一种超声波冗余流量计的制作方法

本实用新型属于仪器仪表技术领域，特别涉及一种超声波冗余流量计。

背景技术：

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

时差式超声流量计通过检测并计算超声脉冲在流体顺向和逆向速度的差异来测定流量。当声波在流体中的传播速度已知时，只要测出声波传输的时间差，便可求出流速，进而就能求出流量。

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，这就需要一种高精度计时的电路来实现超声波流量计量。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种超声波冗余流量计，解决了在高精度时间测量电路中采用自行选择通信模块式的MBUS通信电路进行超声波流量计量的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种超声波冗余流量计，包括MBUS电路、时间测量电路、存储电路、锂电池电路和主控芯片电路；

主控芯片电路包括主控芯片、晶振XT1、电容C11和电容C12，晶振XT1、电容C11和电容C12构成了主控芯片的外围电路；

所述主控芯片的型号为EFM32TG84X；

锂电池电路包括锂电池、VCC电源输出电路、VIO电源输出电路和GP_VSG电源输出电路，VCC电源输出电路包括电阻R3、电容C10和电容E4，电阻R3的一端连接锂电池的正极，另一端输出VCC电源，电容C10和电容E4为VCC电源上的滤波电容；

VIO电源输出电路包括电阻R1、电容C43、电容E3_0和电E3，电阻R1的一端连接锂电池的正极，另一端输出VIO电源，电容C43、电容E3_0和电E3为VIO电源的滤波电容；

GP_VSG电源输出电路包括电阻R2、电容C40、电容E2_0、电容E2和电容C41，电阻R2的一端连接锂电池的正极，另一端输出GP_VSG电源，电容C40、电容E2_0、电容E2和电容C41为GP_VSG电源的滤波电容；

高精度时间测量电路包括电阻R39、电阻R35、电阻R34、电阻R30、电阻R31、电阻R38、电阻R40、电阻R39、电阻R37、电容C36和时间测量芯片U30，电阻R39、电阻R30、电阻R31、电阻R38、电阻R40、电阻R39、电阻R37和电容C36构成了时间测量芯片U30的外围电路，时间测量芯片U30的5脚、6脚、30脚和27脚连接外部超声波传感器，电阻R35和电阻R34作为限流匹配电阻分别串联在时间测量芯片U30的6脚和5脚上，电容C34和电容C35分别串联在时间测量芯片U30的30脚和27脚上；

所述时间测量芯片U30为高精度时间测量芯片TDC-GP2。

时间测量芯片U30的24脚、23脚、20脚、19脚和18脚均连接外部温度传感器；

时间测量芯片U30的8～16脚与主控芯片通信；GP_VSG电源为时间测量芯片U30供电，VIO电源为时间测量芯片U30提供参考电源；

存储电路包括存储芯片U4、电阻R12和电阻R13，存储芯片U4的5脚和6脚与主控芯片通信，VCC电源为存储电路和主控芯片电路供电。所述存储芯片为EEPROM存储器，其具体型号为24C64-EEPROM。

所述三端稳压器U51为3.6V输出的三端稳压器。

MBUS电路包括电源电路和通信电路，电源电路包括TVS管D51、电阻R52、电阻R51、电阻R53、三极管T51、三极管T53、二极管D53、电阻R54、电容C51、三端稳压器U51、电容C52和电容C53，TVS管D51的两端构成了MBUS接口，TVS管D51的一端通过电阻R51连接地线，另一端通过电阻R52连接三极管T51的集电极，三极管T51的发射极连接三端稳压器U51的输入端，三极管T51的基极连接三极管T53的集电极，电阻R53并联在三极管T51的集电极和基极之间，三极管T53的发射极连接二极管D53的负极，二极管D53的正极连接地线，电阻R54并联在三极管D53的基极和发射极之间，电容C51作为滤波电容并联在三端稳压器U51的输入端，三端稳压器U51的GND端连接地线、输出端输出3.6V电源，电容C52和电容C53为滤波电路并联在三端稳压器U51的输出端；

通信电路包括电阻R59、电阻R61、电阻R70、电阻R55、电阻R57、电阻R58、电阻R56、电阻R62、电容C54、电容C55、比较器U52A、二极管D54、三极管T52、二极管D55、电阻R63、电阻R68、电阻R69、电阻R67、电阻R65、电容C56、比较器U52B、电阻R68、电阻R69、电阻R67、光耦U53、光耦U54、电阻R42和电阻R41，三极管T51的集电极通过电阻R55和电阻R57连接比较U52A的正输入端，三极管T51的集电极还通过串联连接的电阻R59和电阻R61连接三极管T52的集电极，三极管T52的发射极通过R63连接地线，三极管T52的基极连接比较器U52B的输出端，比较器U52A的正输入端还通过串联连接的电阻R57和电阻R56连接地线，比较器U52A的负输入端通过电阻R58连接二极管D54的负极,二极管D54的正极通过电阻R57连接比较器U52A的正输入端，比较器U52A的负输入端还通过电阻R62连接地线，电容C54与电阻R62并联，比较器U52A的输出端通过电容C55连接比较器U52A的正输入端，比较器U52A的输出端还通过电阻R65连接光耦U53的2脚，光耦U53的1脚连接3.6V电源，比较器U52A的正输入端还通过电阻R70连接二极管D55的负极，二极管D55的正极连接比较器U52B的输出端，比较器U52B的输出端还通过电容C56连接比较器U52B的正输入端，比较器U52B的正输入端连接光耦U54的3脚，电阻R67并联在比较器U52B的正输入端与地线之间，比较器U52B的负输入端通过电阻R69连接地线，电阻R68的一端连接3.6V电源，另一端连接比较器U52B的负输入端，光耦U54的4脚连接3.6V电源，光耦U53的4脚连接主控芯片的一个IO口，电阻R42为光耦U53的4脚上的上拉电阻，电阻R42连接VCC电源，光耦R54的1脚通过电阻R41连接VCC电源；光耦R54的2脚连接主控芯片的一个IO口。

