Часто задаваемые вопросы по измерению расхода воды и газа ультразвуковым методом с применением MSP430FR604x

6 ноября

учёт ресурсовавтоматизациялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Шринивас Лингам (Texas Instruments)

В виде ответов на вопросы описываются оптимальные конструкторские и инженерные решения с использованием микроконтроллеров MSP430FR604x производства Texas Instruments, программного обеспечения измерения расхода воды и газа на основе Ultrasonic Design Center, а также ключевые показатели производительности.

Основные настройки

Программное обеспечение Ultrasonic Design Center для микроконтроллеров MSP430 не распознает модуль оценки ультразвукового измерения MSP430FR6047 или модуль оценки ультразвукового измерения расхода газа MSP430FR6043. Чем это может быть вызвано?
  • убедитесь, что модули EVM430-FR6047 или EVM430-FR6043 подключены к ПК;
  • модуль EVM включает в себя мост HID, который должен распознаваться диспетчером устройств Windows как два устройства HID;
  • убедитесь, что перемычки на модуле для обеспечения питания платы и обмена данными с мостом HID установлены правильно. Для получения более подробной информации обратитесь к «Руководству по аппаратному обеспечению EVM430-FR6047» или к «Руководству по аппаратному обеспечению EVM430-FR6043»;
  • попробуйте перезапустить графический интерфейс управления;
  • при необходимости перепрограммируйте EVM;
  • вы также можете попробовать перезагрузить устройство.
Программный интерфейс Ultrasonic Design Center подключен, но параметры микроконтроллера MSP430 не обновляются после загрузки новой конфигурации. Что может являться причиной такого поведения?

Некоторые конфигурации не поддерживаются микроконтроллером. Если пользователь попытается загрузить неподдерживаемую конфигурацию в микроконтроллер, программный интерфейс отобразит ошибку. Дополнительную информацию о конкретной ошибке смотрите в разделе «Обработка ошибок» справки в Ultrasonic Design Center. Возможно, вам придется использовать другую конфигурацию или изменить прошивку.

Вы также можете попробовать заново прошить микроконтроллер.

MSP Flasher, Code Composer Studio™ IDE (CCS) или IAR Embedded Workbench® для MSP430 IDE (IAR EW430) не могут программировать и отлаживать EVM. В этом случае:

  • убедитесь, что модули EVM430-FR6047 или EVM430-FR6043 подключены к ПК;
  • модуль EVM содержит в своем составе блок eZ-FET, который используется для программирования и отладки микроконтроллера MSP430FR604x. Блок eZ-FET должен распознаваться диспетчером устройств Windows как два устройства HID;
  • для правильной работы необходимо установить соответствующие драйверы. Компания Texas Instruments рекомендует устанавливать драйверы путем установки IDE устройства, например, TI CCS или IAR EW430. Драйверы также можно найти по ссылке;
  • убедитесь, что перемычки на модуле установлены правильно для обеспечения питания платы и обмена данными с блоком eZ-FET. Для получения более подробной информации обратитесь к «Руководству по аппаратному обеспечению EVM430-FR6047» или к «Руководству по аппаратному обеспечению EVM430-FR6043».
Панель данных АЦП «ADC Capture» в программном интерфейсе показывает незначительный (или нулевой) сигнал АЦП. Каковы возможные причины?
  • проверьте полярность подключения преобразователей. Убедитесь, что выход GND преобразователя подключен к заземлению, а не к контакту SIGNAL на EVM;
  • выполните настройку параметров программного интерфейса Ultrasonic Sensing Design Center, как описано в кратком руководстве;
  • при измерении расхода воды убедитесь, что труба заполнена водой и ориентирована таким образом, что преобразователи полностью погружены в воду. Встряхните трубу после того, как она заполнится, и проверьте на наличие пузырьков воздуха. Долейте воды, чтобы избавиться от воздушных пузырьков.
Как измерялось потребление тока?
  • для измерения потребления тока компания TI использовала прибор Keysight N6705B. В ходе испытаний ток подавался от Keysight при напряжении 3,3 В, при этом прибор был настроен на частоту измерения тока приблизительно 200 кГц;
  • для измерения расхода воды измерения были выполнены с использованием микроконтроллеров MSP430FR6047 версии B и библиотеки программного обеспечения USSSWLib 01_40_00_06. Для получения дополнительной информации обратитесь к разделу «Среднее энергопотребление» документа Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Water Flow Measurement;
  • для измерения расхода газа измерения были выполнены с использованием микроконтроллеров MSP430FR6043 версии A и библиотеки программного обеспечения USSSWLib 02_20_00_09. Для получения дополнительной информации обратитесь к разделу «Среднее потребление тока» документа Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Gas Flow Measurement.
Уровень выходного сигнала АЦП отсутствует. Чем это может быть вызвано?
  • если выполняется измерение расхода воды, убедитесь, что в трубе есть вода. Если воды достаточно, убедитесь, что датчики погружены в воду. Распространенная ошибка — перевернуть трубу так, что датчики оказываются в воздухе, а не в воде. При прохождении через воздушную среду сигнал значительно ослабляется. Это распространенная причина низкого уровня сигнала;
  • убедитесь, что выбрана правильная частота возбуждения преобразователя. При номинальной частоте 1 МГц использование частоты возбуждения с отклонением в 100 кГц может вызвать ослабление амплитуды сигнала на 15 дБ, при этом частотная характеристика также может значительно ухудшиться;
  • аналогичным образом, при измерении расхода газа также необходимо выбрать правильную частоту преобразователя. В зависимости от типа среды, будь то воздух, метан или любой другой газ, требуется правильно настроить значение PGA, чтобы выходной сигнал АЦП был достаточно четким.
Как должен выглядеть выходной сигнал АЦП?

