光测距中的应用［Ｊ】．工业控制计算机，２００７，（４）．

２ＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ—ｔｏ—ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎ・

乙、瓦。一叱各自对应过零点的位置。在过零点波形

分析中，要考虑在过零点处可能存在的噪声干扰引起的误触发波形。根据第一个有效波形的上升过程和下

降过程中两个比较阈值计算出的时间Ｌ。，ｒ。。，％，ｒ。：

可以推算出对应正弦波的表达式Ｖ＝ａｓｉｎ（２矽＋９）。

求解出ｙ＝０时的时间便是所求的过零点疋．的值。

控制发送换能器反向发射超声波，同样也是发射相同的波形２次，根据以上的过程再做一次，求出在反向发射超声波时接收波在相同位置过零点的时间ｒ出的值。ｒ。一ｒ：。的绝对值便是正反向超声波的时间差。

根据公式秒＝｝寻・÷笔便可以求出流体的流速，乘

‘２。‘ｌ

ｓｌｎ，￡仃

上管道截面积就能算出流量了，公式为：

ｑ。＝∥・Ａ＝１ｒ・Ｄ２／４・秽＝Ｋ・砂

式子中Ａ为管径节面积；Ｖ为流体流速；ｑ，为体积流量；Ｄ为管道内径。

４

结束语

（丁云编发）

超声波时间测量是超声波流量计当中的一个很重

（上接第５２页）

图中ｉｍｏｕｔｌ为输出数据的整数部分，ｉｍｏｕｔ２为小数部分（小数部分位长为５，将仿真结果除以３２即为仿真结果小数值）。仿真结果说明，ＦＰＧＡ运算结果略小于Ｍａｔｌａｂ计算值，最大误差不超过０．２。

采用主流的ＦＰＧＡ器件ＡＬＴＥＲＡ公司的Ｓｔｒａｔｉｘ系列器件ＥＰ２Ｓ１５Ｆ４８４Ｃ３进行综合仿真。

资源占用率为：

ＴｏｔａｌＡＬＵＴｓ：８８１４／１２４８０（７１％）；Ｔｏｔａｌｒｅｇｉｓｔｅｒｓ：６４３７；Ｔｏｔａｌ

ｍｅｍｏｒｙ

析算法的方法。仿真结果表明这种方法可以满足实时信号处理的要求，可以处理任意大小的二维数据。因有限字长效应，运算结果中有较小的误差，如系统对计算精度要求更高，可以适当增加中间数据的位长。如果选用集成度更高的器件该算法所占器件的资源比例

ＩＩ

将更低（选用ＥＰ２Ｓ１８０Ｆ１５０８Ｃ３综合时算术逻辑单元ＡＬＵＴ的使用率为６％），此方法设计可以实现更为复杂的多维小波分解及重构算法。参考文献：

［１］裴红周，陈炜，毛士艺．基于小波分解的融合图像评价方法

［Ｊ］，信号处理，２００６，２（２）．

ｂｉｔｓ：２６６２４０／

４１９３２８（６３％）；

ＤＳＰ

ｂｌｏｃｋ

９－ｂｉｔ

ｅｌｅｍｅｎｔｓ：

［２］王延平，刘炽，尹亮．小波变换的ＦＰＧＡ实现［Ｊ］．中国图像

图形学报，１９９７，２（２）．

４８／９６（５０％）；

［３］黄本雄，段善维，胡海．图像小波分解的ＦＰＧＡ实现［Ｊ］．计

时序分析结果如图６所示。

５

，导妻壬竺挈兰为：三７：１４ＭＨ

总结

ｚ＇

图６时序分析结果算机工程与科学，２００５，２７（３）．

［４］王丽荣．申铉国，王荣芳，等，基于ＦＰＧＡ的多用途提升小

波变换核［Ｊ］．吉林大学学报（工业版），２００４，３（３４）．［５］姚天任，孙洪．现代信号处理［Ｍ］．武汉：华中科技大学出

本文设计了一种采用ＦＰＧＡ器件实现二维小波分

版社，１９９９．

（许雪军编发）

万方数据　

TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

吴元良， 姚骏， 李斌， WU Yuan-liang， YAO Jun， LI Bin上海大学,机电工程与自动化学院,上海,200072仪表技术

INSTRUMENTATION TECHNOLOGY2009(1)1次

参考文献(5条)

1. 仲峰;万莉萍;岳宇 高精度时间测量芯片TDC-GP2在激光测距中的应用[期刊论文]-工业控制计算机 2007(04)2. ACAM TDC-GP2(Universal 2 Channel Time-to-Digital Converter) 20063. 潘琢金 C8051F410/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册 2006

4. 党瑞荣;石浩亮;杨灏 基于TMS320VC33和TDC-GP2的流量测量电路设计[期刊论文]-石油仪器 2007(06)5. 黄永峰 时差式超声流量计新测量方法的设计与实现 2007

引证文献(1条)

1. 李国洪. 盛立. 刘丽娜 基于MSP430F447的超声波流量计的设计及实现[期刊论文]-声学技术 2010(3)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ybjs200901023.aspx