第 29卷第 3期 2010年 6月 声 学 技 术 Technical Acoustics Vo1．29，No．3 Jun．，2010 基于 MSP430F447的超声波流量计 的设计及实现 李 国洪 ，盛 立 ，刘丽娜 (天津理 工大 学天津市 复杂系 统控制 理论及 应用重 点实 验室 ，天津 300384) 摘要：超 声波流量测量作为一种非接触测量技术 ，在生产 生活 中具有 良好 的应用前景。设计 了一种基于超低功耗 16 位单片机 MSP430F447微控制器的时差式超声波流量计，采用具有温度测量功能的高准确度时间测量芯片 TDC— GP2， 测量的时间差具有 50ps的分辨率，同时还可 以测出流体温度，自动补偿 由于温度变化而带来的误差 ，LCD液晶动态 显示 瞬 时流 量 和 总 流量 等 参 数 ，具 有 通 信模 块 ，在 大 规 模 应用 时还 可 以 由上 位机 统一 管 理 ，提 高 了应 用 的 自动 化 程 度 。实验表明，该流量计功能较齐全，功耗低 ，具有高的静态准确度和可靠性，非常适合在油 田、供水等条件下液 体流量的检测 ，是一个实用 的流量测量仪器 。 关键词：超声波流量计；TDC GP2测量芯片；时差法 中图分类号：TB556 文献标识码：A 文章编号：1000—3630(2010)一03．0288—04 DOI编码 ： 10．3969~．issn1000—3630．2010．03．01 1 Design and implem entation Of ultrasonic flowm eter based on M SP430F447 LI Guo—hong，SH ENG Li，LIU Li—na (TianjinKeyLaboratoryforControlTheory＆Applicationin ComplicatedSystems，Tianjin University ofTechnology，Tianjin 300384，China) Abstract：As a non contact measurement technique，ultrasonic flow m easurem ent has a good prospect of appfication in industrial production and daffy l ．A kind of transit．time ultrasoni c flowmeter is designed by adopting the 16-bit M SP43OF447 M CU and the high precision in terval measurement chip TDC GP2 with a precision of 5Ops．TDC_ GP2 has the function of temperature measurement，so it can automaticaUy compensate for the error cased by tem perature changes in the m easur em ent procedur e．The flow rate and total flux can be shown on th e LCD device．The flowm eter can be m anaged by the upper-m onitor in large application via comm unication m odule．The experim ental results show that it is a practical flow measur ement in strument with improved functions，low power consumption，high precision an d high stability,anditisveryfitforliquidmeasur ements．suchas offandwater． Key words：ultrasoni c flowm eter；TDC G P2：trans it—tim e 1 引 言 2 超 声波 流 量 计 的基 本工 作 原理 作为流 体测量 仪器 ，流量计 已经广泛地 应用 在 超 声 波 在 流 体 中 的传 播速 度 与 流 体 的流 速 有 石 油、化工 、水 电等部 门 ，成为流 量检测 不可或缺 关 ，对于 固定坐标 系而言 ，顺 流超声波 的传播速度 的设备 。随着 测量技 术 的发 展及测量 对象 的复杂 多 样化 ，传统 的接触式流 量计 由于 自身局 限已不适合 生产应用 的要求 。