Типовой проект ультразвуковой подсистемы для измерения расхода газа

31 октября

учёт ресурсовавтоматизациялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Эдди Лакост, Леонардо Эстевес (Texas Instruments)

Компания Texas Instruments представляет полное описание типовой разработки подсистемы для измерения расхода газа ультразвуковым методом. Возбуждение датчика и захват сигналов в подсистеме осуществляются с использованием внутреннего модуля ультразвукового зондирования микроконтроллера MSP430FR6043.

Перед вами типовой проект, созданный в помощь разработчикам для проектирования подсистемы ультразвукового учета газа с использованием интегрированного модуля ультразвукового зондирования (Ultrasonic Sensing Solution, USS), который обеспечивает превосходные метрологические характеристики, малое энергопотребление и максимальную интеграцию. Конструкция основана на микроконтроллере (MCU) MSP430FR6043 64 кбайт со встроенной функцией высокоскоростного захвата сигналов на основе АЦП и встроенным малопотребляющим ускорителем (Low-Energy Accelerator, LEA) для оптимизации цифровой обработки сигналов.

Ресурсы

Функциональные возможности:

  • лучшая в своем классе метрологическая характеристика: дрейф нулевого потока (ZFD) ± 250 пс и стандартное отклонение одиночного импульса 500 пс на датчиках 200…500 кГц;
  • пониженное энергопотребление: <20 мкА для датчиков 200…500 кГц с одним набором комплексных результатов в секунду;
  • гибкость для работы с различными трубами и датчиками;
  • простота тестирования и настройки с помощью графического интерфейса пользователя (Graphical User Interface, GUI) центра ультразвукового зондирования и библиотеки программного обеспечения ультразвукового зондирования (Ultrasonic Sensing, USS);
  • точность измерения потока: ± 1% до 12000 л/ч с динамическим диапазоном 200:1;
  • минимальная обнаруживаемая скорость потока: 3 л/ч;
  • особенности обработки на основе захвата формы волны:
    • надежные рабочие характеристики на фоне изменения характеристик датчика температуры;
    • простота калибровки расходомера, нечувствительность к изменениям характеристик датчика;
    • возможность диагностировать расходомер, например, контролировать старение датчика и внешние шумовые помехи;
    • встроенная автоматическая регулировка усиления (Automatic Gain Control, AGC) позволяет динамически справиться с изменением состояния окружающей среды датчика или газа.

Области применения:

Описание системы

Типовой проект TIDM-02003 создан с использованием микроконтроллера MSP430FR6043, созданного компанией Texas Instruments, и других дискретных компонентов. Реализация основана на расчете разности времени пролета сигнала (Time Of Flight, ToF) и использовании двух датчиков для путей против потока и по потоку. Возбуждение датчика и захват сигналов осуществляются с использованием внутреннего модуля ультразвукового зондирования микроконтроллера MSP430FR6043. Затем сигнал обрабатывается серией алгоритмов с использованием малопотребляющего ускорителя микроконтроллера MSP430™ для быстрого и эффективного расчета необходимых выходных данных.

В этом типовом проекте используется оценочный комплект EVM430-FR6043, специально предназначенный для ультразвукового зондирования, например, для расходомеров газа. EVM содержит разъем для взаимодействия с другими подключаемыми модулями BoosterPack™, позволяющими подключать дополнительные функции, такие как беспроводная связь. Пример содержит всю необходимую документацию по аппаратному обеспечению проекта.

Программное обеспечение предоставляется компанией TI в модульном и портативном вариантах с использованием программного обеспечения MSP430Ware™ и библиотеки ультразвукового измерения газа MSP430.

Данный проект также обращается к центру ультразвукового проектирования, который позволяет разработчикам изменять и оптимизировать различные параметры конфигурации с помощью простого в использовании графического интерфейса пользователя. Центр проектирования USS позволяет пользователям легко внедрять и настраивать различные приемопередатчики, не изменяя код приложения в примере проекта.

Документация по проектированию содержит исходный код для примера приложения и соответствующие проекты «Code Composer Studio™ IDE» и «IAR Embedded Workbench® IDE».

Основные технические характеристики системы представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики системы

Параметр Характеристики
Дрейф нулевого потока (ZFD), пс (тип.) ± 250
Стандартное отклонение одиночного импульса (STD), пс <500
Минимальный обнаруживаемый поток (MDF), л/ч 3
Среднее потребление тока (IAVG), мкА <20

Обзор системы 

Блок-схема TIDM-02003 представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема TIDM-02003

Рис. 1. Блок-схема TIDM-02003

Измерение расхода

Конструкция ультразвукового газового расходомера основана на принципе измерения ToF (времени пролета сигнала). Это измерение относится ко времени, которое требуется для перемещения сигнала от передающего к приемному датчику.

На рисунке 2 показана проточная труба.

Рис. 2. ToF в расходомере

Рис. 2. ToF в расходомере

T12 – время распространения сигнала, проходящего от первого датчика (XDR1) ко второму датчику (XDR2). T21 – время распространения сигнала в противоположном направлении. Рассчитайте эти временные интервалы в соответствии с формулами 1, 2 и 3, в зависимости от скорости ультразвука в газе и скорости газового потока. Поскольку эта длина намного больше радиуса трубы r, длина распространения волны, которая перпендикулярна потоку, при последующем анализе считается незначительной:

$$T_{12}=\frac{L}{c+v}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

$$T_{21}=\frac{L}{c-v}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

$$\Delta t=T_{21}-T_{12},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где:

  • с – скорость ультразвука в среде;
  • v – скорость потока газа;
  • L – длина распространения в трубе вдоль потока газа.

Используйте формулы 1…3, чтобы вывести скорость потока газа (v), что возможно даже без знания скорости ультразвука в среде (с).

В этом типовом проекте расход газа рассчитывается с учетом предположения, что скорость ультразвука неизвестна. В этом случае из формул 1 и 2 выведите формулу 4, исключив «c»:

$$v=\frac{L}{2}\times \left(\frac{1}{T_{12}}-\frac{1}{T_{21}} \right)=\frac{L}{2}\times\left(\frac{T_{21}-T_{12}}{T_{21}\times T_{12}} \right)=\frac{L}{2}\times\frac{\Delta T}{T_{21}\times T_{12}}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Используя формулу 4, рассчитайте фактическое время распространения T12 и T21 в двух направлениях вдоль поперечного сечения трубы.