Правильный сигнал должен обладать следующими характеристиками:

  • постоянная составляющая должна быть близка к нулю;
  • при измерении расхода воды амплитуда выходного сигнала АЦП должна быть в пределах ±1000 кодов для преобразователей, работающих на частоте 1 МГц, и ±600 кодов для преобразователей на частоте 2 МГц. Коэффициент усиления может контролироваться параметром «GUI Based Gain Control»;
  • при измерении расхода газа амплитуда выходного сигнала АЦП должна быть в пределах ±1000 кодов для преобразователей, работающих на частотах 200…500 кГц. Коэффициент усиления может контролироваться параметром «GUI Based Gain Control»;
  • параметр Capture Duration («Длительность выборки») должен быть настроен таким образом, чтобы осциллограмма возрастала и затем убывала. В качестве примера хорошего сигнала можно привести рисунок 1;
  • параметр «Gap Between Pulse Start and ADC capture» («Интервал между началом импульса и окном выборки АЦП») должен быть установлен таким образом, чтобы импульс сигнала четко начинался примерно с 0 и увеличивался до нормальной амплитуды с частотой преобразователя, которая может составлять 1…2 МГц для расходомеров воды и 150…500 кГц для расходомеров газа. Также рекомендуется убедиться, что выборка включает несколько отсчетов, близких к 0 в начале выборки.

На рисунке 1 показан пример формы сигнала для преобразователя 1 МГц с частотой дискретизации 3,6 МГц.

Рис. 1. Типичная выборка АЦП

Рис. 1. Типичная выборка АЦП

Системные показатели производительности: точность измерения, дрейф нулевого потока (ZFD), согласование импеданса

В технической документации к микроконтроллерам MSP430FR604x указано, что расходомер USS обладает самой высокой точностью в плане измерений dTOF (дифференциальное время пролета – time-of-flight) (<25 пс для воды и <500 пс (± 250 пс) для газа). Как получаются значения 25 пс для воды и 500 пс для газа?

Эти значения основаны на испытаниях, проведенных с трубами и датчиками заказчика. Трубы помещаются в температурные печи в условиях отсутствия потока для проведения температурных испытаний в диапазоне 5…85°C для воды или -35…65°C для газа; в ходе испытаний измеряется дифференциальное время пролета (dTOF). Изменение температуры воды выполняется в течение примерно 2 часов. Среднее значение dTOF берется на основе сотен измерений, а дрейф dTOF (разница между максимальным и минимальным значениями измерений) оценивается в этом температурном диапазоне. Результатами таких испытаний являются значения dTOF. Микроконтроллеры MSP430FR604x обладают хорошими характеристиками согласования импедансов, но окончательный дрейф dTOF при нулевом потоке зависит также от того, насколько хорошо согласованы преобразователи. Более подробную информацию о специфике испытаний и результатов можно найти в разделе «Результаты испытаний» в статье «Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Water Flow Measurement» для расходомеров воды или в статье «Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Gas Flow Measurement».

На рисунке 2 показано изменение dTOF от времени и температуры для расходомера воды, использующего пару преобразователей с частотой 1 МГц.

Рис. 2. Дрейф нулевого потока (ZFD) dTOF при измерении расхода воды в печи

Рис. 2. Дрейф нулевого потока (ZFD) dTOF при измерении расхода воды в печи

На рисунке 3 показано изменение dTOF от времени и температуры для расходомера газа.

Рис. 3. Дрейф нулевого потока (ZFD) dTOF при измерении расхода газа

Рис. 3. Дрейф нулевого потока (ZFD) dTOF при измерении расхода газа

Какое усреднение используется для вычисления дрейфа и какова частота измерений?

Усреднение проводилось по 200 измерениям в течение 200 секунд. Частота измерения составляла 1 измерение в секунду.

Точность 25 пс для расходомера воды основана на испытаниях. Каковы теоретические методы оценки этого значения?

Трудно определить точное число теоретическими методами, так как оно зависит от согласования импедансов электронных компонентов, а также от несовпадений импедансов преобразователя. Теория рассматривает взаимосвязь и взаимозависимости различных импедансов электронных компонентов и преобразователей.

Существует большая разница в точности между расходомером воды и расходомером газа (25 пс для воды и 500 пс для газа). Чем это объясняется?

