【導讀】在國家清潔能源政策支持下，天燃氣已經(jīng)成為我們清潔能源體系的主體能源之一。隨著天燃氣在我國一次能源消費中的比例逐步攀升，燃氣計量行業(yè)也在快速發(fā)展。目前市場上的主流燃氣表包括傳統(tǒng)的機械式膜式燃氣表和電子式膜式燃氣表。因為膜式燃氣表的技術成熟、計量可靠、價格低廉等優(yōu)點，這種方式一直在燃氣計量行業(yè)占據(jù)主導地位。但是膜式燃氣表由于結構復雜、易磨損、易受管道介質溫度壓力等因素影響，導致測量精度降低，小流量測量精度差。超聲波技術作為一種新型的計量方式，在日本、歐洲、美國等國家開始采用。超聲波氣表具有非接觸測量、無可動部件、無壓力損失、極高測量精度、高測量動態(tài)范圍等優(yōu)勢，在燃氣表市場中嶄露頭角。結合燃氣表智能化、網(wǎng)絡化的趨勢，中國超聲波燃氣表市場將迎來春天。
機遇與挑戰(zhàn)并存。超聲波雖然是工業(yè)應用中一種成熟技術，但是要在家用燃氣表中普及，我們在設計中會面臨各種挑戰(zhàn)。如何確保超聲波燃氣表的穩(wěn)定性、如何提高小流量的精度、如何實現(xiàn)低功耗等等問題，是我們設計初期就需要充分考慮的因素。換能器作為超聲波燃氣表的主要部件之一，它的一致性、頻率特性溫度漂移、長時間老化都會影響到燃氣表的穩(wěn)定性和精度。超聲波技術涉及到精密信號采集和快速的數(shù)據(jù)處理，如何降低系統(tǒng)功耗也需要重點考慮。
TI 超聲波技術USS (Ultrasonic Sensing Solution) 源于TI Jack Kilby創(chuàng)新實驗室，其高集成度、先進的信號處理等優(yōu)點，為超聲波氣表設計提供高精度、高穩(wěn)定性、高動態(tài)范圍、低功耗的方案。下面小編會對TI USS 技術優(yōu)勢、產(chǎn)品特點、設計資源等方面逐一介紹。
工作原理
超聲波測量流量的原理就是通過測量超聲波在流體中正向、逆向的飛行時間差（DTOF）來計算流體的流速，通過流體流速乘以管道系數(shù)，就可以得到瞬時流量。瞬時流量是一個隨時間變化的量，我們對瞬時流量進行積分就可以得到一段時間的流量。
圖1
上圖1右邊是如何測量流速的公式推導。T12和T21分別為超聲波在兩個換能器之間正、反向的絕對飛行時間; L 為換能器之間的距離；v為流體的流速；c為超聲波在流體中的傳播速度。因為超聲波的傳播速度受流體的溫度、流體的彈性模量和密度這幾個因素有非常大的相關因素，所以我在公式推導過程中抵消這個參數(shù)。最后我們得到公式只跟流體流速、超聲波絕對飛行時間、時間差以及超聲波傳播方向的夾角這幾個參數(shù)相關。通常絕對飛行時間遠遠大于正、反向時間差，所以時間差測量精度決定最后的流速精度。
如何能夠準確測量出超聲波的飛行時間差呢？目前市場上常見的測量時間的方式是閾值法也叫過零點檢測法（TDC），而TI采用的技術是互相關算法（Correlation）。 下面圖2是這兩種測量方式的示意圖。
圖2
閾值法實際是閾值檢測和過零檢測技術的結合。超聲波接收端對信號幅值進行檢測，當接收到的信號超過設定閾值時，過零點檢測電路開啟，通過檢測超過閾值后的過零點時間來獲取超聲波的飛行時間。這種單點觸發(fā)方式容易受系統(tǒng)噪聲干擾，所以要求超聲波的幅值足夠高。我們可以通過提高換能器的電壓或者驅動電流來增加超聲波的發(fā)射幅值，副作用就是系統(tǒng)功耗會升高。而且換能器的老化、環(huán)境溫度變化都可引起換能器幅值的變化，進一步影響到測量精度的穩(wěn)定性。干擾同時會影響過零點的波形，從而嚴重影響測量精度。
而TI USS采用的相關算法來測量相位差。通常高速ADC會以4倍于被測信號頻率對上下行兩路信號進行采樣，再將采樣到的兩路離散信號做線相關運算，線相關運算結果峰值點的橫坐標即為兩路信號之間的相位差。隨后通過高精度插值算法求得該橫坐標，進而得到兩路信號之間的時間差。
這種方式有幾個優(yōu)勢：
● 相關算法相當于一個濾波器，在信號處理時可以濾除噪聲，降低線路上噪聲對采樣精度的影響
● 對超聲波信號幅值要求比閾值法的低，這樣可以采用低壓換能器，降低系統(tǒng)功耗。
● 穩(wěn)定性好，因為相關算法是計算采樣信號的相位，信號幅值的變化對測量精度影響不大。所以在換能器老化、受環(huán)境溫度影響，信號幅● 值出現(xiàn)波動時，相關算法可以保持測量精度的穩(wěn)定性。