Измерение времени пролета (ToF)

В данном типовом проекте, контроллер MSP430FR6043 выполняет полный процесс сбора данных, используя модуль USS в устройстве для формирования сигнала. Этот процесс захвата показан на рисунке 3.

Рис. 3. Шаг интерполяции для дифференциального ToF

Рис. 3. Шаг интерполяции для дифференциального ToF

В начале работы контроллер MSP430FR6043 отправляет последовательность импульсов первому датчику XDCR1. Затем сигнал принимается вторым приемопередатчиком, – XDCR2, – спустя интервал времени распространения сигнала T12. Разницу во времени между передачей и приемом определяет ToF против потока (UPS) или ToFUPS.

Микроконтроллер MSP430FR6043 повторяет тот же процесс в обратном направлении по потоку, что приводит к получению интервала времени распространения сигнала T21, которое представляет ToF по потоку (DNS) или ToFDNS.

Значение DToF Δt затем может быть рассчитано как разность между T12 и T21 согласно формуле 3.

DToF обычно измеряется с помощью двух методов: пересечения нуля с использованием преобразователя «время-цифровой код» (Time-to-Digital Converter, TDC) или с помощью корреляции с использованием захваченного сигнала АЦП.

Конструкция TIDM-02003 использует метод на основе АЦП вместо метода TDC благодаря следующим преимуществам:

  • Улучшенная производительность. Корреляция действует как цифровой фильтр для подавления помех, что приводит к снижению стандартного отклонения помех примерно в три-четыре раза. Аналогичным образом корреляционный подход действует как фильтр нижних частот, который подавляет другие влияния, например, помехи линии.
  • Повышенная устойчивость к изменениям амплитуды сигнала. Поскольку алгоритм нечувствителен к амплитуде принимаемого сигнала, изменению между датчиками и изменению температуры.
  • Огибающая сигнала получена естественным путем. Этот сигнал позволяет настраиваться на частоты датчика, а также на медленные изменения огибающей во времени, что может использоваться для поддержания производительности даже при старении датчиков или расходомеров.

Процесс захвата данных с помощью АЦП

Процесс сбора данных с помощью АЦП, реализованный в этом типовом проекте, активно использует аппаратные возможности модуля USS в микроконтроллере MSP430FR6043, включая генерацию импульсов и высокоскоростной сигма-дельта-АЦП для полной автоматизации процесса выборки. Этот процесс не только обеспечивает более точное управление выборкой без зависимости от задержек ЦП и компиляторов, но и снижает энергопотребление, поскольку ЦП находится в режиме пониженного потребления 3 (LPM3) во время измерения.

На рисунке 4 показана временная диаграмма процесса захвата сигнала. Этапы захвата сигнала:

  • в начале процесса (t0) устройство инициализирует модуль USS, который запускает внутренние часы, зависящие от USSXT, и процесс генерации импульсов;
  • процессор переходит в режим пониженного потребления LPM0 после запуска модуля USS, ожидая завершения последовательности измерений. Эта последовательность также включает в себя получение сигнала высокоскоростным сигма-дельта-АЦП, при этом захваченные данные хранятся в ОЗУ, совместно используемой процессором и модулем LEA;
  • после последней выборки модуль USS автоматически активирует процессор при помощи соответствующего прерывания;
  • процессор готовится перейти в режим LPM3 в конце времени преобразования (tEoC);
  • после указанного интервала UPS-DNS (tUPS-DNS-GAP) ЦП запускает модуль USS для обработки других (DNS) каналов. Процессор переходит в режим LPM0, ожидая выборки и измерения DNS;
  • после получения последней выборки для DNS модуль USS автоматически активирует процессор с помощью прерываний;
  • процессор обрабатывает данные и получает дельта-время пролета сигнала (DTOF) и абсолютное время пролета сигнала (AbsToF) для каналов DNS и UPS, а также объемный расход (VFR). После завершения обработки ЦП переходит в режим LPM3 на время tDNS-UPS-GAP, которое представляет собой промежуток между окончанием текущего измерения и началом следующего измерения.

Рис. 4. Захваченный сигнал и огибающая АЦП для расчета AbsToF

Рис. 4. Захваченный сигнал и огибающая АЦП для расчета AbsToF

Библиотека ультразвукового зондирования для измерения расхода

Этот пример практического проектирования предназначен для объяснения некоторых ключевых концепций реализации ультразвукового расходомерного метрологического решения, поэтому важно отметить, что в предлагаемом решении используется Библиотека ультразвукового зондирования расходомера, которая реализует несколько собственных алгоритмов компании TI для захвата и обработки сигнала, а также для расчета ToF и расхода газа.

Библиотека ультразвукового измерения расхода и документация доступны для скачивания по ссылке USSSWLibrary.

Конструкция с пониженным потреблением

Модуль USS в микроконтроллере MSP430FR6043, используемый в данной конструкции, предназначен для удовлетворения требований к пониженному потреблению в газовых расходомерах. Хотя потребление тока системой зависит от расходомера, датчиков и конфигурации приложения, решение было разработано для потребления приблизительно 2,5 мкА с использованием датчиков с частотой 1 МГц, выполняющих одно измерение в секунду. Это включает в себя один UPS, одно измерение DNS в секунду и соответствующую обработку сигнала. Потребление учитывается только в процессе измерения и не включает никакое потребление тока между измерениями, которое может быть использовано для другой несвязанной обработки прикладного уровня или для перевода устройства в режим пониженного энергопотребления, например, LPM3. Более подробно об измерениях энергопотребления рассказывается в разделе «Среднее потребление тока».

Функции с пониженным потреблением, реализованные в этом типовом проекте:

  • энергоэффективное программное обеспечение;
  • оптимизированная аппаратная конструкция, встроенная в микроконтроллер MSP430FR6043;
  • эффективное использование FRAM;
  • используются возможности малопотребляющего сопроцессора LEA по обработке сигналов.

Энергоэффективное программное обеспечение

Прикладное программное обеспечение и библиотека для измерения расхода воды ультразвуковым датчиком, используемая в конструкции TIDM-02003, позволяют максимально использовать режимы с пониженным энергопотреблением. Как только это становится возможным, микроконтроллер входит в режим с минимальным из доступных уровней энергопотребления.

Оптимизированная конструкция аппаратного обеспечения

В конструкции TIDM-02003 используется не только платформа MSP430, которая сочетает в себе высокую производительность с лучшим в отрасли сверхнизким энергопотреблением, но и все внешние компоненты, которые были выбраны для достижения максимальной энергоэффективности.