Дрейф в газе выше из-за различий в свойствах среды. Газ является более диффузной средой по сравнению с водой. Скорость звука в газе также примерно в 5 раз ниже, чем в воде, что приводит к большим колебаниям и дрейфу сигнала в газе по сравнению с водой.

В практических приложениях недопустимо тратить 100 или 200 секунд на получение одной усредненной точки данных dTOF, потому что это задерживает передачу данных на расходомер. Как решить эту проблему?

Это зависит от реализации. Система получает мгновенное значение dTOF при каждом измерении и может использовать это значение немедленно. Системе не нужно выполнять усреднение, чтобы использовать это значение.

Сценарии реализации могут быть разными.

Системы, в которых скорость потока изменяется медленно, а производители расходомеров стремятся сгладить измеренные значения, могут усреднять результаты по ряду измерений. Число выбирается исходя из ожидаемых изменений расхода.

В ситуациях с более быстрыми изменениями расхода система может увеличить скорость измерения. Микроконтроллеры MSP430FR604x могут поддерживать гораздо более высокую скорость измерения расхода как воды, так и газа.

Что определяет значение разрешения 5 пс? Имеются ли теоретические предпосылки для выбора этого значения?

Разрешение зависит от отношения «сигнал/шум» (SNR) системы, точности или количества разрядов АЦП, а также точности и прецизионности алгоритма интерполяции, используемого при вычислении dTOF из условий корреляции. Специалисты компании TI получили это значение разрешения на основе моделирования на уровне системы с учетом всех этих параметров.

Хорошее согласование импедансов уменьшает дрейф dTOF при нулевом потоке. Как правильно согласовать преобразователи? Какие параметры наиболее важны? Как можно настроить согласование?

Общий дрейф dTOF при нулевом потоке зависит от согласования импедансов электронных компонентов, которые взаимодействуют с преобразователями, в соответствии с принципом взаимности. Импедансы преобразователя 1 и преобразователя 2  в заданном температурном диапазоне должны соответствовать друг другу. Согласование между преобразователями в некоторой степени влияет на величину дрейфа. Система не требует какого-либо точного согласования импеданса преобразователя с сопротивлением электроники, если они находятся в разумных пределах.

Вода: для протестированных преобразователей использовались нагрузочный резистор 200 Ом и емкость на базе EVM430-FR6047 для получения результатов, представленных в материале «Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Water Flow Measurement».

Газ: для оптимального согласования импедансов был разработан внешний аналоговый входной блок на основе EVM430-FR6043. Он использовался для проведения испытаний с различными преобразователями и результатами, представленными в публикации «Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Gas Flow Measurement».

Какой тип обработки сигналов применяется для данных, полученных от функции USS_runAlgorithm? Какой тип обработки сигнала выполняется до отображения данных в программном интерфейсе?

После получения значений dTOF, AbsTOF и Volume Flow Rate (VFR) от функции USS_run Algorithm или USS_run Algorithms Fixed Point приложение перед отправкой результата в программный интерфейс выполняет только преобразование внутреннего представления с фиксированной точкой в число с плавающей точкой. Программный интерфейс отображает результаты каждого измерения. Никакой дополнительной обработки сигналов не производится. Для правильного отображения в программном интерфейсе также может выполняться усреднение данных. На графике отображаются как необработанные результаты функции USS_run Algorithm, так и среднее значение.

Количество выборок, используемых при усреднении в программном интерфейсе, также может контролироваться пользователем. Пользователь может обратиться к панели управления «Waveform Options» («Параметры осциллограммы»), кликнув правой кнопкой мыши по графику и выбрав «Graph Options» («Параметры графика»). Дополнительную информацию можно найти в разделах «Статистика» и «Параметры осциллограммы» в руководстве пользователя «Ultrasonic Sensing Solution Design Center».

