本發(fā)明屬于流量檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低功耗超聲波流量計回波信號處理方法及電路。

背景技術(shù)：

隨著政府加快建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會的趨勢，流量計量也開始朝著高精度、高重復(fù)性、低壓損的方向。超聲波流量計和其他流量計相比，擁有者以上特點。

超聲波流量計一般都采用時差法進行流量測量，即分別用上下游兩個超聲波換能器發(fā)射超聲波信號，測量另一個換能器所接收到超聲波信號的時間，兩個時間的差值與管路中的流體流速有關(guān)。但是由于氣體的聲阻抗較大，所以超聲波信號在氣體中傳播衰減嚴重，傳感器所接收到的回波信號非常微弱，因此需要對回波信號進行放大處理并且由于測量的重復(fù)性要求必須保證每次接收到的回波信號峰值相一致。

通常采用包絡(luò)線法，將回波信號進行包絡(luò)處理，改變放大倍數(shù)調(diào)整包絡(luò)峰值，保持與設(shè)定電壓值相等，然后測量包絡(luò)信號到達峰值的時間，從而得到超聲波信號的傳播時間。這種方法只能粗略的測量傳播時間，會導(dǎo)致精度的下降，同時相同的放大倍數(shù)會影響回波信號的波形使包絡(luò)波形發(fā)生變化會引入新的測量誤差。

另一種是設(shè)置單閾值，回波首波信號與閾值電壓比較得到方波信號，這時的第一個方波的到達時間就作為超聲波信號的飛行時間，這種方法易受到干擾影響。除此之外在氣體流動中也會存在漩渦，這會導(dǎo)致在相同的氣體流速下，超聲波傳播的聲程會存在差異。由于超聲波流量計具有高精度、高重復(fù)性的特點，所以在回波信號處理時，如果處理不當將會導(dǎo)致流量計精度和重復(fù)性下降，甚至無法完成計量任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了低功耗超聲波流量計回波信號處理方法及電路，對超聲波傳感器所接收到的回波信號進行處理。

本發(fā)明的低功耗超聲波流量計回波信號處理方法是：將接收到的超聲波回波信號利用可變增益放大單元進行放大，通過首波檢測單元檢測是否接收到回波，若接收到回波信號，單片機進入中斷，峰值檢測單元使能進行回波信號最大峰值ad采樣，單片機將峰值檢測單元得到ad采樣值與設(shè)定采樣值區(qū)間進行比較，從而調(diào)整可變增益放大單元的反饋電壓。這種方法可以控制峰值檢測單元的運行時間，在有回波信號的時候才進行峰值檢測實現(xiàn)了低功耗。

首波檢測功能是將經(jīng)過可變增益放大單元升壓后的放大回波信號分別通過兩個電壓比較器，設(shè)置兩個電壓比較器的兩個不同比較電壓，將輸出的回波信號轉(zhuǎn)為方波，將兩個方波通過異或門，獲得一個方波信號，讀取方波的上升沿和下降沿的時間，計算首波過零點時間。這個首波檢測方法可以減少因為放大倍數(shù)變化使波形發(fā)生變化所帶來的誤差，準確確定回波信號首波過零點位置，提高整個測量的準確性。

本發(fā)明的硬件電路包括可變增益放大單元、峰值檢測單元、首波檢測單元以及單片機單元。

超聲波傳感器接收的回波信號輸入到可變增益放大單元，將回波信號進行初步放大，再將放大信號傳入首波檢測單元進行檢測。單片機接收首波檢測單元輸出信號，將峰值檢測單元使能進行峰值檢測。單片機將峰值檢測單元得到的ad采樣值與設(shè)定的采樣值區(qū)間進行比較，調(diào)節(jié)控制電壓從而調(diào)整可變增益放大電路的放大倍數(shù)。當采樣的峰值在設(shè)定的一定區(qū)內(nèi)，則根據(jù)首波檢測單元輸出信號的上升沿和下降沿時間計算首波過零點時間，從而實現(xiàn)對超聲波飛行時間的測量。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明設(shè)計的測量方法保證每次測量的回波信號峰值相同，即回波信號的信號強度一致，同時采用首波來測量飛行時間可以降低由于回波信號處理電路的放大倍數(shù)不同所導(dǎo)致的回波信號的波形發(fā)生變化，影響測量的精度和重復(fù)性。整個回波信號處理實現(xiàn)了控制峰值測量，降低了電路的功耗，實現(xiàn)了低功耗。