Эффективное использование FRAM

Микроконтроллер MSP430FR6043 использует технологию памяти FRAM, объединяющей лучшие функции Flash-памяти и оперативной памяти. FRAM это энергонезависимая память, обладающая быстрой записью с низким энергопотреблением, ресурсом записи 1015 циклов, устойчивостью к излучению и электромагнитным полям и непревзойденной гибкостью.

Использование этой технологии приводит к созданию приложения, которое записывает и регистрирует данные более эффективно, чем его аналоги на основе Flash-памяти.

Приложение, представленное в этом программном пакете, использует FRAM для хранения таких энергонезависимых переменных как конфигурация, полученная из графического интерфейса. Это хранилище позволяет пользователям перенастраивать устройство в процессе работы и сохраняет конфигурацию после последующих циклов питания.

Разработчики измерительных приложений могут использовать FRAM для реализации многих дополнительных функций, среди них:

  • ведение лога статистических данных, таких как дифференциальное ToF, абсолютное время пролета сигнала (abs ToF) или объемный расход;
  • регистрация ошибок и неисправностей в энергонезависимой памяти;
  • сохранение и восстановление состояния устройства до сбоя питания (подробнее об этом – в материалах “TIDM-FRAM-CTPL”.

Преимущества LEA

Проект TIDM-02003 также обеспечивает эффективное использование LEA, доступного в микроконтроллере MSP430FR6043.

LEA – это 16-битный аппаратный механизм, предназначенный для выполнения обработки сигналов, умножения матриц и других операций, которые включают в себя векторную обработку сигналов, такую как FIR, IIR и FFT, без вмешательства ЦП. Эффективное использование этого модуля может привести к уменьшению времени выполнения типовых математических операций в 36,4 раза.

LEA используется библиотекой ультразвукового зондирования для измерения расхода с целью ускорения всех векторных операций в ее собственных алгоритмах. LEA не только сокращает время обработки многих операций, но также позволяет значительное время держать ЦП в состоянии малого энергопотребления.

Для получения дополнительной информации о LEA вы можете прочитать в документах «Low-Energy Accelerator (LEA) Frequently Asked Questions» («Часто задаваемые вопросы по малопотребляющему ускорителю (LEA)») и «Benchmarking the Signal Processing Capabilities of the Low-Energy Accelerator on MSP430 MCUs» (Сравнительный анализ возможностей обработки сигналов малопотребляющего ускорителя на микроконтроллерах MSP430).

Используемая элементная база 

MSP430FR6043

Семейство систем ультразвукового зондирования и измерительных систем MSP430FR604x на чипах (системах-на-кристалле) производства компании TI – это мощные высокоинтегрированные микроконтроллеры, оптимизированные для счетчиков газа и тепла. Микроконтроллер MSP430FR6043 имеет встроенный модуль USS, который обеспечивает высокую точность для широкого диапазона скоростей потока. Модуль USS помогает достичь измерения сверхмалого энергопотребления в сочетании с более низкими системными затратами, благодаря максимальной интеграции, требующей небольшого количества внешних компонентов. В микроконтроллере MSP430FR6043 реализован высокоскоростной захват сигналов на основе АЦП с последующей оптимизированной цифровой обработкой с использованием встроенного модуля LEA для реализации высокоточного измерительного канала со сверхмалым энергопотреблением и батарейным питанием.

Модуль USS включает в себя программируемый генератор импульсов (Programmable Pulse Generator, PPG) и физический интерфейс (Physical Interface, PHY) с выходным драйвером с низким импедансом для оптимального возбуждения датчика и точного согласования импедансов, чтобы обеспечить наилучшие результаты для ZFD. Модуль также включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиления (Programmable Gain Amplifier, PGA) и высокоскоростной 12-разрядный сигма-дельта (ΣΔ) АЦП (SDHS) со скоростью преобразования 8 Мбит/с для получения точного сигнала от ультразвуковых датчиков промышленного стандарта.

Кроме того, микроконтроллер MSP430FR6043 использует другие периферийные устройства для улучшения системной интеграции в процессе измерений. Устройство имеет модуль интерфейса тестирования измерений (Metering Test Interface, MTIF), который реализует генерацию импульсов для индикации расхода, измеренного расходомером. Микроконтроллер MSP430FR6043 также содержит следующую периферию:

  • встроенный драйвер 8-знакового LCD;
  • часы реального времени;
  • 12-разрядный 16-канальный SAR АЦП;
  • аналоговый 16-канальный компаратор;
  • Четыре eUSCI_A для реализации универсального асинхронного приемника/передатчика (UART) IrDA или последовательного периферийного интерфейса (SPI);
  • два eUSCI_B для реализации I2C или SPI;
  • шесть 16-разрядных таймеров;
  • усовершенствованный ускоритель шифрования AES256;
  • модуль контроля с использованием циклического избыточного кода (CRC).

Платформа MSP430 со сверхмалым энергопотреблением памяти сочетает в себе уникальную встроенную FRAM и целостную архитектуру системы со сверхмалым энергопотреблением, что позволяет разработчикам систем повышать производительность при одновременном снижении энергопотребления. Технология FRAM сочетает в себе низкоэнергетическую быструю запись, гибкость и долговечность оперативной памяти с энергонезависимой Flash-памятью.

В разработке TIDM-02003 микроконтроллер MSP430FR6043 используется не только в качестве главного процессора, взаимодействующего с графическим интерфейсом ПК, но и для выполнения измерений в автоматическом режиме.. Мощные периферийные устройства микроконтроллера MSP430FR6043, в частности модуль USS, вместе с технологией FRAM и LEA позволяют точно и эффективно использовать ультразвуковой расходомер газа.

OPA836 и OPA838

OPA836 – это одноканальные операционные усилители со сверхмалым энергопотреблением, с rail-to-rail по выходу и V-по входу, с обратной связью по напряжению (VFB), которые работают в диапазоне питающих напряжений 2,5…5,5 В с одним источником питания или в диапазоне ± 1,25…2,75 В с двумя источниками питания. Потребляя всего 1 мА на канал и имея полосу пропускания с единичным усилением 205 МГц, этот усилитель устанавливает лучшее в отрасли соотношение мощности и производительности для rail-to-rail ОУ.