Значения dTOF и объемного расхода зашумлены при отображении в программном интерфейсе даже при нулевом потоке. Как этого можно избежать?
  • программный интерфейс автоматически регулирует масштаб в зависимости от входных данных. Если значение dTOF сильно не меняется, сигнал выглядит шумным, хотя изменение минимально. Попробуйте изменить скорость потока, чтобы увидеть более заметные изменения;
  • USB-кабель с ферритовым фильтром может помочь снизить уровень шума при подключении к ПК;
  • снизить уровень шума может помочь чистый источник питания;
  • испытания на измерение дрейфа нулевого потока (ZFD) обычно требуют герметизации расходомера, чтобы уменьшить поток воды или воздуха до минимально возможного:
    • вода: убедитесь, что прибор заполнен водой, а пузырьки воздуха отсутствуют;
    • газ: расходомеры газа обычно размещаются внутри экранированного корпуса для уменьшения шума. В таком случае подключите контакт заземления экрана к GND EVM430-FR6043.
Какова самая высокая частота, с которой MSP430FR6047 или MSP430FR6043 могут обновлять измеренные значения скорости потока?
  • «Библиотека программного обеспечения USS» разработана для медленных скоростей измерения <10 Гц. В эксперименте, в котором в процессе измерения расхода воды были изменены некоторые параметры в файлах .h, были получены скорости измерения, близкие к 500 Гц;
  • величина скорости обработки данных зависит от расстояния между преобразователями, длительности выборки и интервала между срабатываниями восходящего (UPS) и нисходящего (DNS) акустических каналов. Был проведен эксперимент по применению расходомера воды с датчиками 1 МГц внутри трубы Jiakang с расстоянием между преобразователями 73 мкс, длительностью выборки 40 мкс и интервалом срабатывания между UPS и DNS, равным 150 мкс. В данном эксперименте общее время измерения составило приблизительно 2 мс с MCLK = 8 МГц. Стандартное программное обеспечение не предназначено для подобных реализаций, поэтому возможна следующая оптимизация:
    • вычисление предыдущего измерения можно выполнять во время нового срабатывания сенсоров и получения выборки. Текущее программное обеспечение реализует этот процесс способом последовательной блокировки;
    • значение MCLK может быть установлено на 16 МГц, что должно сократить время вычислений. Текущее программное обеспечение использует MCLK на 8 МГц.
    • величина скорости обработки данных различна для случаев измерения расхода воды и газа из-за внутренних различий: в частотах возбуждения преобразователя, в количестве импульсов, необходимых для этих сред, в интервалах между срабатываниями по восходящему и нисходящему каналам, в длительности выборки и различий во времени обработки.
Существует ли уравнение или систематический метод, с помощью которых можно выполнить калибровку и определить значение «постоянной измерительного прибора»?

Общая процедура заключается в использовании эталонного расходомера для калибровки постоянной измерительного прибора с целью соответствовать расходу, измеренному в диапазоне скоростей потока, которые должны поддерживаться устройством:

  • используйте номинальную постоянную расходомера и проведите серию измерений при разных скоростях потока во всем диапазоне скоростей потока, которые должны поддерживаться. Используйте эталонный расходомер, чтобы получить значения расхода, и зафиксируйте как значения расхода от эталонного расходомера, так и измеренный объемный расход из программного интерфейса MSP430FR604x DesignCenter;
  • в общем случае, если в программном интерфейсе TI Design Center отображается значение расхода X, измеренное при величине постоянной измерительного прибора M1, в то время как ожидаемое значение равно Y, то новая постоянная измерительного прибора вычисляется по формуле M2 = M1 × (Y/X). Для измерений при нескольких скоростях потока, – Yi и Xi, – рассчитайте линейное соответствие между {Yi} и {Xi}, чтобы получить M2.

В зависимости от значений Maximum_Flow_rate_supported и Minimum_Flow_rate_supported может потребоваться несколько постоянных измерительного прибора во всем диапазоне. Необходимое количество постоянных измерительного прибора для использования во всем диапазоне зависит от конечных требований к точности. Например, если устройство требует точности 1%, могут потребоваться четыре постоянные для всего диапазона. При менее жестких требованиях к точности 3% может быть достаточно двух постоянных.

Изменится ли результат ультразвукового измерения расхода, если температура воды изменится во время испытаний?

Расчет объемного расхода (VFR) учитывает изменения скорости звука из-за колебаний температуры воды. Абсолютное измерение времени пролета (AbsToF) обратно пропорционально скорости звука. Вы можете найти дополнительную информацию, посмотрев вебинар «Высокая прецизионность и точность измерения при минимальной скорости потока». На вебинаре дается объяснение расчета параметров, которое устраняет зависимость от скорости звука «с» и температуры. Формула ниже воспроизводит уравнения из вебинара. Вторая строка в формуле зависит от AbsToF (T12, T21), но не от «c». Следовательно, измеренный объемный расход не зависит от температуры:

$$Формула\:средней\:скорости\:потока=\nu =\frac{L}{2\cos \phi }\times \left(\frac{1}{T_{12}}-\frac{1}{T_{21}} \right)=\frac{L}{2\cos \phi }\times \left(\frac{T_{21}-T_{12}}{T_{21}\times T_{12}} \right);\\\nu \sim T_{21}-T_{12}\rightarrow \Delta T$$
$$Вычисление\:объема=Q=\frac{\pi D^2}{4}\frac{L}{2\cos \phi } \times \left(\frac{\Delta T}{T_{21}\times T_{12}} \right)=\frac{\pi D^3}{4\sin 2\phi }\times \left(\frac{\Delta T}{T_{21}\times T_{12}} \right);\\Зона=\frac{\pi D^3}{4\sin 2\phi };\:Скорость\:потока=\left(\frac{\Delta T}{T_{21}\times T_{12}} \right)$$

Могут ли микроконтроллеры MSP430FR6047 и MSP430FR6043 поддерживать скорость потока до 8800 л/ч (40 галлонов в минуту) для расходомеров воды? Какая максимальная скорость потока поддерживается микроконтроллерами MSP430FR6047 и MSP430FR6043?