附圖說明

圖1是回波信號處理系統(tǒng)框圖；

圖2是可變增益放大單元電路圖；

圖3是峰值檢測單元電路圖；

圖4是首波檢測單元電路圖；

圖5是單片機單元連接圖；

圖6是低功耗超聲波流量計回波信號處理方法流程圖；

圖7是首波檢測信號時域圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明提出的一種低功耗超聲波流量計回波信號處理方法及電路。

參照圖1,整個系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是將接收到的回波信號在可變增益放大單元進行信號放大，放大信號經(jīng)過首波檢測單元將回波信號轉(zhuǎn)變成方波傳入單片機單元，單片機單元接收到方波信號，將峰值檢測單元使能進行峰值檢測，將檢測峰值傳入單片機單元與設(shè)定電壓值進行比較從而控制可變增益放大單元放大倍數(shù)，直到檢測到的采樣信號在設(shè)定的范圍內(nèi)，單片機單元將發(fā)出超聲波信號至首波單元傳入的方波上升沿的時間t1和發(fā)出超聲波信號至首波單元傳入方波下降沿的時間t2記錄，則首波的飛行時間t為：

參照圖2，可變增益放大單元采用的線性可變增益運算放大器lmh6502，以及運算放大器opa836?？勺冊鲆娣糯髥卧ㄟ^根據(jù)控制電壓vg調(diào)整超聲波回波信號的放大倍數(shù)達到每次測量的超聲波回波信號的峰值均一致，從而提高測量的準確性。超聲波信號接收傳感器t21兩端分別接電容c21，電容c22的一端。線性可變增益運算放大器lmh6502為u21，u21的1腳、13腳、14腳接5v電壓，u21的2腳接控制電壓vg，u21的3腳分別接電容c21的另一端和電阻r21的一端，u21的4腳和5腳接在電阻r23的兩端，u21的6腳分別接電容c22的另一端和電阻r22的一端，u21的7腳和8腳接地，u21的9腳和11腳分別接電阻r21，電阻r22，電阻r24，電阻r25和電容c23的一端。u21的10腳接電容c24和電阻r26的一端，u21的12腳接電阻r26的另一端。電阻r25的另一端接5v電壓。電阻r24和電容c23的另一端接地。電容c24另一端接電阻r27。運算放大器opa836為u22，u22的5腳和6腳接3v電壓，u22的2腳接地，u22的4腳接1.5v電壓，u22的3腳接電阻r27的另一端以及電容c25和電阻r28的一端，u22的1腳接電容c25和電阻r28的另一端，以及作為信號signal_1輸出端。

參照圖3，峰值檢測單元采用運算放大器tlv2470a和光耦tlp521。峰值檢測單元通過使能信號shut_down控制峰值檢測單元的狀態(tài)，當shut_down信號為低時，峰值檢測單元進行峰值采樣，測量回波信號的峰值。運算放大器tlv2470a為u31，u31的6腳接3v，u31的2腳接地，u31的4腳接二極管d32的一端，u31的3腳分別接限幅二極管d31，電阻r31的一端以及信號signal_1輸入端，u31的5腳是使能信號shut_down輸入端，u31的1腳分別接二極管d32的另一端和、二極管d33的一端和電阻r32的一端。限幅二極管d31的另一端和電阻r31的另一端接地。光耦tlp521為u32，u32的1腳接3v電壓，u32的2腳是信號clr_peak的輸入端，u32的3腳接電阻r34，u32的4腳接地。二極管d33的另一端接電阻r33的一端。電阻r33的另一端接電阻r34的另一端，極性電容cd31的一端，電容c31的一端，電阻r35的一端以及作為信號signal_2的輸出端。電阻r32的另一端，極性電容cd31的另一端，電容c31的另一端和電阻r35的另一端都接地。

