專利名稱：一種用于超聲波測時系統(tǒng)的測時方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于超聲波測時系統(tǒng)的測時方法及其裝置。
背景技術：
超聲波測時系統(tǒng)有著廣泛的應用，可以用于超聲波測距，超聲波流量計中。在超聲波測時系統(tǒng)中，測時的精度是系統(tǒng)的關鍵問題之一，它直接決定了系統(tǒng)的整體測試精度，例如在超聲波流量計中，測時的精度決定了超聲波流量計的精度，在小口徑管道流量的測試中，一般要求測時精度能夠達到納秒甚至亞納秒量級。
現有的各種測時方法，存在著一些問題，例如常見的計數測時方法，這種方法的測試誤差主要由計數脈沖的頻率決定，如要想提高測時精度，就要不斷的提高計數頻率，受器件本身的限制，不可能無限提高計數脈沖頻率，因此測時精度較低。還有一種改進的方法是采用鎖相環(huán)的方法，這種方法可以消除計數脈沖邊沿錯開帶來的誤差，但同時帶來了頻率計算的誤差，實際應用中無法達到預期的測時精度，另外這種方法電路結構復雜，穩(wěn)定性差，測試困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種通過簡單的電路形式，就可以獲得納秒甚至亞納秒量級測時精度的一種用于超聲波測時系統(tǒng)的測時方法及其裝置。
本發(fā)明的用于超聲波測時系統(tǒng)的測時方法，包括以下步驟(1)超聲波發(fā)送器發(fā)送一個超聲波脈沖信號，同時，計時計數器開始計數；(2)超聲波接收器接收到超聲波脈沖信號時，信號邊沿檢測器開始判斷計數器計時脈沖的邊沿是否和接收到的超聲波信號邊沿重合，如果不重合則進行步驟(3)，如果重合，則進行步驟(4)或步驟(5)(3)控制超聲波發(fā)送器發(fā)送下一個超聲波脈沖信號；(4)停止計時計數器的計數，由時間計算單元根據計時計數器的計數值、計時計數器的計時脈沖周期、超聲波脈沖的發(fā)送次數計算出單次超聲波傳播需要的時間，測量結束；(5)檢查超聲波脈沖的發(fā)送次數，如果超聲波脈沖的發(fā)送次數沒有達到設定數值時，轉到步驟(3)，如果達到設定數值時，轉到步驟(4)。
采用步驟(5)可以進一步提高測量精度，設定數值是指達到預期測時精度的值。
采用上述測時方法的裝置包括用于發(fā)送超聲波脈沖信號的超聲波發(fā)送器，用于接收超聲波信號的超聲波接收器，用于檢測接收到的超聲波信號邊沿和計數器計時脈沖邊沿是否同步的信號邊沿檢測器，用于對超聲波的傳播時間進行計數的計時計數器，用于為計時計數器提供計數脈沖的計數器計時脈沖，用于對超聲波的發(fā)送或接收次數進行計數的次數計數器和時間計算單元，連接關系如下信號邊沿檢測器的一個輸入端和計時計數器計時脈沖相連，另一個輸入端和超聲波接收器的一個輸出端相連，信號邊沿檢測器的輸出端分別和超聲波發(fā)送器的輸入端、計時計數器的一個輸入端及時間計算單元的一個輸入端相連；超聲波接收器的另一個輸出端和次數計數器的輸入端相連；計時計數器的另一個輸入端和計數器計時脈沖的輸出端相連；時間計算單元的另一個輸入端和計時計數器的輸出端相連，時間計算單元的第三個輸入端和次數計數器的輸出端相連。
本發(fā)明電路簡單，成本低，可以在相對較低的計數頻率下獲得納秒甚至亞納秒量級的測時精度。本發(fā)明可以廣泛應用于超聲波測時系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明的原理方框圖；圖2是采用可編程邏輯器件實現本發(fā)明的設計圖；圖3是圖2實例中脈沖邊沿檢測的原理示意圖；具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本發(fā)明。