В сочетании с режимом энергосбережения, допускающим снижение тока до <1,5 мкА, это устройство предлагает привлекательное решение для высокочастотных усилителей в чувствительных к энергопотреблению приложениях.

В проекте TIDM-02003 OPA836 используется для реализации эффективного двухступенчатого усилителя, обеспечивающего желаемое усиление и полосу пропускания. Первичный усилитель с высоким коэффициентом усиления реализован с использованием OPA836 благодаря таким свойствам как:

  • малый уровень шума на входе: 4,6 нВ/√Гц при 100 кГц;
  • высокая пропускная способность: 205 МГц;
  • малое энергопотребление: 0,5 мкА в режиме пониженного потребления энергии и ток покоя 1 мА.

Поскольку коэффициент усиления вторичного усилителя ниже чем у первичного, требования к низкому уровню входного шума и ширине полосы не столь критичны. Внутренний программируемый усилитель усиления (PGA) MSP430FR6043 используется для обеспечения вторичного усиления от –6,5 дБ до 30,8 дБ.

Операционный усилитель OPA838 может обеспечить улучшенные характеристики стандартного отклонения до 2,5 раз ниже, чем OPA836, и является его полноценной заменой.

TS5A9411

TS5A9411 представляет собой реверсивный однополюсный переключатель на два направления (Single-Pole Double-Throw, SPDT), который работает в диапазоне напряжений 2,25…5,5 В. Устройство имеет малое значение сопротивления во включенном состоянии, низкий уровень утечки и низкое энергопотребление с функцией переключения с разрывом до включения. Эти функции делают его пригодным для портативных и чувствительных к энергопотреблению приложений. TIDM-02003 использует TS5A9411 для эффективного и не имеющего искажений переключения сигналов передачи и приема от микроконтроллера к двум приемопередатчикам.

Теоретические основы проектирования системы

Подход на основе АЦП для оценки дифференциального ToF и AbsToF основан на методах корреляции.

Обработка сигналов для ToF

Формула 5 определяет обработку сигнала для времени прохождения:

$$r_{2}^i=r_{2}\left(\frac{i}{f_{s}} \right),\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где:

  • fs частота дискретизации АЦП;
  • i – индекс выборки;
  • r2(t) – принятый ультразвуковой сигнал на выходе датчика 2 (захват по потоку).

Аналогично, пусть принятый сигнал на датчике 1 (захват против потока) r1(t) представлен вектором данных (формула 6):

$$\bar{r_{1}}=\left\{r_{1}^1,\:r_{1}^2,\:r_{1}^3\:…,\:r_{1}^N \right\}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Например, для частоты выборки f s = 4000 кГц и длительности захвата 40 мкс размер принятых векторов данных N = 160.

На основе r1 и r2 значение корреляции corr(k) вычисляется по формуле 7:

$$corr(k)=\sum_{i=1}^{N}{r_{1}^{i+k}r_{2}^k};\:for\;k=\left\{-m,\:-(m-1),…,-1,0,1,\:…,(m-1),\:m \right\}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

где:

  • значения для r1i и r 2i = 0 для i < 1;
  • i > N

Максимум корреляции рассчитывается по формуле 8:

$$\hat{k}=max_{k}(corr(k)),\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

где \(Z_{-1}=corr(\hat{k}-1);\:Z_{0}=corr(\hat{k});\:Z_{+1}=corr(\hat{k}+1).\)

Эти переменные являются значениями корреляции на максимумах и вблизи них. Реальный максимум корреляции теперь определяется интерполяцией (см. уравнение 9).

$$\delta =interp_{max}\left\{Z_{-1},\:Z_{0},\:Z_{+1} \right\}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

DToF теперь задается формулой 10:

$$T_{12}^{corr}=\left(\hat{k}-m+ \delta \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Для эффективной реализации в качестве значения m выбирается +1, предполагая, что только три корреляции (Z-1, Z0 и Z+1) вычисляются большую часть времени. На рисунке 3 (см. выше) показаны предыдущие взаимозависимости.

С расчетами ToF, основанными на корреляции, можно ознакомиться в документе «MSP430FR58xx, MSP430FR59xx, and MSP430FR6xx Family User’s Guide» («Руководстве пользователя семейства MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx»). Эффективные методы интерполяции приведены в ljrevtynt “EVM430-FR6043 Hardware Guide” (Руководстве по аппаратному обеспечению EVM430-FR6043). Как упоминалось ранее, для эффективности реализации корреляция вычисляется только по нескольким точкам, что приводит к реализации с низким энергопотреблением.

Оценка точного absToF в газе означает, что для расчета скорости звука в газе датчик температуры не требуется. В библиотеке USS SW, используемой в этом примере практического проектирования, absToF определяется путем вычисления огибающей принятого сигнала. Максимум сигнала для каждого захвата вычисляется первым. Затем определяется пересечение огибающей как заданное отношение этого максимума. Затем рассчитывается absToF по постоянному смещению от этого пересечения порога огибающей, как показано на рисунке 4 (см. выше) и в формуле 11. 

UPS и DNS absToF задаются формулой 11:

$$T_{ups}^{abs}=T_{prop}+T_{thresh}^{ups}-T_{offset};\:T_{dns}^{abs}=T_{prop}+T_{thresh}^{dns}-T_{offset},\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Tprop – это время распространения сигнала, которое предварительно запрограммировано из графического интерфейса центра проектирования USS или приложения либо конфигурации приложения, и соответствует приблизительному времени распространения ультразвукового сигнала в данном расходомере.

Как правило, это значение может составлять 35…70 мкс. Пороговые параметры Tthreshups и T threshdns соответствуют времени от запуска АЦП до огибающей, пересекающей определенное соотношение (обычно выбираемое равным 20%) от максимума сигнала.

Аппаратное и программное обеспечение, требования к испытаниям и результаты испытаний 

Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение, используемое для этого типового проекта, создано на базе модуля оценки ультразвукового зондирования EVM430-FR6043.

EVM430-FR6043

Оценочный комплект EVM430-FR6043 является платформой для разработки, которую можно использовать для оценки производительности микроконтроллера MSP430FR6043 для ультразвуковых датчиков, например, интеллектуальных газовых расходомеров. Комплект представляет собой гибкое решение, позволяющее инженерам быстро оценивать работу контроллера MSP430FR6043 с различными ультразвуковыми датчиками, работающими на частотах до 2,5 МГц. Модуль EVM может отображать параметры измерения с помощью ЖК-дисплея, а также передавать их по радиоканалу через подключаемые модули беспроводной передачи данных.