超声 波流量 测量是一 种利用超 声 波 信 号在 流 体 中传 播 时所 载流 体 的流速 信 息 来 测 量 流体流 量 的新 的测 量技 术u J。超 声波 流量 计作 为 一 种新 型 的非 接触式流 量计 ，不影 响流体 的流动状 态 ，计 量准确 ，分 辨率 高 。该流量 计安装 方便 ，功 能齐全 ，调试简单 ，便于统 一管理 ，稳定性好 ，使 用方便 。 收稿 日期：2009-09-07；修回 日期：2009-11-23 作 者简介 ：李国洪(1968-)，男，博士，副教 授，研 究方 向为超 声波检 测 技术 及机 电～体化 。 通讯 作者：盛 立．E-mail：shenglideyouxiang@126 com 大于逆 流 的传 播速 度 。时差 式超 声波流量 计采 用 两个超声波探头来进行信号 的发送和接收，通过测量 沿顺 、逆流方 向传播时 的时间差计算 流体的速度刚， 超 声波 探 头 1 超 声波 探 头2 图 1 时差 法超 声波测 量原理 示意 图 Fig．1 Sketch of measurement principle 

第 3期 李 国洪等 ：基 于 MSP430F447的超声波流量计的设计及 实现 289 因此 ，测量精 确 的 时间差成 为流 速测 量 的关键 。 处 理 、LCD显 示 、通 信等 部分 ，如 图 2所 示 。 图 1中两个 超声 波探 头分 别安 装在流 体 管 的两 电源 模块 由电源转 换芯 片和滤 波等 电路组 成 ， 侧 ，相距 一定距 离 ，管 的 内径 为 D ，超 声波 在流 体 中传播 的距 离为 ，流 体 流速 为 ，超 声波在 静止 为系统提 供稳 定 的 3．3V 直流 电源 ，确 保系 统可靠 工 作 。 介质 中传 播速 度为 C，超 声 波顺 流传 播 时 间为 ， ， 3．1 测量 部分 逆 流传 播 时间为 ，超声 波 的传 播 方 向与流 体 的夹 角为 0，顺流速 度 V=c+VcosO，逆流速 度 =c— VcosO，则 f = ， = ，即 时 间差 AT=t～f =o r r C2 V COS 0’ 由于 c>> ，所 以 △ = ． ，可 求 出流 体 的流速 = Z厶COS 。 由于 超 声 波 在 流 体 中 的传 播 速 度 随着 流 体 温 度 的变 化而变 化 ，为 了在 不 同温 度环 境下 都 能得到 较 精确 的测 量 结果 ，需 要对 流速 进 行补 偿H ，补 偿 系数为 ，即 ： =K 瞬 时流量 Q则可 以表 示为 ： Q= 总流量QQ为：QQ=[Qdt 3 硬 件 系 统 构 成 硬件 系统 采用 16位 单片 机 MSP430F447为核 心 控制 器件 ，控 制对流速 测 量 的采 样 、数据 处 理 、 存 储 、显示及 通信 等等 。MSP430F4xx是 基于 闪存 测量部分 由 TDC GP2、超声波探 头、发射控 制 电路 、温度传感器 、超 声波信 号处理 电路等组成。测 量 过程 是 ：TDC GP2 向两 个超 声波 探 头发射 高速 脉冲 驱 动信 号 ，超 声波探 头起振 ，并准 备接 收超 声 波信 号 ，接 收到 的超声 波信 号经 过放大 滤波后 滤 除 高频 噪 声 ，得 到正弦 的超 声波信 号 ，信 号经过 过零 比较 整 形后送 入 TDC GP2的两个 stop通道 ，在两 个通 道分 别接 收到信 号 的跳变 后 ，测 出两个跳 变之 间的时 间间 隔。温度 传 感器实 时测量 流体 的温度 ， 将温度传 感器信 号送入 TDC GP2，由 TDC GP2的 温度 测量 模块 进行 处理 。 3．2 数 据处 理部 分 数据 处理及 显示 部分 由单 片机 、存储 器及其 外 围 电路等 组成 。单片机 通 过 四线 SPI与 TDC GP2 相连 ，读取 流 量和温度 的相关数 据 ，数 据经 过单 片 机 一 系 列 的处 理得 出 当前 的瞬 时流 量 和 目前 总流 量 ，并送 到 LCD 进行 显示 ，存储 器用 来存储 当前 总流 量及 流量 计 的地 址信 息 。 3．3 通 信 部分 通信 模块 由 485通信 电路 与按键 组成 。流 量计 ／ROM 型 MCU，工 作范 围从 1．8V 到 3．6V，具 有丰 通过 485总线 与上位 机通 信 ，由上位机 设 置、查看 富的 I／0 接 口、高达 60kB 的 闪存／ROM 及 8MIPS 流量 计 的状 态 ，实 时的 管理所有 网络 内的流量计 。 (百万 条指令 每秒 )的高性 能 ， 内置 LCD 驱动模 块 ， 系 统 可 以通 过 按键 手 动 设置 本 流 量 计 在 网络 中 的 具 有速 度 高功耗 低等 优 点 。