參照圖1，本發(fā)明的裝置包括用于發(fā)送超聲波脈沖信號的超聲波發(fā)送器100，用于接收超聲波信號的超聲波接收器101，用于檢測接收到的超聲波信號邊沿和計數器計時脈沖104邊沿是否同步的信號邊沿檢測器102，用于對超聲波的傳播時間進行計數的計時計數器103，用于為計時計數器提供計數脈沖的計數器計時脈沖104，用于對超聲波的發(fā)送或接收次數進行計數的次數計數器105和時間計算單元106，連接關系如下信號邊沿檢測器102的一個輸入端和計時計數器計時脈沖104相連，另一個輸入端和超聲波接收器101的一個輸出端相連，信號邊沿檢測器102的輸出端分別和超聲波發(fā)送器100的輸入端、計時計數器103的一個輸入端及時間計算單元106的一個輸入端相連；超聲波接收器101的另一個輸出端和次數計數器105的輸入端相連；計時計數器103的另一個輸入端和計數器計時脈沖104的輸出端相連；時間計算單元106的另一個輸入端和計時計數器103的輸出端相連，時間計算單元106的第三個輸入端和次數計數器105的輸出端相連。
上述的超聲波發(fā)送器100，超聲波接收器101，信號邊沿檢測器102，計時計數器103，計數器計時脈沖104，次數計數器105和時間計算單元106可以在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實現(如圖2所示)?；蛘叱暡òl(fā)送器100，超聲波接收器101，信號邊沿檢測器102，計時計數器103，計數器計時脈沖104，次數計數器105在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實現，而時間計算單元106采用單片機實現。
以圖2為例闡述本發(fā)明的工作原理如下系統(tǒng)復位后，打開超聲波發(fā)送器100發(fā)送一個超聲波脈沖信號，同時，打開計時計數器103開始計數；在超聲波接收器101接收到超聲波脈沖信號時，信號邊沿檢測器102開始判斷計時計數器103的計數脈沖邊沿是否和接收到的超聲波信號邊沿是否重合，如果重合則停止計時計數器103計數，時間計數單元106開始計算單次超聲波傳播需要的時間；如果不重合則不停止計時計數器103的計數，并且控制超聲波發(fā)送器100發(fā)送下一個超聲波脈沖信號；時間計數單元106通過計時計數器103的計數值、計數器計時脈沖的周期、超聲波脈沖的發(fā)送次數及系統(tǒng)的電路延時計算出單次超聲波傳播需要的時間；由于計時計數器103是在計數脈沖邊沿和接收到的超聲波信號邊沿重合時停止的，因此系統(tǒng)測時的誤差非常小，主要誤差來源于脈沖邊沿重合的檢測上。信號邊沿檢測器102的一種實現原理，結合圖3闡述如下設超聲波接收器101接收到的超聲波信號為S_In，計時計數器103的計數脈沖信號為CLK，假設S_In、CLK信號均以上升沿有效，首先將S_In經過一個門的延時(延時時間為Td)得到信號S_Delay。在CLK信號的上升沿同時判斷S_In信號和S_Delay，如果此時S_In為高電平，同時S_Delay為低電平，則認為，此時CLK信號和S_In信號邊沿重合。根據這樣的判斷原理，判斷信號邊沿重合的時間誤差為延時時間Td。電路在判斷信號高低電平時，需要信號有一個建立時間Tsu和信號保持時間Th，因此，實際的脈沖邊沿重合的檢測誤差為T＝Td-Tsu-Th。以XILINX公司的可編程邏輯器件XC100e-6實現以上的信號邊沿檢測器，則實際的邊沿檢測誤差約為2ns。
設信號邊沿檢測器102檢測到脈沖同步時，計時計數器103的計數值是Ns，計時計數器103的計時脈沖的周期為Ts，接收次數計數器105的計數值為N次，超聲波接收器101從接收到信號邊沿檢測器102檢測結束的電路延時為Tp。則超聲波從發(fā)送到被接收到的傳播時間Tw為Tw＝((Ns-1)×Ts-(N-1)×Tp-Tt)/N(1)；式中Tt為延時常數，可以根據實際電路情況進行修正。系統(tǒng)的測時誤差為(Td-Tsu-Th)/N。如果取Td＝6ns，Tsu＝3ns，Th＝1ns，N＝100，測時絕對誤差為0.02ns。通過選擇可編程邏輯器件的Td，Tsu，Th及選擇超聲波的發(fā)送次數可以更進一步的提高系統(tǒng)的測時精度。例如以xilinx公司的XC2S100e-6的實現為例，對79.874ns進行測量，其中計時計數器的計時脈沖的周期為Ts＝20ns，電路延時為Tp＝0.126ns，延時常數Tt＝3.625ns，通過xilinx公司的電路仿真工具ISE得到接收次數計數器105的計數值為N＝136，計時計數器103的計數值是Ns＝545，由式(1)計算得，測得的時間為Tw＝(20×544-0.126×135-3.625)/136＝79.848ns，測時絕對誤差為0.026ns。采用同樣的實現方法和參數，其它的仿真測試結果如表1所示。
