专利名称：一种用于超声波测时系统的测时装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于超声波测时系统的测时装置。
背景技术：
超声波测时系统有着广泛的应用，可以用于超声波测距，超声波流量计中。在超声波测时系统中，测时的精度是系统的关键问题之一，它直接决定了系统的整体测试精度，例如在超声波流量计中，测时的精度决定了超声波流量计的精度，在小口径管道流量的测试中，一般要求测时精度能够达到纳秒甚至亚纳秒量级。
现有的各种测时方法，存在着一些问题，例如常见的计数测时方法，这种方法的测试误差主要由计数脉冲的频率决定，如要想提高测时精度，就要不断的提高计数频率，受器件本身的限制，不可能无限提高计数脉冲频率，因此测时精度较低。还有一种改进的方法是采用锁相环的方法，这种方法可以消除计数脉冲边沿错开带来的误差，但同时带来了频率计算的误差，实际应用中无法达到预期的测时精度，另外这种方法电路结构复杂，稳定性差，测试困难。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种通过简单的电路形式，就可以获得纳秒甚至亚纳秒量级测时精度的一种用于超声波测时系统的测时装置。
本实用新型的用于超声波测时系统的测时装置包括用于发送超声波脉冲信号的超声波发送器，用于接收超声波信号的超声波接收器，用于检测接收到的超声波信号边沿和计数器计时脉冲边沿是否同步的信号边沿检测器，用于对超声波的传播时间进行计数的计时计数器，用于为计时计数器提供计数脉冲的计数器计时脉冲，用于对超声波的发送或接收次数进行计数的次数计数器和时间计算单元，连接关系如下信号边沿检测器的一个输入端和计时计数器计时脉冲相连，另一个输入端和超声波接收器的一个输出端相连，信号边沿检测器的输出端分别和超声波发送器的输入端、计时计数器的一个输入端及时间计算单元的一个输入端相连；超声波接收器的另一个输出端和次数计数器的输入端相连；计时计数器的另一个输入端和计数器计时脉冲的输出端相连；时间计算单元的另一个输入端和计时计数器的输出端相连，时间计算单元的第三个输入端和次数计数器的输出端相连。
装置的工作过程如下(1)超声波发送器发送一个超声波脉冲信号，同时，计时计数器开始计数；(2)超声波接收器接收到超声波脉冲信号时，信号边沿检测器开始判断计数器计时脉冲的边沿是否和接收到的超声波信号边沿重合，如果不重合则进行步骤(3)，如果重合，则进行步骤(4)或步骤(5)；(3)控制超声波发送器发送下一个超声波脉冲信号；(4)停止计时计数器的计数，由时间计算单元根据计时计数器的计数值、计时计数器的计时脉冲周期、超声波脉冲的发送次数计算出单次超声波传播需要的时间，测量结束；(5)检查超声波脉冲的发送次数，如果超声波脉冲的发送次数没有达到设定数值时，转到步骤(3)，如果达到设定数值时，转到步骤(4)。
采用步骤(5)可以进一步提高测量精度，设定数值是指达到预期测时精度的值。
本实用新型电路简单，成本低，可以在相对较低的计数频率下获得纳秒甚至亚纳秒量级的测时精度。本实用新型可以广泛应用于超声波测时系统中。
图1是本实用新型的原理方框图；图2是采用可编程逻辑器件实现本实用新型的设计图；图3是图2实例中脉冲边沿检测的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型。
参照图1，本实用新型的装置包括用于发送超声波脉冲信号的超声波发送器100，用于接收超声波信号的超声波接收器101，用于检测接收到的超声波信号边沿和计数器计时脉冲104边沿是否同步的信号边沿检测器102，用于对超声波的传播时间进行计数的计时计数器103，用于为计时计数器提供计数脉冲的计数器计时脉冲104，用于对超声波的发送或接收次数进行计数的次数计数器105和时间计算单元106，连接关系如下信号边沿检测器102的一个输入端和计时计数器计时脉冲104相连，另一个输入端和超声波接收器101的一个输出端相连，信号边沿检测器102的输出端分别和超声波发送器100的输入端、计时计数器103的一个输入端及时间计算单元106的一个输入端相连；超声波接收器101的另一个输出端和次数计数器105的输入端相连；计时计数器103的另一个输入端和计数器计时脉冲104的输出端相连；时间计算单元106的另一个输入端和计时计数器103的输出端相连，时间计算单元106的第三个输入端和次数计数器105的输出端相连。
上述的超声波发送器100，超声波接收器101，信号边沿检测器102，计时计数器103，计数器计时脉冲104，次数计数器105和时间计算单元106可以在一片可编程逻辑器件X2S100e-6中实现(如图2所示)。或者超声波发送器100，超声波接收器101，信号边沿检测器102，计时计数器103，计数器计时脉冲104，次数计数器105在一片可编程逻辑器件X2S100e-6中实现，而时间计算单元106采用单片机实现。