Комплект EVM430-FR6043 может работать от USB, но он включает в себя и внешнее питание. EVM также имеет контакты для подключаемого модуля BoosterPack; для взаимодействия с внешними платами через различные интерфейсы, такие как I2C, SPI, UART или GPIO; а также радиочастотные коммуникационные модули. EVM имеет схему эмуляции eZ-FET для программирования и отладки, при этом отладочные данные можно отображать на ЖК-дисплее.

При использовании USB в качестве источника питания нужно установить переключатель S5 в среднее положение (ezFET). При использовании внешнего источника питания установите переключатель S5 в верхнее положение (External), как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Выбор питания eZ-FET

Рис. 5. Выбор питания eZ-FET

На рисунке 6 показаны перемычки J1 и J3, установленные для источника питания USB (ezFET).

Рис. 6. Конфигурация перемычки питания USB (eZ-FET)

Рис. 6. Конфигурация перемычки питания USB (eZ-FET)

ПРИМЕЧАНИЕ. Все результаты испытаний, представленные в этом руководстве, получены при использовании внешнего источника питания (EXT_POW).

Программное обеспечение

На рисунке 7 показана программная архитектура, реализованная в этом типовом проекте. Программное обеспечение реализовано в модульном и портативном видах. Основные компоненты включают в себя библиотеку драйверов MSP430 (DriverLib), библиотеку ультразвукового зондирования для измерения расхода (USS SW LIB), приложение и графический интерфейс пользователя центра ультразвукового проектирования.

Рис. 7. Архитектура программного обеспечения

Рис. 7. Архитектура программного обеспечения

В этот типовой проект включены только тесты микроконтроллера MSP430FR6043 с использованием оценочного комплекта EVM430-FR6043. Пакет программного обеспечения включает в себя исходный код приложения, библиотеку ультразвукового зондирования для измерения расхода в двоичном формате и соответствующие проекты IAR и CCS. Основные программные компоненты описаны в следующих разделах.

Библиотека драйверов MSP (MSL DriverLib)

Библиотека драйверов (DriverLib) включает в себя набор API для выбранных семейств MSP430, упрощающих использование нужных функций. Инструкция к каждому API содержится в руководстве пользователя.

Конструкция TIDM-02003 использует библиотеку драйверов MSP для взаимодействия со всеми аппаратными модулями, используемыми приложением от интерфейса eUSCI_A, который применяется для асинхронной связи ПК с модулем USS и затем используется для выборки входящего сигнала. Эта функция не только упрощает миграцию на другие микроконтроллеры MSP430FR604x, но также облегчает чтение и понимание кода с помощью общеязыковых API.

Исходный код в пакете программного обеспечения включает в себя все файлы DriverLib, используемые этим приложением. MSP DriverLib и документация также доступны по ссылке MSPDRIVERLIB.

Библиотека ультразвукового зондирования для измерения расхода

Библиотека ультразвукового зондирования для измерения расхода включает в себя запатентованные алгоритмы для захвата и обработки сигнала, полученного от приемопередатчиков, а также для вычисления ToF и расхода газа. Библиотека включает в себя простой в реализации набор полностью документированных API-интерфейсов для упрощения расчетов ультразвуковых измерений и обеспечения более быстрой реализации приложения. Полный список параметров позволяет разработчикам настраивать систему в соответствии с различными требованиями к оборудованию и приемопередатчику.

Библиотека ультразвукового зондирования для измерения расхода, используемая приложением, включена в формат библиотеки CCS и IAR. Эта библиотека и документация к ней доступны по ссылке USSFlowLibrary.

Применение

На рисунке 8 показана блок-схема приложения.

Рис. 8. Блок-схема приложения

Рис. 8. Блок-схема приложения

Приложение запускается с инициализацией основных функциональных возможностей системы, включая периферийные устройства, часы и входы/выходы, с последующей инициализацией периферийных устройств HMI, включая ЖК-дисплей, связь с графическим интерфейсом, кнопки и светодиоды. Наконец, система выполняет начальную настройку ультразвуковой подсистемы и ее алгоритмов.

После инициализации приложение остается в непрерывном цикле, выполняя следующие задачи:

  • Предварительное измерение HMI выполняет функции взаимодействия с пользователем перед ультразвуковым измерением, например, проверяет, есть ли у графического интерфейса пользователя новая конфигурация для отправки или пользователь нажал кнопку.
  • Измерение USS выполняет ультразвуковое измерение. Результатом этой функции является дискретизированный сигнал АЦП.
  • Последующее измерение HMI выполняет функции взаимодействия с пользователем после измерения, например, отправка формы сигнала АЦП в графический интерфейс.
  • Алгоритмы USS запускают ультразвуковые алгоритмы на осциллограмме АЦП для расчета данных, таких как ToF и объемный расход.
  • Последующие алгоритмы HMI выполняют функции взаимодействия с пользователем после выполнения алгоритмов. Включают в себя отправку результатов в графический интерфейс или отображение их на ЖК-дисплее.
  • Задержка. Устройство переходит в состояние пониженного энергопотребления в ожидании следующего цикла.

Архитектура и реализация приложения более подробно описаны в документации “Application Software (SW) for MSP430FR6043-Based Ultrasonic Gas Flow Meter” «Прикладное программное обеспечение (SW) для ультразвукового газового расходомера на основе MSP430FR6043».

Настройка приложения

Приложение ультразвукового газового расходомера, включенное в этот типовой проект, предоставляется в исходном коде, чтобы разработчики могли настроить его в соответствии со своими потребностями. Разработчики могут настраивать функциональные возможности и поведение приложения по мере необходимости, но наиболее распространенными являются следующие параметры:

  • Изменение конфигурации USS по умолчанию. Хотя графический интерфейс пользователя центра проектирования позволяет разработчикам изменять различные ультразвуковые параметры конфигурации, как описано в разделе «Центр проектирования USS (ПК с графическим интерфейсом)», приложение включает в себя исходный код файлов конфигурации, который можно изменить, чтобы настроить конфигурацию системы по умолчанию.
  • Настройка оборудования. Приложение разработано по модульному принципу, включая уровень аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Layer, HAL) для формирования аппаратных взаимодействий. Эта функция упрощает настройку различных аппаратных требований разработчиков и миграцию между платформами TI.
  • Настройка обработки данных. Библиотека включает в себя собственные алгоритмы, которые используются для обработки захваченных сигналов АЦП и получения информации о расходе. Тем не менее, разработчики могут реализовать собственные алгоритмы, чтобы добавить собственный IP или попытаться оптимизировать производительность системы.
  • Изменение конфигурации приложения по умолчанию. Приложение поддерживает несколько функций, которые могут быть включены, отключены или настроены разработчиками. Данные функции перечислены в таблице 2.