表1

以上電路仿真結果說明本發(fā)明可以達到亞納秒級的測時精度。
權利要求
1.一種用于超聲波測時系統(tǒng)的測時方法，包括以下步驟(1)超聲波發(fā)送器發(fā)送一個超聲波脈沖信號，同時，計時計數器開始計數；(2)超聲波接收器接收到超聲波脈沖信號時，信號邊沿檢測器開始判斷計數器計時脈沖的邊沿是否和接收到的超聲波信號邊沿重合，如果不重合則進行步驟(3)，如果重合，則進行步驟(4)或步驟(5)；(3)控制超聲波發(fā)送器發(fā)送下一個超聲波脈沖信號；(4)停止計時計數器的計數，由時間計算單元根據計時計數器的計數值、計時計數器的計時脈沖周期、超聲波脈沖的發(fā)送次數計算出單次超聲波傳播需要的時間，測量結束；(5)檢查超聲波脈沖的發(fā)送次數，如果超聲波脈沖的發(fā)送次數沒有達到設定數值時，轉到步驟(3)，如果達到設定數值時，轉到步驟(4)。
2.用于權利要求1所述方法的裝置，其特征在于該裝置包括用于發(fā)送超聲波脈沖信號的超聲波發(fā)送器(100)，用于接收超聲波信號的超聲波接收器(101)，用于檢測接收到的超聲波信號邊沿和計數器計時脈沖(104)邊沿是否同步的信號邊沿檢測器(102)，用于對超聲波的傳播時間進行計數的計時計數器(103)，用于為計時計數器提供計數脈沖的計數器計時脈沖(104)，用于對超聲波的發(fā)送或接收次數進行計數的次數計數器(105)和時間計算單元(106)，連接關系如下信號邊沿檢測器(102)的一個輸入端和計時計數器計時脈沖(104)相連，另一個輸入端和超聲波接收器(101)的一個輸出端相連，信號邊沿檢測器(102)的輸出端分別和超聲波發(fā)送器(100)的輸入端、計時計數器(103)的一個輸入端及時間計算單元(106)的一個輸入端相連；超聲波接收器(101)的另一個輸出端和次數計數器(105)的輸入端相連；計時計數器(103)的另一個輸入端和計數器計時脈沖(104)的輸出端相連；時間計算單元(106)的另一個輸入端和計時計數器(103)的輸出端相連，時間計算單元(106)的第三個輸入端和次數計數器(105)的輸出端相連。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于超聲波發(fā)送器(100)，超聲波接收器(101)，信號邊沿檢測器(102)，計時計數器(103)，計數器計時脈沖(104)，次數計數器(105)和時間計算單元(106)在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實現。
4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于超聲波發(fā)送器(100)，超聲波接收器(101)，信號邊沿檢測器(102)，計時計數器(103)，計數器計時脈沖(104)，次數計數器(105)在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實現，時間計算單元(106)為單片機實現。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于超聲波測時系統(tǒng)的測時方法及其裝置。裝置包括超聲波發(fā)送器、超聲波接收器、信號邊沿檢測器、計時計數器、計數器計時脈沖、次數計數器和時間計算單元。利用信號邊沿檢測器使計時計數器在計數脈沖邊沿和接收到的超聲波信號邊沿重合時停止計數，減少了計時誤差。通過增加測時次數，可以更進一步減少測時誤差。本發(fā)明電路簡單，成本低，可以在相對較低的計數頻率下獲得納秒甚至亞納秒量級的測時精度。本發(fā)明可以廣泛應用于超聲波測時系統(tǒng)中。
文檔編號G04F10/00GK1731299SQ20051006050
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權日2005年8月26日
發(fā)明者王勇 申請人:浙江大學