● TI USS 對超聲波進行全波采樣，我們可以獲得整個超聲波的曲線。通過觀察信號包絡曲線的長期變化，我們可以判斷換能器的老化狀況，并通過軟件進行校準，確保燃氣表整個生命周期的穩(wěn)定性。
系統(tǒng)架構
先進的算法需要依托于優(yōu)化的硬件平臺，才能充分展現(xiàn)其性能優(yōu)勢。如圖3所示，TI 超聲波燃氣表方案基于MSP430內核，同時集成超聲波傳感子系統(tǒng)（USS）、低功耗加速器（LEA）、計量測試接口（MTIF）等功能模塊。其中USS集成了豐富的模擬電路，包含模擬前端和ADC，為超聲波信號產(chǎn)生、接收、信號調理提供必要的硬件條件以及設計的靈活性。低功耗加速器LEA（Low Energy Accelerator）實際上是集成的一個DSP內核，它可以獨立對USS采集到的數(shù)據(jù)進行快速數(shù)學運算，降低數(shù)據(jù)處理時間，減小CPU的開銷，從而達到降低系統(tǒng)功耗。這些子系統(tǒng)對超聲波流量測試性能、功耗至關重要，是TI 超聲波方案差異化的技術核心。
圖3
USS子系統(tǒng)
USS子系統(tǒng)用于超聲波信號發(fā)生、接收信號調理以及AD采集。如圖4所示，USS是一個高度集成的物理結構，主要由幾個功能模塊構成，主要包含脈沖發(fā)生器PPG（Programmable Pulse Generator）、PHY、Sigma-delta高速ADC（SDHS）、高速鎖相環(huán)（HSPLL）、子系統(tǒng)供電模塊（UUPS）以及采樣系統(tǒng)時序控制模塊（ASQ）。
圖4
PPG用于產(chǎn)生超聲波的激勵信號。作為信號源頭，該功能模塊提供靈活的參數(shù)設置。超聲波的激勵頻率可設定，覆蓋范圍從132KHz到2.5MHz，我們可以針對不同特性的換能器設定相應的脈沖頻率。信號脈沖數(shù)量可以從單個脈沖到127個脈沖。在激勵脈沖結束時，我們也可以通過設定180度相位的反向脈沖來抵消換能器的超聲波殘余信號，最大反向脈沖最高可以到15個。激勵脈沖的極性可以通過寄存器設定，如下圖5所示。
圖5
在氣體流量設計中，PPG可以支持掃頻模式，激勵頻率可以設定在一定范圍內。這樣TI 超聲波方案可以更好支持寬頻率特性的換能器。換能器的頻率特性受環(huán)境溫度、一致性、長時間老化等因素而變化，激勵頻率可以覆蓋這些范圍，確保我們燃氣表測量的高精度和穩(wěn)定性。在掃頻模式下，我們可以通過下面公式來計算頻率變化的步長。
，(HPER : High period of pulse; LPER : Low period of pulse)
，(HPER : High period of pulse; LPER : Low period of pulse)PHY是USS子系統(tǒng)與換能器連接的物理層，實現(xiàn)換能器的驅動以及阻抗匹配，如下圖6。TI的USS模塊提供雙路換能驅動以及信號接收。驅動信號和接收信號通過模擬開關切換實現(xiàn)上、下行換能器的交換，實現(xiàn)一對換能器可以雙向信號傳輸。PHY的輸出驅動阻抗可以低至4?、驅動電流可以高達120mA，所以配合簡單的阻容電路，USS模塊可以直接驅動換能器，而不需要增加額外的模擬器件。
因為上、下行超聲波信號會通過兩個不同的換能器發(fā)出，換能器與USS驅動的阻抗匹配就需要考慮到。TI USS的PHY可以提供驅動、端接兩種狀態(tài)下的阻抗匹配，匹配設定參數(shù)可以保存在寄存器里面。這樣在生產(chǎn)的過程中，我們可以通過自動測試設備對每一個換能器進行獨立阻抗匹配，使整個系統(tǒng)達到最優(yōu)狀態(tài)。
圖6