本实用新型所述的一种超声波冗余流量计，解决了在高精度时间测量电路中采用自行选择通信模块式的MBUS通信电路进行超声波流量计量的技术问题，本实用新型采用三组电源设计，对每一组电源都进行单独的滤波，实现了电源之间的隔离，为时间测量芯片的测量提供了纯净的环境，保证其测量受到的干扰减小的最小；本实用新型采用自动选择收发功能的MBUS电路，实现了采用一根线实现MBUS通信，本实用新型对MBUS电路单独供电，保证了MBUS电路通信时不会对其他电路产生干扰，也保证了MBUS电路通信的通畅性。

附图说明

图1是本实用新型的MBUS电路的电路图；

图2是本实用新型的锂电池电路的电路图；

图3是本实用新型的时间测量电路的电路图；

图4是本实用新型的存储电路的电路图；

图5是本实用新型的主控芯片电路的电路图。

具体实施方式

如图1-图5所示的一种超声波冗余流量计，包括MBUS电路、时间测量电路、存储电路、锂电池电路和主控芯片电路；

主控芯片电路包括主控芯片、晶振XT1、电容C11和电容C12，晶振XT1、电容C11和电容C12构成了主控芯片的外围电路；

所述主控芯片的型号为EFM32TG84X；

锂电池电路包括锂电池、VCC电源输出电路、VIO电源输出电路和GP_VSG电源输出电路，VCC电源输出电路包括电阻R3、电容C10和电容E4，电阻R3的一端连接锂电池的正极，另一端输出VCC电源，电容C10和电容E4为VCC电源上的滤波电容；

VIO电源输出电路包括电阻R1、电容C43、电容E3_0和电E3，电阻R1的一端连接锂电池的正极，另一端输出VIO电源，电容C43、电容E3_0和电E3为VIO电源的滤波电容；

GP_VSG电源输出电路包括电阻R2、电容C40、电容E2_0、电容E2和电容C41，电阻R2的一端连接锂电池的正极，另一端输出GP_VSG电源，电容C40、电容E2_0、电容E2和电容C41为GP_VSG电源的滤波电容；

锂电池电路采用将锂电池的正极输入的电源分成三路输出的电路结构，每一路输出均配备相应的滤波电容和限流电阻，这样就保证了每一路电源输出均独立，每一路都不会对其他两路产生干扰现象。

高精度时间测量电路包括电阻R39、电阻R35、电阻R34、电阻R30、电阻R31、电阻R38、电阻R40、电阻R39、电阻R37、电容C36和时间测量芯片U30，电阻R39、电阻R30、电阻R31、电阻R38、电阻R40、电阻R39、电阻R37和电容C36构成了时间测量芯片U30的外围电路，时间测量芯片U30的5脚、6脚、30脚和27脚连接外部超声波传感器，电阻R35和电阻R34作为限流匹配电阻分别串联在时间测量芯片U30的6脚和5脚上，电容C34和电容C35分别串联在时间测量芯片U30的30脚和27脚上；

所述时间测量芯片U30为高精度时间测量芯片TDC-GP2。

DC-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1MHz的连续数据输出率；时钟校准单元；精确停止脉冲使能窗口；上升沿/下降沿单独触发或者上升沿和下降沿同时触发等。

时间测量芯片U30的24脚、23脚、20脚、19脚和18脚均连接外部温度传感器；

时间测量芯片U30的8～16脚与主控芯片通信；GP_VSG电源为时间测量芯片U30供电，VIO电源为时间测量芯片U30提供参考电源；

外部温度传感器采用PT1000温度传感器，保证了时间测量芯片U30在测量时有环境温度的测量依据，并根据环境温度进行温度补偿。

时间测量芯片U30的3脚、22脚、32脚、25脚和26脚均连接VIO电源，时间测量芯片U30的29脚和14脚连接GP_VGS电源。

时间测量芯片U30的8～16脚分别连接主控芯片上的一组IO口，采用数字形式与主控芯片通信。

存储电路包括存储芯片U4、电阻R12和电阻R13，存储芯片U4的5脚和6脚与主控芯片通信，VCC电源为存储电路和主控芯片电路供电。所述存储芯片为EEPROM存储器，其具体型号为24C64-EEPROM。