Таблица 2. Конфигурация функций приложения

Функция Описание Определения
Калибровка резонатора Приложение периодически калибрует резонатор, используя кристалл 32 кГц в качестве эталона. Полученное значение используется как поправочный коэффициент для расчетов ToF. USS_APP_RESONATOR_CALIBRATE
USS_APP_RESONATOR_CALIBRATE_INTERVAL
Автоматическая регулировка усиления Приложение периодически рассчитывает оптимальную настройку усиления. USS_APP_AGC_CALIBRATE
USS_APP_AGC_CALIBRATE_INTERVAL
Отмена смещения постоянного тока Приложение рассчитывает и отменяет смещение постоянного тока захваченных сигналов АЦП. USS_APP_DC_OFFSET_CANCELLATION
USS_APP_DC_OFFSET_CANCELLATION_INTERVAL

Более подробно настройка приложения описана в документе “Application Software (SW) for MSP430FR6043-Based Ultrasonic Gas Flow Mete” «Прикладном программном обеспечении (SW) для ультразвукового газового расходомера на основе MSP430FR6043».

Автономный режим работы с выводом данных на ЖК-дисплей

Приложение поддерживает автономный режим, который можно использовать для отображения различных результатов измерения расхода с помощью ЖК-дисплея и кнопок. Чтобы войти в этот режим, нажмите кнопку навигации UP («Вверх»). ЖК-дисплей включается, чтобы отобразить первое из измерений (мгновенный расход). Нажмите кнопку навигации LEFT («Влево») и RIGHT («Вправо»), чтобы просмотреть результаты измерений:

  • мгновенный расход;
  • средний расход;
  • объем;
  • напряжение батареи;
  • мгновенное дифференциальное ToF;
  • среднее дифференциальное ToF;
  • стандартное отклонение дифференциального ToF.

Нажмите навигационную кнопку UP («Вверх») еще раз, чтобы выключить ЖК-дисплей и выйти из этого режима.

На рисунке 9 показана отдельная блок-схема.

Рис. 9. ЖК-дисплей и кнопки состояний

Рис. 9. ЖК-дисплей и кнопки состояний

Центр проектирования USS (ПК с графическим интерфейсом)

Графический интерфейс центра проектирования ультразвуковых датчиков MSP430, включенный в данный типовой проект, позволяет разработчикам изменять некоторые параметры конфигурации, необходимые для тестирования различных датчиков, а также наблюдать за работой системы в режиме реального времени.

Окно конфигурации отображается по умолчанию при открытии приложения (рисунок 10).

Рис. 10. Окно параметров конфигурации графического интерфейса

Рис. 10. Окно параметров конфигурации графического интерфейса

В окне конфигурации разработчики могут настраивать параметры, указанные в таблице 3.

Таблица 3. Описание параметров конфигурации графического интерфейса

Параметр Описание
Частота передачи, кГц Частота выходного импульса (кГц), используемая для возбуждения датчиков
Интервал между началом импульса и захватом АЦП, мкс Интервал в микросекундах между генерацией выходного импульса и дискретизацией принятого сигнала с использованием SDHS
Количество импульсов Количество импульсов, отправленных во время генерации
Интервал UPS и DNS, мкс Интервал в микросекундах между захватами против потока и по потоку
Интервал от UPS0 до UPS1, мс Интервал в миллисекундах между захватами, измеряемый от конца захвата по потоку до начала следующего захвата против потока
Управление усилением на основе графического интерфейса Настройка усиления PGA в дБ, принимающая только определенные значения, которые поддерживаются микроконтроллером MSP430FR6043
Константа расходомера Константа, используемая для расчета объемного расхода. Эта статическая константа связана с площадью поперечного сечения расходомера, которую поставщик должен предоставить для однократного ввода. Она также должна варьироваться, в зависимости от того, используется для отображения lph (л/ч) или gpm (галлоны в минуту).

На рисунке 11 показана панель конфигурации расширенных параметров.

Рис. 11. Окно конфигурации расширенных параметров GUI

Рис. 11. Окно конфигурации расширенных параметров GUI

На панели «Advanced Parameters Configuration» («Настройка расширенных параметров») находятся параметры, перечисленные в таблице 4.

Таблица 4. Описание дополнительных параметров конфигурации графического интерфейса

Параметр Описание
USSXT, кГц Частота резонатора X1 в кГц, подключенного к MSP430FR6043 на EVM430-FR6043
Частота дискретизации АЦП, кГц Зарезервировано
Частота дискретизации сигнала, кГц Частота дискретизации полученного сигнала в кГц
Частота дискретизации АЦП Коэффициент дополнительной выборки (Oversampling Ratio, OSR) SDHS. Значение 80 для частоты дискретизации сигнала в диапазоне 850…1000 кГц и 40 для частоты дискретизации в диапазоне 1,7…2,0 МГц.
Смещение Delta ToF, пс Смещение, чтобы компенсировать дельта-ToF в пикосекундах для любого ненулевого смещения
Дополнительная задержка абсолютного ToF, нс Время в наносекундах для компенсации неучтенных дополнительных задержек в абсолютном ToF
Продолжительность захвата, мкс Продолжительность захвата АЦП в микросекундах
Опция алгоритма Опция, включающая алгоритм Лобе или Гильберта
Порог пересечения огибающей Порог от пика корреляции AbsTOF
Запуск счета PPG, нс Время запуска импульса PPG в наносекундах
Запуск счета АЦП, нс Время для включения АЦП в наносекундах
Запуск PGA и счет смещения входа, нс Время для включения PGA и смещения входа в наносекундах
Счет стабилизации USS XTAL, мкс Время, выделенное для стабилизации кварцевого генератора USS после включения
Счет внешнего усилителя, нс Время, выделенное для стабилизации внешнего усилителя
Пользовательский параметр 8 Зарезервировано
Диапазон поиска Диапазон, в котором проводится поиск AbsTOF
Пользовательский параметр 10 Зарезервировано

Инструмент центра проектирования ультразвукового датчика MSP430 позволяет разработчикам наблюдать за поведением системы в режиме реального времени в окне Waveforms, показанном на рисунке 12. Этот инструмент отображает дельта-время пролета сигнала (DToF) на верхней панели, абсолютное время пролета сигнала против потока (AbsToFUPS) и абсолютное время пролета сигнала по потоку (AbsToFDNS), а также объемный расход (VFR). Графики отображают как мгновенное, так и среднее значение измерений.