TDC GP2 为 时 间间隔 通信 地址 。 及温 度测 量芯 片 ，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 ，可 以通过 四线 4 软件 设 计 的 SPI作 为外部 设备和 单 片机相 连 。 硬件 系统 包括 电源 电路 、流量 测量 电路 、数据 该流 量计 功能完 善 ，软件 设计 复杂 ，在 MSP430 温度传感器 l —'l发射驱动电路 - 超声波探头 l TDC GP2 卜—————一 J r———叫 接收控制 电路 ———— ．一- ： }_1． 磊面 ．I．。 嚣 ·f 蒜 专用 编译环 境 IAR Embedded Workbench中，全程 采用 C语 言编写 ，易于 阅读 ，利 用 JTAG接 口调试 极 为方便 。 软件 分 为初始 化 、流 量测量 处理 程序 、通 信程 序 、key处理 程序 等 ，各标 志位分 别 由 ls基本 定 时 器 中断 、通信 中断 、I／o 中断的终 端服 务程序 分别 485通 信 电 路 置位 ，此 外 ，还包括 LCD显 示子程 序 。 LDC显 示 图 2 系统硬 件框 图 Fig 2 D iagram of system hardw are 根据 软件 不 同模块 的功 能要求 ，分 别编 写子程 序 ，供其他 程序 调用 。主程序 主 要根据 各标 志位来 调用 相应 的子 程序 ，如 图 3所示 。程序 的执行 效率 高 ，使处理 器在 大部分 时间处在 低功耗 模式 ，易于 

290 声 学 技 术 2010笠 时流量和 总流量 。调用 LCD 显 示程序 显示 当前 的 瞬 时流量和 总流量 ，通过 IIC 总线存储 器保存 当前 的流 量 ，后 返主程序 。 UART FLAG 由通 信 中断程 序置 位，通 信过程 由通信 子程 序执 行 。通 信部 分主要用 来实现 向上位 机 发送流 量和流速 ，接收上 位机 的管理 ，包括数 据 的发送和接 收两个 模块 。 KEY FLAG 由键盘 的 I／0输入 捕捉 中断服务程 序置位 。地址 设置部 分 由按键 处理程序 来执行 ，通 过对应 键来 改变当前地 址值 。程序 首先要 显示 当前 的地址 值 ，并显示 待修 改位 的光标 ，通过右 键和上 键 的配合 使用来 设置 当前的地址 值 ，确定后 把地址 写入存储 器保存 ，然后显 示 当前的流量和 流速 。 LCD 显 示程序 主 要用 来 显示 瞬 时流量 和总 流 量 、温度 及 设置地址 时显示 当前地址 ，显 示程序 不 单独执 行 ，仅 供测 量程序或 地址设 置程序 调用 。 5 试 验 结 果 流量 计的测 量范 围是 10~200m3／h，试验标定 是 在 实验 室 条 件 下对 水 流 量 的标 定 。本 次试 验 通过 485总线 与上位机通 信 ， 由上位机 控制标 定过程 。 在标准 流量 的试 验水稳 定通过 管道 时，对每 个采集 点都进 行不 少于 一定 时间(本试 验 30rain)的数 据采 集 ，采集 到 的测 量数据 如表 1所 示 。 表 1 流 量计标 定 的数 据(22．7℃) TalbIe I Themeaslu~dataoftheflowmeter 标准 流量计流 待测流量计流量／(m’／h 图3 系统 主 程 序 Fig．3 Diagram of main progr am 程序维护 。 初始 化部分主 要完成 TDC GP2、SPI总线 、基 本定时器 、按键 、LCD、 串口、存储器等 各个功 能 模 块的初始化 及流量 、地址等数 据 的初 始化 ，初 始 化部 分是顺序执 行 的，只在上 电复位 时执行一 次 。 O FLAG 由 1s基 本定 时器 中断服 务程序 置位 。 流量 测 量 处理 子 程序 实 现 流 量测 量 及 数据 处 理 功 能 ，如 图 4所 示 。程序 首先 使能 TDC GP2测量 芯 片 ，向超 声波探 头发送 激励脉 冲 ，然后测 量超 声 波 顺逆 流的传播 时间差 ， 同时测 量温度传 感器 的值 ， 程序读 取 TDC GP2温度 寄存 器 的值 ，通过 查表法 获得 当前的温度值 ，根据 温度 查表得补 偿系数 。 程序再读 取 TDC GP2时间寄 存器 的值 ，经过 计算 得出顺逆流 的时 间差 ，然 后根据 公式来 计算 当前 瞬 量 ／(rn3／h) 最 大 最 小 平 均 开 始 发 送 脉 冲 激活 I TDC GP2 f ．． ．． ．． ．．． ．． ．． ．． ．．． ．]II[．．．．．．．．．．．．．．