參照圖4，首波檢測單元采用比較器tlv3502和異或門邏輯電平轉(zhuǎn)換器sn74lv1t86。比較器tlv3502具有兩個通道，通道一的比較電壓設(shè)置成vref1，通道二的比較電壓設(shè)置成vref2，兩個比較參考電壓關(guān)于回波信號相對零點對稱，超聲波回波放大信號分別輸入兩路比較器，產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過異或門sn74lv1t86所得到的方波上下沿的時間即可計算得到首波到達的飛行時間t。其中芯片tlv3502為u41是由兩個比較器集成分別是u41_a和u41_b，u41的8腳接3v，u41的5腳接地，u41的2腳是信號dac_1輸入端同時與電阻r41的一端和電容c41的一端相連接，u41的1腳和3腳接二極管d41的一端和電阻r42的一端，u41的4腳是信號dac_2輸入端同時與電阻r43的一端和電容c42的一端相連接，u41的7腳接u42的1腳，u41的6腳接u42的2腳。電阻r41的另一端，電阻r42的另一端，電阻r43的另一端，電容r41的另一端和電容r42的另一端接地。二極管d41的另一端是信號signal_1的輸入端。異或門邏輯電平轉(zhuǎn)換器sn74lv1t86為u42，u42的5腳接3v，u42的3腳接地，u42的4腳是信號signal_3的輸出端。

參照圖5，單片機單元采用單片機msp430fg437和四路軌至軌16位i²c輸入dac8574。單片機控制dac8574分別輸出比較器1的參考電壓dac_1，比較器2的參考電壓dac_2以及可變增益放大器的控制電壓vg，單片機接收峰值信號和首波信號，輸出使能信號和峰值清零信號。單片機msp430fg437為u51，u51的46-50腳分別連接u52的14腳，13腳，11腳，10腳和9腳，u51的66腳是使能信號shut_down的輸出端，u51的65腳是峰值清零信號clr_peak的輸出端，u51的95腳是峰值信號signal_2的輸入端，u51的87腳是首波信號signal_3的輸入端。dac8574為u52，u52的3腳和4腳接3v電源，u52的5腳和6腳接地，u52的1腳是信號dac_1輸出端，u52的2腳是信號dac_2輸出端，u52的7腳是信號vg輸出端。

參照圖6，接收到的信號經(jīng)過初始設(shè)置的放大倍數(shù)進行信號放大，然后進行首波檢測判斷是否接收到首波，若接收到首波信號將峰值檢測單元使能，進行ad采樣得到vpeak，判斷vpeak是否在[vmin,vmax]區(qū)間內(nèi)，若在區(qū)間內(nèi)則根據(jù)首波檢測單元輸出信號的上升沿和下降沿時間計算首波過零點時間；若不是判斷vpeak是否大于vmax，若是則減小放大倍數(shù)，若不是則增加放大倍數(shù)。

參照圖7，在分別設(shè)定兩個關(guān)于回波信號相對零點對稱的閾值點1和閾值點2，則分別可以得到比較信號1和比較信號2兩組方波信號，將比較信號1和比較信號2進行異或則可以得到異或信號，由第一個上升沿和第二個下降沿組成首波信號，則可以根據(jù)激勵信號到首波信號的上升沿時間t1和激勵信號到首波的下降沿時間t2可以計算出首波過零點時間t。

本發(fā)明的超聲波回波信號處理方法是基于上述電路，通過對回波信號的峰值測量并控制放大倍數(shù)，來保證每次測量的回波信號一致，通過首波檢測來降低放大倍數(shù)變化對波形影響，提高測量的重復(fù)性和準確性；同時利用首波檢測，來判斷是否接收到回波，控制峰值檢測單元，降低了整個電路的功耗。