以图2为例阐述本实用新型的工作原理如下系统复位后，打开超声波发送器100发送一个超声波脉冲信号，同时，打开计时计数器103开始计数；在超声波接收器101接收到超声波脉冲信号时，信号边沿检测器102开始判断计时计数器103的计数脉冲边沿是否和接收到的超声波信号边沿是否重合，如果重合则停止计时计数器103计数，时间计数单元106开始计算单次超声波传播需要的时间；如果不重合则不停止计时计数器103的计数，并且控制超声波发送器100发送下一个超声波脉冲信号；时间计数单元106通过计时计数器103的计数值、计数器计时脉冲的周期、超声波脉冲的发送次数及系统的电路延时计算出单次超声波传播需要的时间；由于计时计数器103是在计数脉冲边沿和接收到的超声波信号边沿重合时停止的，因此系统测时的误差非常小，主要误差来源于脉冲边沿重合的检测上。信号边沿检测器102的一种实现原理，结合图3阐述如下设超声波接收器101接收到的超声波信号为S_In，计时计数器103的计数脉冲信号为CLK，假设S_In、CLK信号均以上升沿有效，首先将S_In经过一个门的延时(延时时间为Td)得到信号S_Delay。在CLK信号的上升沿同时判断S_In信号和S_Delay，如果此时S_In为高电平，同时S_Delay为低电平，则认为，此时CLK信号和S_In信号边沿重合。根据这样的判断原理，判断信号边沿重合的时间误差为延时时间Td。电路在判断信号高低电平时，需要信号有一个建立时间Tsu和信号保持时间Th，因此，实际的脉冲边沿重合的检测误差为T＝Td-Tsu-Th。以XILINX公司的可编程逻辑器件XC100e-6实现以上的信号边沿检测器，则实际的边沿检测误差约为2ns。
设信号边沿检测器102检测到脉冲同步时，计时计数器103的计数值是Ns，计时计数器103的计时脉冲的周期为Ts，接收次数计数器105的计数值为N次，超声波接收器101从接收到信号边沿检测器102检测结束的电路延时为Tp。则超声波从发送到被接收到的传播时间Tw为Tw＝((Ns-1)×Ts-(N-1)×Tp-Tt)/N (1)；式中Tt为延时常数，可以根据实际电路情况进行修正。系统的测时误差为(Td-Tsu-Th)/N。如果取Td＝6ns，Tsu＝3ns，Th＝1ns，N＝100，测时绝对误差为0.02ns。通过选择可编程逻辑器件的Td，Tsu，Th及选择超声波的发送次数可以更进一步的提高系统的测时精度。例如以xilinx公司的XC2S100e-6的实现为例，对79.874ns进行测量，其中计时计数器的计时脉冲的周期为Ts＝20ns，电路延时为Tp＝0.126ns，延时常数Tt＝3.625ns，通过xilinx公司的电路仿真工具ISE得到接收次数计数器105的计数值为N＝136，计时计数器103的计数值是Ns＝545，由式(1)计算得，测得的时间为Tw＝(20×544-0.126×135-3.625)/136＝79.848ns，测时绝对误差为0.026ns。采用同样的实现方法和参数，其它的仿真测试结果如表1所示。
表1
以上电路仿真结果说明本实用新型可以达到亚纳秒级的测时精度。
权利要求1.一种用于超声波测时系统的测时装置，其特征在于该装置包括用于发送超声波脉冲信号的超声波发送器(100)，用于接收超声波信号的超声波接收器(101)，用于检测接收到的超声波信号边沿和计数器计时脉冲(104)边沿是否同步的信号边沿检测器(102)，用于对超声波的传播时间进行计数的计时计数器(103)，用于为计时计数器提供计数脉冲的计数器计时脉冲(104)，用于对超声波的发送或接收次数进行计数的次数计数器(105)和时间计算单元(106)，连接关系如下信号边沿检测器(102)的一个输入端和计时计数器计时脉冲(104)相连，另一个输入端和超声波接收器(101)的一个输出端相连，信号边沿检测(102)的输出端分别和超声波发送器(100)的输入端、计时计数器(103)的一个输入端及时间计算单元(106)的一个输入端相连；超声波接收器(101)的另一个输出端和次数计数器(105)的输入端相连；计时计数器(103)的另一个输入端和计数器计时脉冲(104)的输出端相连；时间计算单元(106)的另一个输入端和计时计数器(103)的输出端相连，时间计算单元(106)的第三个输入端和次数计数器(105)的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的用于超声波测时系统的测时装置，其特征在于超声波发送器(100)，超声波接收器(101)，信号边沿检测器(102)，计时计数器(103)，计数器计时脉冲(104)，次数计数器(105)和时间计算单元(106)在一片可编程逻辑器件X2S100e-6中实现。
3.根据权利要求1所述的用于超声波测时系统的测时装置，其特征在于超声波发送器(100)，超声波接收器(101)，信号边沿检测器(102)，计时计数器(103)，计数器计时脉冲(104)，次数计数器(105)在一片可编程逻辑器件X2S100e-6中实现，时间计算单元(106)为单片机实现。
专利摘要本实用新型公开了一种用于超声波测时系统的测时装置。装置包括超声波发送器、超声波接收器、信号边沿检测器、计时计数器、计数器计时脉冲、次数计数器和时间计算单元。利用信号边沿检测器使计时计数器在计数脉冲边沿和接收到的超声波信号边沿重合时停止计数，减少了计时误差。通过增加测时次数，可以更进一步减少测时误差。本实用新型电路简单，成本低，可以在相对较低的计数频率下获得纳秒甚至亚纳秒量级的测时精度。本实用新型可以广泛应用于超声波测时系统中。
文档编号G04F10/04GK2842502SQ20052001467
公开日2006年11月29日 申请日期2005年9月6日 优先权日2005年9月6日
发明者王勇 申请人:浙江大学