Рис. 12. Окно кривых графического интерфейса центра проектирования USS

Рис. 12. Окно кривых графического интерфейса центра проектирования USS

Кроме того, также можно захватить и построить снимок сигнала для проверки его целостности с помощью панели захвата АЦП (рисунок 13). Панель позволяет пользователям непрерывно отслеживать форму сигнала, приходящего на АЦП, и выполнять дополнительную отладку, если это необходимо.

Рис. 13. Окно захвата формы сигнала АЦП утилиты USS

Рис. 13. Окно захвата формы сигнала АЦП утилиты USS

Датчик и расходомер

Цель этого типового проекта – показать реализацию ультразвукового внешнего интерфейса для расходомера, а не конструкцию датчика или расходомера. Разработки основаны на комбинации стандартных измерительных приборов, доступных у сторонних поставщиков, таких как Audiowell, CeramTec, Hurricane и Jiakang, а также у других производителей расходомеров. На рисунке 14 показаны подключения датчика между расходомером и EVM430-FR6043, когда расходомер находится в стационарном состоянии (нулевом потоке). Соединения не меняются даже во время проверки расхода.

Рис. 14. EVM430-FR6043, подключенный к расходомеру газа в стационарной установке

Рис. 14. EVM430-FR6043, подключенный к расходомеру газа в стационарной установке

Как объяснено в разделе «Измерение расхода», ультразвуковая передача сначала генерируется первым датчиком и принимается вторым после распространения сигнала через газовую среду. Затем второй датчик излучает ультразвуковой сигнал, который впоследствии принимается первым датчиком. В обоих случаях ультразвуковой сигнал, генерируемый датчиками, является результатом возбуждения (генерируемых импульсов) на частоте датчика модулем USS на микроконтроллере MSP430FR6043.

Частотная характеристика датчика и расходомера

Разные расходомеры и датчики имеют разные отклики; следовательно, важно определить частотный отклик расходомера для получения оптимальной производительности.

Для этой цели можно использовать графический интерфейс MSP430, разработанный в этом типовом проекте. Графический интерфейс включает в себя панель развертки по частоте. Подробно операции описаны в документе «Ultrasonic Sensing Design Center User’s Guide» («Руководство пользователя по центру проектирования ультразвукового зондирования»), а здесь приведено краткое описание.

Для запуска развертки выполните следующее шаги:

  • установите параметр F1 на вкладке Configuration («Конфигурация»), а затем установите параметр Number of Captures («Число захватов») на вкладке Frequency Sweep («Развертка по частоте»), чтобы определить диапазон, в котором следует выполнять развертку;
  • нажмите кнопку развертки по частоте и перейдите к нужному месту в файловой системе, где сохраняются данные развертки частоты, а затем нажмите кнопку Save («Сохранить»).

Инструмент развертки по частоте помогает определить, на какой частоте возбуждения датчика захват АЦП достигает максимальной амплитуды. Частота, на которой достигается пиковая амплитуда, должна использоваться в качестве нового параметра F1 для достижения самого сильного сигнала при конфигурировании расходомера. Например, на рисунке 15 значения 170…180 следует поместить в параметр F1.

Рис. 15. Результаты тестирования частотной характеристики

Рис. 15. Результаты тестирования частотной характеристики

Тестирование и результаты 

Испытательная установка: подключение оборудования 

В этом разделе описывается, как запустить и протестировать типовую разработку ультразвукового расходомера.

Для демонстрации должны быть установлены следующие соединения:

  • сконфигурируйте плату EVM430-FR6043 в соответствии с конфигурацией программирования, показанной в разделе «EVM430-FR6043»;
  • подключите датчики к X1 и X2 на EVM, как показано на рисунке 14. Вывод GND обозначен шелкографией на печатной плате;
  • подключите плату к ПК через USB. Ультразвуковая часть устройства EVM430-FR6043 для этих испытаний питается от внешнего источника питания, результаты представлены на рисунке 16. При использовании внешнего источника питания переключатель POW_SEL должен быть установлен в верхнее положение (External).

Рис. 16. Внешнее питание к EVM

Рис. 16. Внешнее питание к EVM

Напряжение внешнего источника питания должно быть приложено к J33. Заземления (GND) должны быть подключены к J1 и J3. Перемычки TEST и RST на J3 должны быть подключены для загрузки кода с ПК. Перемычки связи на J1 – COMM_IRQ, COMM_SDA и COMM_SCL – потребуются, потому что для тестов необходим обмен данными через USB по I2C для сбора данных измерений с ПК.

Различные возможности EVM и различные конфигурации более подробно описаны в материале «EVM430-FR6043 Hardware Guide» («Руководство по аппаратному обеспечению EVM430-FR6043»).

Компоновка и загрузка программного обеспечения

Пакет программного обеспечения, включенный в референсную разработку, содержит проекты для CCS и IAR. В следующих разделах объясняется, как скомпоновать и загрузить программное обеспечение на устройство.

Использование Code Composer Studio IDE:

  • откройте или создайте рабочее пространство;
  • импортируйте проект приложения, выбрав Menu → Project → Import CCS Projects (Меню → Проект → Импортировать проекты (CCS), а затем выберите следующий путь: <USS Flow Meter Library folder>\examples\USSLib_GUI_Demo\CCS\ (рисунок 17);

Рис. 17. Импорт проекта в CCS

Рис. 17. Импорт проекта в CCS

  • создайте проект (Ctrl + B);
  • загрузите код на устройство (F11);
  • закройте отладчик. Также можно запустить или отладить приложение, но в данном документе мы рассмотрим только режим автономной работы платы.

Использование IAR Embedded Workbench IDE:

  • откройте рабочую область проекта: <USS Flow Meter Library folder>\examples\USSLib_GUI_Demo\IAR\USSLib_Workspace.eww;
  • создайте проект (F7);
  • загрузите код на устройство (Ctrl + D);
  • закройте отладчик. Можно выполнить или отладить приложение, но в этом документе мы рассмотрим только режим автономной работы платы.