SDHS系統(tǒng)對接收到的超聲波信號進行調理和高速采樣。如圖7所示，內部包含可編程增益放大器（PGA）、12Bit Sigma-Delta ADC， 數(shù)據(jù)傳輸控制器（DTC）等功能模塊。ADC可以支持高于1.5MHz的信號帶，典型信噪比（SNR）可到達63dB。ADC的調制頻率從68MHz到80MHz，調制頻率來自高速鎖相環(huán)，可支持過采樣率范圍10~160。ADC這個功能模塊可以獨立使用采樣其他信號。ADC的最大輸入范圍是600mV，但是在實際流量測試過程中，接受到的超聲波信號可能在一個范圍內波動。這需要PGA對信號進行調理，使ADC的輸入幅值在最優(yōu)采樣范圍。PGA的增益可以通過寄存器設置動態(tài)調整，可調整范圍在-6dB~30dB之間，可調步長為~1dB。這一特點可以讓我們動態(tài)優(yōu)化產(chǎn)品性能。比如，當換能器長時間使用老化后，發(fā)射的超聲波幅值降低。在接收端觀察到ADC采樣幅值降低后，可以通過程序自動增加PGA的增益，使ADC的輸入幅值始終保持在最優(yōu)采樣范圍從而避免設備老化引起系統(tǒng)性能變差。
ADC采樣出來的數(shù)據(jù)可以通過DTC直接傳輸?shù)降凸募铀倨鳎↙EA）共享的RAM，方便LEA對數(shù)據(jù)進行快速處理。這個過程不需要CPU的干預，這樣可以減小系統(tǒng)處理時間、降低功耗。
圖7
低功耗加速器LEA
LEA 集成了一個32位的DSP核，主要用來處理基于向量的數(shù)學運算和信號處理，內部結構如下圖8。該LEA可以支持16位、32位定點數(shù)學運算，可以支持目前主流的算法包含：FFT、FIR、IIR、矩陣、向量乘法等。通過調用DSP Lib， LEA 可以支持超過50種函數(shù)運算。
圖8
采用LEA進行這些數(shù)學運算，跟傳統(tǒng)的MCU相比，LEA的運算效率更高、功耗更低。下面表1我們給出LEA和不同的CPU計算16位FFT所需要的時鐘周期。以Cortex-M4F的CPU為例，它要相同時間內完成LEA的運算量，它的時鐘需要提高到LEA的3倍，這樣功耗也會提高3倍。
表1
如果我們對比MSP430 CPU 和LEA性能，如圖9所示，在相同的時間32mS內采樣256次并對數(shù)據(jù)進行FFT函數(shù)運算。LEA的運算時間是700uS而MSP430 CPU需要9.64mS。在其他時間基本一致的情況下，LEA高效的數(shù)據(jù)處理可以讓系統(tǒng)處于低功耗模式（LPM0）的時間更長，從而大幅度降低整個系統(tǒng)功耗。
圖9
USS設計中心
TI USS設計中心提供可視化的設計界面，讓客戶可以快速啟動超聲產(chǎn)品評估和設計，調試更簡單。
在圖10的USS GUI中，我們可以直觀設置超聲波的各種參數(shù)。從基本超聲波激勵頻率、脈沖數(shù)量、上下行超聲波的時間間隔、PGA的增益等等基本參數(shù)到 USS的時鐘頻率、ADC的采樣率、超聲波的捕捉時間等關鍵參數(shù)都可以通過GUI來設定。并且通過GUI實現(xiàn)上位機、芯片、應用程序之間的通信。
圖10
GUI還可以以波形的形式展現(xiàn)測試結果，方便設計人員對參數(shù)進行優(yōu)化。圖11左邊的波形為ADC采樣到的超聲波信號。可以通過調整PGA的增益，讓ADC Capture的幅值在±800左右以達到最優(yōu)的ADC轉換效果。圖11右邊為GUI提供實時TOF測試結果，DToF為上下行超聲波的時間差、Absolute ToF為測試得到超聲波的絕對飛行時間以及VFR瞬時流量。波形下方的數(shù)學統(tǒng)計量展示了該數(shù)據(jù)的平均值、最小值、最大值和標準差。
圖11
TI 超聲方案產(chǎn)品及特點
TI USS 明星產(chǎn)品包含MSP430FR6043, MSP430FR5043 ，圖12為MSP430FR6043產(chǎn)品簡介。
圖12
綜合前面所述，TI超聲波方案優(yōu)勢、特點總結為下面幾個方面：
● 低流量、工作溫度范圍內飛行時間差dTOF可達到±250ps以內的精度
● 在12000L/小時的流量范圍內，200:1的動態(tài)范圍下，測量精度可達到±1%
● 最大流量測試可以超過25000L/小時；可以監(jiān)測最小流量< 3L/小時
● 在1秒測試一組數(shù)據(jù)的條件下，整體功耗低于20uA
● 方案平臺覆蓋面廣，可以支持家用氣表、工業(yè)氣體流量管徑范圍覆蓋15mm~1000mm
● 支持各種換能器、可以配置多種信號路徑
● 高精度、高穩(wěn)定性，對于換能器一致性、長時間老化、環(huán)境溫度變化都能確保高精度
● 高集成度提高系統(tǒng)的可靠性
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