超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法解析與對(duì)比

文章中用通俗易懂的比喻去闡述，本文主要闡述時(shí)間測(cè)量方法。
超聲波流量計(jì)/超聲波水表主要分為兩個(gè)部分：超聲波飛行時(shí)間測(cè)量、基于飛行時(shí)間計(jì)算流量。本文主要說明目前已知的時(shí)間測(cè)量的核心方法：電容充電法、閥值比較門電路延遲法、高速ADC相關(guān)法。本文將以測(cè)量一個(gè)水龍頭的打開、關(guān)閉時(shí)間（都是測(cè)量時(shí)間）為來描述其測(cè)量方法的不同。

1、電容充電法：受半導(dǎo)體芯片性能線性，我們無法及時(shí)的發(fā)現(xiàn)水頭打開或者關(guān)閉的，有可能水龍頭打開1秒后，才發(fā)現(xiàn)水龍頭被打開了，顯然此觀測(cè)速度無法達(dá)到要求。偉大的攻城獅們想到了一個(gè)絕妙的方法，既然無法觀測(cè)水龍頭的具體動(dòng)作，那么我們就不觀測(cè)他了。本文假設(shè)水龍頭被打開后，水流的速度是一定的，如果我們用一個(gè)桶去將水龍頭流從打開到關(guān)閉階段流出的水全部接住，然后用一把稱去稱這里桶里有多少水，這可以反推出水水龍頭從打開到關(guān)閉的時(shí)間了，即使我們花10秒鐘去完成一次稱重的動(dòng)作，也不影響測(cè)量水龍頭的動(dòng)作時(shí)間。這種方法優(yōu)點(diǎn)很顯然，用一個(gè)低俗的設(shè)備去反推高速設(shè)備的動(dòng)作，局限線性較大，受以下因素影響：水龍頭生銹（無法完全打開）、管道生銹（水流速度不一樣了）、盛水用的桶生銹（導(dǎo)致稱的水重量發(fā)生變差），稱重用的稱精度發(fā)生變化。

電容充電法，基本是用模擬電路完成搭建，對(duì)硬件要求很高，且容易受到外界環(huán)境干擾而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，目前已經(jīng)很少使用了，此項(xiàng)技術(shù)只掌握于極其少數(shù)的幾個(gè)公司。
2、閥值比較門電路延遲法：此方法使用最簡(jiǎn)單，感謝半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，將超聲波流量計(jì)的開發(fā)大大簡(jiǎn)化了，不需要過多的專業(yè)知識(shí)。還是以測(cè)量水龍頭打開、關(guān)閉為例子，該方法就相當(dāng)于我們有一個(gè)高精度的秒表，水龍頭打開啟動(dòng)秒表，水龍頭關(guān)閉停止秒表，通過秒表直接讀取秒表時(shí)間即可，很神奇哈。此種方法的唯一缺陷在于，如何判斷水龍頭打開、關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)樗堫^是個(gè)連續(xù)量，可能要擰動(dòng)一圈或者圈才能完全打開，同時(shí)隨著時(shí)間推移，水龍頭可能不能像新的水龍頭完全打開。所謂閥值比較，就是使用一定的圈數(shù)（0.5圈或者1圈），來判斷水龍頭的狀態(tài)(打開、關(guān)閉)，其主要缺點(diǎn)在于如果水龍頭可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)小于其判斷閥值了，則永遠(yuǎn)無法啟動(dòng)秒表了。這個(gè)就是為啥很多水表買到農(nóng)田灌溉，尤其是西部地區(qū)，一段時(shí)間后就趴窩的原因，而處理方法很簡(jiǎn)答，只需要將水表卸下來，把傳感器擦一擦就好了。
相對(duì)于電容充電法，閥值比較僅僅受到水龍頭的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)影響，穩(wěn)定性大大提升，同時(shí)開發(fā)難度降低了很多，直接讀取數(shù)據(jù)就好。閥值比較的主要代表芯片有D-Flow, MS1030，MS1022，GP30(自帶CPU)，GP22，EL703.15(周立功主推，自帶個(gè)MSP430)。3、高速ADC相關(guān)法：此方法前兩種方法完全不同，具有本質(zhì)的區(qū)別，使用高速ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，通過數(shù)學(xué)的方法計(jì)算出時(shí)間。此方法類似于，我們擁有一個(gè)相機(jī)，不停的在拍攝水龍頭照片，當(dāng)然拍照速度有一定的要求，但是拍照速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高精度的秒表速度，而我們又需要秒表的精度，形成了博弈哈。相關(guān)法的精髓在于分析照片的變化程度，通過變化程度來判斷水龍頭的轉(zhuǎn)態(tài)，或者說相關(guān)法不需要判斷水龍頭的完整轉(zhuǎn)態(tài)，只需要分析其變化率，通過變化率來間接的分析水龍頭的打開關(guān)閉時(shí)間，也就是說相關(guān)法，是從很多張照片中尋找最相似的照片（打卡位置一張、關(guān)閉位置一張），然后通過拍照的時(shí)間來求取時(shí)間。有人會(huì)問不是拍照速度不夠嗎，如何精確求取時(shí)間？這個(gè)時(shí)候數(shù)學(xué)方法就有用了，我們可以通過幾張照片的變化趨勢(shì)。反推出其水龍頭變化速度，使用幾張照片變成N張照片，直到N達(dá)到所需要的精度。
高速ADC相關(guān)法，使用相似原理，就像女兒像爸爸一樣，其相像是本質(zhì)的，不會(huì)因?yàn)樯吆湍挲g的不同而改變，從這一點(diǎn)就可以看出與閥值比較的本質(zhì)區(qū)別了，可以理解為閥值通過身高或者年齡來判斷兩個(gè)人的相關(guān)性，而相關(guān)法則依據(jù)其體型、外貌特征來判斷其相關(guān)性。
高速ADC相關(guān)法對(duì)CPU計(jì)算要求較高，基本需要DSP或者帶DSP指令的ARM內(nèi)核CPU，對(duì)開發(fā)者的數(shù)學(xué)功底要求較高，此項(xiàng)技術(shù)大多集中于國(guó)外公司，如西門子、基恩士、弗萊克森，國(guó)內(nèi)用的不多；同時(shí)此方案目前只有TI推出了集成方法，如使用其他的CPU則需要自己搭建發(fā)送、接收電路，進(jìn)一步加大了開發(fā)難度。
后續(xù)內(nèi)容為純技術(shù)的描述了，沒有興趣的可以跳過和無視哈。
上一篇文章“互相關(guān)計(jì)算時(shí)差方法（信號(hào)傳輸延時(shí)）”引起了部分技術(shù)開發(fā)的共鳴，同時(shí)也了一些疑問和疑惑，其主要?dú)w類如下：精度、功耗、成本、生產(chǎn)等因素，本文在這里做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比，對(duì)比前，我們必須做一下嚴(yán)正申明，本文所寫文檔不包含有任何商業(yè)目的，同時(shí)只針對(duì)已經(jīng)完全公布的文獻(xiàn)和芯片做對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果如下：