Ознакомьтесь с материалом «MSP430FR6047 и ультразвуковая программная система для измерения расхода воды». Результаты экспериментов показывают, что микроконтроллер MSP430FR6047 с библиотекой программного обеспечения USS и примером программного кода может поддерживать скорость 8800 л/ч (40 галлонов в минуту). Результаты, полученные с помощью микроконтроллера MSP430FR6047, также применимы к микроконтроллеру MSP430FR6043, так как его базовый модуль USS – такой же. Клиенты также проверяли систему на скоростях потока более 29500 л/ч (130 галлонов в минуту) в трубе DN45, что эквивалентно 8800 л/ч в трубе DN25. Максимальная поддерживаемая скорость потока зависит от размера трубы. Существующее программное обеспечение поддерживает скорости потока с DToF нескольких циклов преобразователя. Например, три цикла преобразователя эквивалентны поддержке скорости потока, равной DToF 3000 нс с преобразователями 1 МГц.

Какие ультразвуковые датчики работают с микроконтроллерами MSP430FR604x?

Расходомеры воды были испытаны с использованием датчиков с частотой 1 МГц и 2 МГц, расходомеры газа были испытаны с использованием датчиков в диапазоне 200…500 кГц. С ультразвуковыми решениями на основе MSP430FR604x работают датчики следующих производителей:

  • Audiowell: латунная труба для теплосчетчика HS0003-001 и ультразвуковой датчик потока T/R975-US0014L353-01;
  • Jiakang: ультразвуковой датчик потока 0M020100H2ADX-B0;
  • Hurricane: ультразвуковой расходомер TL1000 с частотой 1 МГц (вода) и ультразвуковой датчик TG020012 для измерения расхода газа;
  • CeramTec: ультразвуковые датчики расхода для управления ресурсами. К ним относятся датчики 1 МГц и 2 МГц для воды (или других жидкостей) и датчики 200 кГц и 400 кГц для газа.

Для стандартных скоростей расхода воды подходят датчики 1 МГц и 2 МГц, обеспечивающие хорошую производительность.

Точно так же для стандартных решений измерения расхода газа датчики 200 кГц и 400 кГц из приведенного выше списка должны обеспечивать хорошую производительность. Блок USS IP в устройствах MSP430FR604x поддерживает частоты преобразователя 0,133…2,5 МГц.

Как варьируется значение dTOF в зависимости от различных микроконтроллеров MSP430FR604x или пар датчиков?

В случае расходомеров воды значения dTOF для разных микроконтроллеров или для разных пар датчиков варьируются в пределах десятков пикосекунд. Эти наблюдения были сделаны на стенде EVM430-FR6047 без дополнительных внешних элементов на пути между датчиком и микроконтроллером MSP430FR6047.

Измерения также проводились с использованием эталонного стенда ультразвукового расходомера воды, где реализована поддержка двух пар датчиков и используются внешние мультиплексоры и усилители напряжения. При использовании данного стенда наблюдаются вариации DToF в диапазоне сотен пикосекунд. Этот диапазон полностью обусловлен изменением пути прохождения сигнала между различными мультиплексорами или усилителями.

Можно ли фильтровать полученную выборку АЦП перед вычислением дельта-времени пролета (DToF), абсолютного времени пролета (AbsToF) и объемного расхода (VFR)?

В некоторых сценариях, в зависимости от характеристик датчика, может потребоваться отфильтровать принятый сигнал на выходе АЦП для устранения помех. Фильтрацию можно выполнить, включив параметр конфигурации USS_Algorithms_User_Configuration::enableFilter. Коэффициенты фильтра указываются параметром USS_SW_LIB_APP_FILTER_COEFFICIENTS в файле USS_userConfig.h, которые заполняются в USS_Algorithms_User_Configuration::filterCoeffs в файле USS_userConfig.c. Фильтр по умолчанию предназначен для частоты датчика 1 МГц с шириной полосы 400 кГц, а коэффициенты генерируются с использованием функции firpm в Matlab. Следующий код Matlab работает с частотой дискретизации 3,6 Мбит/с:



N = 18; fs = 3600000; Fstop1 = 600000; Fpass1 = 800000; Fpass2 = 1200000; Fstop2 = 1400000;

Wstop1 = 1; Wpass = 10; Wstop2 = 1;

filterCoeffs = [firpm(N,[0 Fstop1 Fpass1 Fpass2 Fstop2 Fs/2]/(Fs/2), [0 0 1 1 0 0],[Wstop1

Wpass Wstop2]) 0];

Переменная «filterCoeffs», приведенная выше, должна быть преобразована в представление с фиксированной точкой перед использованием в USS_userConfig.h. Размер и характеристики фильтра могут быть изменены путем изменения кода приложения.

Существует ли параметр конфигурации, позволяющий измерять высокоскоростные потоки? Будет ли изменяться уровень потребления тока при использовании этой опции?

Значением по умолчанию для USS_ALG_DTOF_COMPUTATION_MODE в USS_userConfig.h является USS_ALG_DTOF_COMPUTATION_OPTION_ESTIMATE. Данный параметр обеспечивает поддержку очень широкого диапазона скоростей потока. Этот параметр учитывает скорости потока вплоть до дельта-времени пролета (DToF) нескольких циклов преобразователя. Например, для датчика с частотой 1 МГц три цикла работы эквивалентны 3 мкс. DToF 1,5 мкс равняется скорости потока приблизительно 8800 л/ч в трубе DN25. Ток потребления с этим параметром для USS_ALG_DTOF_COMPUTATION_MODE обычно одинаков в широком диапазоне скоростей потока. Текущие измерения, представленные в описании типового проекта «Ultrasonic Sensing Subsystem Reference Design for Water Flow Measurement», выполняются при нулевом расходе.