一 测 量超 声波 顺 逆 流 时间差采样 = = 互 f计算时间差 l 三 二== = 温 度 传 感 器采 样 查 表 计算 温 度 =二二二王二二= 根据公式计算瞬 时流 量和 总流 量 =====：●===== 显示 瞬 时 流 量 和 总 流 量 =====j匕==== f 存储总流量 返 回主 程 序 图 4 流量测 量处理 子程序 框 图 Fig．4 Diagram of subprogram for flow m easurem ent 从试验 数据可 以看 出，本 流量计在 几个流量 测 试 点测得 的平均流量是 比较准 确的 ，在 100~200m3／h 内平均 误差很 小 ，最 大误差在 ±0．5％内 ，在 50m3／h 及 其 以下平 均误 差相 对 大 些 ，最大 误差 在 ±1％左 右 。 由此说 明此流量 计在静 态条件 下 ，流量在 0．25 量程 以上 的准确度达 到 ±0．5％，流 量在 0．25量程 以 下准 确度在 ± 1％左右 ，因此该流 量计 的静 态准确度 较高 。 5 结束 语 时差 式 超 声 波 流 量 计 关键 是 准 确地 测 量 超 声 波接 收的时 问差 ，以往 时间差 的测 量是基于 AD采 

第 3期 李 国洪 等 ：基 于 M SP430F447的 超 声 波 流 量 计 的 设计 及 实现 291 样来 确定 的 ，采样 精度 不 高 ，本 流量 计采用 了高精 度 时间 间隔测 量 芯片 TDC GP2，对 时问差 的测 量 更加 精确 ，提高 了流量 计 的测量 精度 。与其 他控 制 器相 比，MSP430F4XX 系列 单片 机具 有超 低功耗 ， 高数 据处 理 能力 ，并引入 了 LCD 显 示模块 ，使得 RUAN Feng，MA Shusheng，BAI QinNun，et a1．Flow gauging principle and application of the ultrasonic flow meter[J]．Journal of Shandong Agricultural University (Natural Scien ce)，2006， 37(1)：99·104． [3】 梁 鸿翔 ，王润 田，周艳 ．TDC 超声 流量 计设计 中 的同频 噪声 处[J】． 声 学技 术，2009，28(1)：29．33． LIAN G Hongxiang，W ANG Runtian，ZHOU Yan．Suppression of 流量 计 的使用 更加直 观方 便 ，能够 大 规模应 用在 石 similar frequency noise in the design of ul trasonic flow-meter with 油化 工及供 水 系统等 领域 。 参 考 文 献 TDC[J]．Technical Acoustics，2009，28(1)：29-33． [4] 王宇波 ．基 于 M SP430 M CU 低 功耗超 声 流量 计 ．电子 测量 技 术 ，2004，(4)：21-25． W ANG Yubo．Design and implemen tation ofthe ultrasonicflow- meter based on M SP430 M CU[J]．Electronic Measurement T ch- 【1] 王敏 ，王 经宇 ．基于 DSP 的双 频超 声 波流 量 计硬 件 电路 设计 [J]． nology,2004，(4)：21·25． 现代 电子 技术 ，2008，(5)：131．139． f5] 吴元 良，姚骏 ，李斌 ．TDC_GP2高 精度 时间 测量芯 片在 时差法 超 、)l NG M in．Ⅵ，ANG Jingyu．Design of dual frequency utrasonic 声波流 量计 中 的应用 【 仪表 技术，2009，(1)：59-61． flowmeter system base on DSP hardware circuit[3]．Modern Elec． W U Yuanliang，YAO Jun，LI Bin Application of high precision tronic Technique，2008，(5)：131-139． interval measuring chip TDC _ GP2 in transit-time ultrasoni c mea- [2] 阮芬 ，马树 声，白清 俊 ，等．超 声波 流量 计 的测 流原 理及 其 应用研 surement[J]．Instrumentation Techn ology,2009，(1)：59-61． 究[J]．山东农业 大学 学报(自然 科 学版)，2006，37(1)：99—104．