從對(duì)比圖可以看出，基于ADC相關(guān)法的流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗測(cè)量，而且作者認(rèn)為基于TI的芯片所做的水表應(yīng)該是性能最好的（芯片自帶高速ADC，可編程運(yùn)放）。
還有一個(gè)問題，使用相關(guān)法ADC運(yùn)算，ADC需要多高的采樣速度。依據(jù)TI的文獻(xiàn)，8MHz的ADC可以直接驅(qū)動(dòng)2.5MHz的傳感器，也就是說采樣頻率只需要為傳感器頻率的3.2倍即可；對(duì)于1MHz的傳感器，使用3.2MHz的ADC即可以滿足需要，下圖為7.2MHz的ADC采樣1Mhz的傳感器波形，數(shù)據(jù)沒有做任何處理，*點(diǎn)為ADC采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用軟件把采樣點(diǎn)連接起來了。

下圖為TI相關(guān)文獻(xiàn)的部分性能截圖，供參考

后續(xù)內(nèi)容將具體描述電容充電法、閥值比較法、相關(guān)法上一篇已經(jīng)描述，不寫多寫哈。
電容充電法的核心思想為：使用一個(gè)恒流源對(duì)一個(gè)電容充電，通過ADC采集電容兩端的電壓，反推出充電時(shí)間，這個(gè)充電時(shí)間就是超聲波的飛行時(shí)間。其基本方法如下，使用一個(gè)12位的ADC即可以達(dá)到皮秒級(jí)的測(cè)量：

閥值比較門電路延遲法，此法最簡(jiǎn)單，大大簡(jiǎn)化了開發(fā)難度，直接測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)間，方法如下：

電容充電法缺點(diǎn)比較多，這里不多討論，目前使用很少了。閥值比較有以下兩個(gè)大的缺點(diǎn)：比較電壓選擇、抗干擾性不強(qiáng)。如果比較電壓選擇不當(dāng)，則可能造成接收信號(hào)的時(shí)間的錯(cuò)波，有人會(huì)爭(zhēng)論說可以通過軟件的方法可以避免錯(cuò)波，但是如果上游和下游接收信號(hào)幅值不一樣的(沒有來過傳感器是完全一樣的，只是差異的大小而已)，就完全抓瞎了，這也是為啥經(jīng)常有人問，流量跑著跑著又跑回去了的原因，流量一大，就變小了。閥值比較還有一個(gè)缺點(diǎn)是就是，當(dāng)干擾比較嚴(yán)重是，其噪聲信號(hào)可能就已經(jīng)高過的閥值比較的最大時(shí)間，比如MS1022只有幾十mV，當(dāng)然MS1030可以到127mV，相對(duì)提升較大。

開發(fā)難度：ARM/DSP > TI(MSP430FR6047) >D-FLOW（資料太少了）> MS1030/MS1022/G22，電容充電法已經(jīng)過時(shí)了，不做比較。

下一篇：大連海峰超聲波流量計(jì)選型注意事項(xiàng)