Какова наименьшая скорость потока, при которой достигается точность 1%?

Как правило, это зависит от класса точности расходомеров воды. Стандарт EN ISO 4064-1:2014:11 определяет класс 1 расходомеров с требованиями к точности 1% для температур 0,1…30°C в данной зоне значений расхода. Ниже этой зоны расхода требования к точности более мягкие – 3%. Например, зона расхода с требованием точности 1% может находиться в пределах зоны расхода 6,6…3300 л/ч. В данном конкретном примере соотношение между самым высоким и самым низким значением расхода в указанной зоне составляет 500.

Очевидно, что действительные значения зон расхода зависят от размеров трубы. Выше приведены лишь некоторые примеры аспектов стандарта на требования к точности.

Функции программного обеспечения и допустимые модификации для поддержки дополнительных возможностей

Как с помощью программного обеспечения получить значение максимальной амплитуды принятых сигналов АЦП?

В функциях USS_startUltrasonicMeasurement () или USS_startLowPowerUltrasonicCapture () в файле USSLibGUIApp.c добавьте функцию для поиска максимума и минимума в выборках нисходящих и восходящих сигналов. Выборки сигнала сохраняются в gUssSWConfig.captureConfig.pCapturesBuffer. Буфер памяти имеет структуру sampleSize × numberOfAcquisitions × 2, как в документации для библиотеки программного обеспечения USS. Значение numberOfAcquisitions обычно составляет 2 или 1 для восходящего УЗ канала и 1 для нисходящего УЗ канала.

Эта новая функция может передавать максимальное и минимальное значения в программный интерфейс с помощью панели отладки или повторно использовать значения в приложении.

Если эта функция требуется как часть приложения в конкретной реализации и если необходимо оптимизировать число циклов, вы также можете использовать LEA. Для получения дополнительной информации о LEA и добавлении кода для реализации функций, выполняемых на LEA, ознакомьтесь с руководствами «MSP430FR6047 Ultrasonic Sensing Design Center User’s Guide» и «Benchmarking the Signal Processing Capabilities of the Low-Energy Accelerator».

Поддерживает ли программная библиотека ультразвукового расходомера измерение с использованием внешних триггеров без использования программных триггеров?

В программной библиотеке ультразвукового расходомера версий 02.10.00.07 или 02.20.00.xx измерение запускается только в приложении с помощью функций USS_startUltrasonicMeasurement() или USS_startLowPowerUltrasonicCapture().

Модуль USS в микроконтроллерах MSP430FR6047 или MSP430FR6043 поддерживает аппаратный триггер с выхода TA1 CCR2, который можно использовать для запуска процесса измерения. Чтобы использовать аппаратный триггер, необходимо убедиться, что модуль USS включен, для чего, в свою очередь, ЦП должен находиться в режиме LPM0 или активном режиме. Получить дополнительную информацию можно, ознакомившись с таблицей подключений триггерного сигнала ASQ в документации на микроконтроллеры ультразвукового зондирования MSP430FR604x и MSP430FR603x MSP430™ для измерения расхода воды, а также изучив блок-схему ASQ в «Руководстве пользователя семейства MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx»;

Для поддержки аппаратного триггера программную библиотеку необходимо модифицировать. Изменения можно вносить в исходный код, предоставленный в качестве эталона.

Нужно ли отключать прерывания во время ультразвукового измерения или вычисления dTOF? Если да, какова продолжительность отключения или количество циклов?

Прерывания отключаются только в функции voidcommonWaitForconversion (USS_capture_power_mode_optionmode) в файле ussSWLib/source/common/ussSwLibCommonUSS.c. Прерывания активируются перед выходом из функции. Основываясь на тестах производительности, прерывания отключают приблизительно для 66 циклов MCLK, что соответствует примерно 8,25 мкс при MCLK = 8 МГц, и примерно 4,125 мкс при MCLK = 16 МГц.

ЖК-дисплей, отображение и конфигурация интерфейса UltrasonicDesignCenter

Хотелось бы узнать о параметре «Meter Constant» («Постоянная измерительного прибора») на панели конфигурации. Как я могу рассчитать это значение? Имеется ли документ, в котором описана методика расчета?

Параметр постоянной измерительного прибора используется для калибровки расходомера к требуемой величине расхода. Например, предположим, что расходомер должен измерять расход в диапазоне 1 галлон в минуту, тогда:

  • установите эталонный расходомер последовательно с разработанным вами расходомером;
  • используйте эталонный расходомер для проверки скорости потока 1 галлон в минуту;
  • в программном интерфейсе Ultrasonic Sensing Design Center перейдите в окно «Volume Flow Rate» на вкладке «Waveforms», чтобы увидеть значение расхода, измеренное спроектированным расходомером;
  • изменяйте значение постоянной расходомера до тех пор, пока расходомер не покажет расход 1 галлон в минуту.