所述三端稳压器U51为3.6V输出的三端稳压器。

MBUS电路包括电源电路和通信电路，电源电路包括TVS管D51、电阻R52、电阻R51、电阻R53、三极管T51、三极管T53、二极管D53、电阻R54、电容C51、三端稳压器U51、电容C52和电容C53，TVS管D51的两端构成了MBUS接口，TVS管D51的一端通过电阻R51连接地线，另一端通过电阻R52连接三极管T51的集电极，三极管T51的发射极连接三端稳压器U51的输入端，三极管T51的基极连接三极管T53的集电极，电阻R53并联在三极管T51的集电极和基极之间，三极管T53的发射极连接二极管D53的负极，二极管D53的正极连接地线，电阻R54并联在三极管D53的基极和发射极之间，电容C51作为滤波电容并联在三端稳压器U51的输入端，三端稳压器U51的GND端连接地线、输出端输出3.6V电源，电容C52和电容C53为滤波电路并联在三端稳压器U51的输出端；

三极管T51和三极管T53组成了一个限流电路，保护三端稳压器不被大电流冲击损坏。三端稳压器输出的3.6V电压专为MBUS电路供电，使通信电路与测量电路的供电系统相互独立，从而保证了测量电路不受干扰。

通信电路包括电阻R59、电阻R61、电阻R70、电阻R55、电阻R57、电阻R58、电阻R56、电阻R62、电容C54、电容C55、比较器U52A、二极管D54、三极管T52、二极管D55、电阻R63、电阻R68、电阻R69、电阻R67、电阻R65、电容C56、比较器U52B、电阻R68、电阻R69、电阻R67、光耦U53、光耦U54、电阻R42和电阻R41，三极管T51的集电极通过电阻R55和电阻R57连接比较U52A的正输入端，三极管T51的集电极还通过串联连接的电阻R59和电阻R61连接三极管T52的集电极，三极管T52的发射极通过R63连接地线，三极管T52的基极连接比较器U52B的输出端，比较器U52A的正输入端还通过串联连接的电阻R57和电阻R56连接地线，比较器U52A的负输入端通过电阻R58连接二极管D54的负极,二极管D54的正极通过电阻R57连接比较器U52A的正输入端，比较器U52A的负输入端还通过电阻R62连接地线，电容C54与电阻R62并联，比较器U52A的输出端通过电容C55连接比较器U52A的正输入端，比较器U52A的输出端还通过电阻R65连接光耦U53的2脚，光耦U53的1脚连接3.6V电源，比较器U52A的正输入端还通过电阻R70连接二极管D55的负极，二极管D55的正极连接比较器U52B的输出端，比较器U52B的输出端还通过电容C56连接比较器U52B的正输入端，比较器U52B的正输入端连接光耦U54的3脚，电阻R67并联在比较器U52B的正输入端与地线之间，比较器U52B的负输入端通过电阻R69连接地线，电阻R68的一端连接3.6V电源，另一端连接比较器U52B的负输入端，光耦U54的4脚连接3.6V电源，光耦U53的4脚连接主控芯片的一个IO口，电阻R42为光耦U53的4脚上的上拉电阻，电阻R42连接VCC电源，光耦R54的1脚通过电阻R41连接VCC电源；光耦R54的2脚连接主控芯片的一个IO口。

本实用新型采用两个比较器和一个三极管T52构成了一个自动选择通信收发模式的逻辑电路，使MBUS可以通过一根线来完成串口的通信。

所述比较器U52A和比较器U52B的具体型号均为LM358。

MBUS接口连接外部的MBUS总线，并通过MBUS总线与外部控制器终端通信，外部控制器终端通信可以为带有MBUS总线的电脑或终端设备；MBUS接口读取或收到到信息后通过通信电路的自动选择收发的模式，并通过光耦U53和光耦U54的隔离后，将信息传递给主控芯片，本实用新型的通信电路具有自动选择收发模式和隔离两个功能，电路结构简单，成本低。

使用时，主控芯片控制时间测量芯片U30控制超声波发生器发出超声波，同时时间测量芯片U30进行计时，当接收到回波后，时间测量芯片U30将计时时间发送给主控芯片，主控芯片通过计时时间计算出超声波的行进距离，进而判断前方流体离超声波传感器的距离。

根据前方流体离超声波传感器的距离计算出流体流量，具体计算方法为现有技术，故不详细叙述。

本实用新型所述的一种超声波冗余流量计，解决了在高精度时间测量电路中采用MBUS通信电路进行超声波流量计量的技术问题，本实用新型采用三组电源设计，对每一组电源都进行单独的滤波，实现了电源之间的隔离，为时间测量芯片的测量提供了纯净的环境，保证其测量受到的干扰减小的最小；本实用新型采用自动选择收发功能的MBUS电路，实现了采用一根线实现MBUS通信，本实用新型对MBUS电路单独供电，保证了MBUS电路通信时不会对其他电路产生干扰，也保证了MBUS电路通信的通畅性。