Компания TI планирует выпустить обновление программного интерфейса для автоматизации этого процесса. Пока это обновление не будет выпущено, для определения правильного значения постоянной расходомера рекомендуется использовать ручной метод, подобный процедуре, приведенной выше.

Какое максимальное значение может принимать постоянная расходомера? 19999999.00? Я протестировал свое устройство в системе с постоянным расходом 20 л/ч. При постоянной расходомера, установленной на 19999999,00, я наблюдал значение расхода только 7,5 л/ч на ЖК-дисплее и в программном интерфейсе. Есть ли какой-либо другой параметр, который мне нужно настроить? Или мне нужно откалибровать его с гораздо более высокой скоростью потока?

Максимальное значение, которое можно ввести для постоянной расходомера, составляет 22742000, из-за реализации фиксированной точки в программной библиотеке. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с документом «MSP430FR6047 Ultrasonic Sensing Design Center User’s Guide».

Существуют два способа коррекции значения расхода от расходомера:

  • измените единицы измерения на галлоны в минуту. Вы должны увидеть значение примерно 0,088 галлонов в минуту;
  • чтобы оставить значения измерений в л/ч, необходимо изменить код приложения и применить масштабный коэффициент 10x к объемному расходу.

Установка постоянной расходомера, равной (20/7,5) × 19999999, исправит калибровку, однако это значение превышает максимальное значение 22742000. Масштабный коэффициент 10х для величины объемного расхода позволяет установить значение постоянной расходомера в (20/75) × 19999999, что находится в допустимом диапазоне значений данной постоянной. В файле hmi.c умножьте объемный расход на 10. В подпрограмме HMI_PostAlgorithm_Update введите:


DC_User_Params->plot_vol_flow_rate = (float) 10.0*(alg_results_float.volumeFlowRate);

вместо


DC_User_Params->plot_vol_flow_rate = alg_results_float.volumeFlowRate;
Какое значение PGA будет являться наилучшим?

Установите значение PGA таким образом, чтобы максимальная амплитуда сигнала АЦП составляла приблизительно 1000 кодов для частот преобразователя от 200 кГц до 1 МГц. Это соответствует коэффициенту падения мощности сигнала 6,25 дБ.

Если API калибровки автоматической регулировки усиления (AGC) включен с помощью команды #defineUSS_APP_AGC_CALIBRATEinUSS_App_userConfig.h, это также может быть выполнено путем задания коэффициента #define USS_AGC_CONSTANT 60 в файле USS_userConfig.h. Это относится как к расходомерам воды, использующим датчики с частотой 1 МГц, так и к расходомерам газа, использующим датчики с частотами возбуждения 200…500 кГц.

Для датчиков с частотой 2 МГц максимум сигнала АЦП составляет 650 кодов, что соответствует падению мощности приблизительно на 10 дБ. Если функция AGC включена, это можно сделать, установив USS_AGC_CONSTANT = 56.

Какие параметры конфигурации необходимо изменить специально для датчиков 2 МГц?

Для датчиков с частотой 2 МГц значение PGA должно быть настроено таким образом, чтобы максимум сигнала АЦП составлял приблизительно 650 кодов. Если функция AGC включена, это можно сделать, установив USS_AGC_CONSTANT = 56. Кроме того, в файле USS_userConfig.h определите #define USS_ALG_RATIO_OF_TRACK_LOBE 0.2. Это значение используется в Algorithms_API для расчета абсолютного времени пролета (AbsToF).

Зачем использовать различные значения USS_AGC_CONSTANT для датчиков с частотой 1 МГц и 2 МГц? Ограничивает ли изменение этого значения диапазон, в котором AGC может изменять усиление с 60 дБ до 54 дБ при использовании датчика 2 МГц? Существуют ли какие-либо ограничения при использовании частот возбуждения датчиков от 200 кГц до 500 кГц с расходомерами газа?

Причина установки параметра USS_AGC_CONSTANT = 54 для датчика 2 МГц заключается в том, что внутренняя PGA на чипе и SDHS поддерживает более низкий уровень сигнала для сигналов 2 МГц по сравнению с сигналами 1 МГц до того как сигнал начнет искажаться. Такое более низкое значение для 2 МГц приводит к тому, что на выходе АЦП имеется приблизительно 600…700 кодов АЦП, что ограничивает доступный диапазон АЦП на 1 бит для датчиков 2 МГц.

Для расходомеров газа, которые используют датчики с частотами 200…500 кГц, значение USS_AGC_CONSTANT может быть таким же, поскольку частотная характеристика встроенного SDHS одинакова на всех этих более низких частотах. Дополнительную информацию о частотных характеристиках модуля SDHS можно найти в разделе «Цифровой выходной сигнал» «Руководства пользователя семейства микроконтроллеров MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx».

Можно ли прикладывать напряжение смещения к принимаемому сигналу во время передачи или его следует прикладывать после передачи, перед дискретизацией входного сигнала? Это относится к разделу «События шести временных меток» в «Руководстве пользователя семейства микроконтроллеров MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx».

Напряжение смещения к принимаемому сигналу также можно прикладывать одновременно с приложением напряжения смещения к передаваемому сигналу.

В ходе измерения расхода воды в примере программы от TI для всех микроконтроллеров MSP430FR6047 версии B используется значение TMC = 0, что обеспечивает одновременное прикладывание смещений как к принимаемому, так и к передаваемому сигналу.

При измерении расхода газа стандартная конфигурация от TI подразумевает приложение смещения к принимаемому сигналу через 200 мкс после приложения смещения к передаваемому сигналу и при приложении импульсов возбуждения к передаваемому сигналу.

Каковы аспекты использования функции калибровки расходомера в проекте расходомера воды или панели калибровки в программном интерфейсе Ultrasonic Sensing Design Center?

В плане калибровки расходомера в программном интерфейсе Ultrasonic Sensing Design Center параметр конфигурации «Volume Flow Rate Calibration Ranges» («Диапазоны калибровки объемного расхода») на панели «Parameters» («Параметры») кнопка «Adv Calibration Table» («Таблица калибровки Adv») на панели «Waveforms» («Осциллограммы») и панель «Calibration» («Калибровка») являются взаимозависимыми;

Следуйте инструкциям в разделе «Калибровка» «Руководства пользователя USS Design Center», чтобы откалибровать свое устройство для нескольких диапазонов. После того как панель калибровки в программном интерфейсе будет заполнена правильными значениями крутизны и смещений для каждого диапазона, выполните следующие шаги:

  • отключите расходомер от программного интерфейса;
  • перейдите на вкладку «Waveforms» и нажмите кнопку «Adv Calibration Table»;
  • сгенерируйте заголовочные файлы и перепрограммируйте устройство с обновленными заголовочными файлами.

ПРИМЕЧАНИЕ. Использование таблицы калибровки расходомера для нескольких диапазонов отключено в демонстрационном приложении для расходомера воды по умолчанию. Пользователь может активировать эту функцию на вкладке осциллограмм программного интерфейса пользователя.

Чтобы разрешить использование сгенерированной таблицы калибровки расходомера по умолчанию, без подключения к программному интерфейсу, пользователь приложения должен отредактировать функцию USSLibGUIApp_Init() в файле USSLibGUIApp.c и закомментировать строку кода, которая устанавливает gUssSWConfig.algorithmsConfig → numOfMeterCalibrationRanges в ноль.

Как пользователь может настроить количество выборок, используемых для вычисления статистики в программном интерфейсе Ultrasonic Sensing Design Center?

Пользователь может обратиться к панели управления «Waveform Options» («Параметры формы сигнала»), кликнув правой кнопкой мыши по графику и выбрав «Graph Options» («Параметры графика»). Дополнительную информацию можно найти в разделах «Статистика» и «Параметры осциллограммы» в «Руководстве пользователя Ultrasonic Sensing Solution Design Center». Блок-схема на рисунке 4 должна помочь в использовании системы.

Рис. 4. Блок-схема калибровки расходомера

Рис. 4. Блок-схема калибровки расходомера

ПРИМЕЧАНИЕ. Использование таблицы калибровки расходомера для нескольких диапазонов отключено в демонстрационном приложении для расходомера воды по умолчанию. Пользователь может активировать эту функцию на вкладке осциллограмм программного интерфейса пользователя.

Дополнительные материалы

  1. Ultrasonic Design Center для микроконтроллеров MSP430
  2. Модуль оценки ультразвукового измерения расхода на основе MSP430FR6047
  3. Руководство по аппаратному обеспечению EVM430-FR6047
  4. Пример разработки ультразвуковой измерительной подсистемы для измерения расхода воды
  5. Руководство пользователя микроконтроллеров семейства MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx
  6. Модуль оценки ультразвукового измерения расхода на основе MSP430FR6043
  7. Руководство по аппаратному обеспечению EVM430-FR6043
  8. Пример разработки ультразвуковой измерительной подсистемы для измерения расхода газа

Оригинал статьи

Перевел Александр Леонович по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
MSP430FR6043IPNR (TI)
MSP430FR60431IPN (TI)
MSP430FR60431IPNR (TI)
MSP430FR6043IPN (TI)
MSP430FR6041IPN (TI)
MSP430FR6041IPNR (TI)
MSP430FR50431IPMR (TI)
MSP430FR5043IPMR (TI)
MSP430FR50431IRGCR (TI)
MSP430FR5043IRGCR (TI)
MSP430FR5041IRGCT (TI)
MSP430FR5041IPM (TI)
MSP430FR5041IPMR (TI)
MSP430FR5041IRGCR (TI)
MSP430FR6047IPZ (TI)
MSP430FR60471IPZ (TI)
MSP430FR60471IPZR (TI)
MSP430FR6047 (TI)
MSP430FR6045IPZ (TI)
MSP430FR6045IPZR (TI)