Выполнение приложения:

  • чтобы запустить приложение без взаимодействия с отладчиком, установите перемычки на плате, как показано в разделе «EVM430-FR6043»;
  • нажмите кнопку сброса EVM430-FR6043 (MCU_RESET), чтобы перезагрузить устройство и запустить приложение. В данном случае устройство запрограммировано так, что, приложение запускается при нажатии кнопки сброса или при включении питания.

Настройка устройства и получение результатов с помощью графического интерфейса:

  • запустите приложение с графическим интерфейсом: <USS_GUI root>\USS.exe. Приложение с графическим интерфейсом автоматически обнаруживает устройство HID, соответствующее EVM430-FR6043 EVM;
  • выберите пункт Communications → Connect («Связь» → «Подключиться») в меню приложения с графическим интерфейсом;
  • нажмите кнопку «Load Configuration» («Загрузить конфигурацию»), чтобы загрузить одну из конфигураций по умолчанию;
  • Выберите одну из конфигураций: <Flow Library folder>\examples\gui_config\;
  • Нажмите кнопку «Request Update» («Запросить обновление»), чтобы отправить конфигурацию на устройство. Когда конфигурация загружена в устройство, графический интерфейс показывает сообщение (рисунок 18);

Рис. 18. Загрузка конфигурации на устройство из графического интерфейса

Рис. 18. Загрузка конфигурации на устройство из графического интерфейса

  • проверьте целостность сигнала с помощью окна «ADC Capture» («Захват АЦП»), как описано в разделе «Центр проектирования USS (ПК с графическим интерфейсом)»;
  • проверьте рассчитанные ToF и объем в окне «Waveforms» («Формы сигнала»), как описано в разделе «Центр проектирования USS (ПК с графическим интерфейсом)»;
  • при желании регулируйте параметры и наблюдайте влияние на захваченную форму сигнала и расчеты.

Настройка и оптимизация

Разработка TIDM-02003 была протестирована с использованием расходомеров сторонних производителей и собственных расходомеров, описанных в разделе «Датчик и расходомер». Система позволяет легко настраивать и оптимизировать работу, используя другие конструкции датчиков и расходомеров.

Чтобы достичь необходимого баланса между производительностью и энергопотреблением, разработчикам рекомендуется использовать инструмент графического интерфейса центра ультразвукового проектирования MSP430 для настройки различных параметров конфигурации.

Например, разработчики могут выбрать частоту дискретизации сигнала (SIG_SAMPLING_FREQ) в 8 МГц для достижения более высокого разрешения за счет более высокого потребления тока; однако этого не потребуется для датчиков в диапазоне 200…500 кГц. В таком случае разработчики могут выбрать частоту дискретизации 1 или 2 МГц, что приводит к снижению энергопотребления.

На основе характеристик расходомеров и датчиков должны быть скорректированы следующие параметры графического интерфейса:

  • Частота передачи (кГц). Она зависит от частоты возбуждения датчика. Например, при выборе f1 = 200 кГц, генерируется сигнал возбуждения на частоте 200 кГц для датчика с частотой 200 кГц.
  • Интервал между началом импульса и захватом АЦП (мкс), который зависит от размеров расходомера и должен быть охарактеризован так, чтобы обеспечить надлежащий захват сигнала при различных скоростях потока и изменениях температуры.
  • Количество импульсов влияет на пиковую амплитуду и, в свою очередь, энергию, получаемую приемным датчиком, а также влияет на SNR и одиночный импульс STD, полученные расходомером, однако этот параметр также прямо пропорционален потреблению тока. Разработчики должны отрегулировать это значение, чтобы генерировать соответствующую амплитуду сигнала и стандартное отклонение при достижении текущих целей потребления.
  • Интервал UPS и DNS (мкс). Разработчики должны выбрать подходящую задержку, обеспечивающую свободный канал, до начала следующего возбуждения.
  • Интервал от UPS0 до UPS1 (мс) – это интервал между концом измерения и началом следующего, он контролирует скорость измерения. Установка в 1000 мс дает частоту измерения приблизительно 1 Гц.
  • Управление усилением на основе графического интерфейса выбирает настройку усиления PGA в модуле USS на микроконтроллере MSP430FR6043.
  • Константа расходомера – константа, используемая для расчета объемного расхода как функции ToF и площади данного расходомера, что описано в формуле 4. Типичная процедура для вычисления этой константы состоит в том, чтобы обеспечить постоянный расход (например, 200 литров в час или 1 галлон в минуту) и отрегулировать константу расходомера для обеспечения соответствующей объемной скорости потока с помощью графического интерфейса пользователя.
  • USSXT (кГц) выбирается между 4 и 8 МГц, в зависимости от частоты USSXT на EVM430-FR6043 EVM. Модуль EVM обычно поставляется с резонатором 8 МГц и должен использовать этот параметр с 8 МГц. Пользователи должны установить это значение соответствующим образом, если на EVM используется другой USSXT.
  • Значение SIG_SAMPLING_FREQ (кГц) выбирается между 6800, 7200, 7600 или 8000 кГц и должно быть достаточно высоким, чтобы соответствовать критерию Найквиста для уменьшения ошибки во время интерполяции. Рекомендуемая частота дискретизации составляет > 3,4 × Частоту датчика. Разработчики могут изменить это значение для компромисса между разрешением и энергопотреблением.
  • Частота дискретизации АЦП выбирается между 40 или 80. Здесь 80 используется для частоты дискретизации АЦП ≤ 1 МГц, а 40 – для частоты дискретизации АЦП 2 МГц. Микроконтроллер MSP430FR6043 поддерживает только частоты дискретизации АЦП 3,4…4 МГц или 6,8…8 МГц. Частоты дискретизации 4…6,8 МГц не поддерживаются устройством.
  • Смещение Delta ToF (пс) – это корректировка дифференциального ToF во время расчета объемного расхода внутри библиотеки ультразвукового расходомера. Разработчики могут по желанию сделать свой собственный расчет объемного расхода на основе значений ToF, предоставленных библиотекой.
  • Дополнительная задержка абсолютного ToF (нс) – это корректировка абсолютного ToF для учета любых дополнительных задержек. Значение зависит от формы сигнала и порога огибающей, обсуждаемого ниже. Разработчики могут по желанию установить это значение на ноль и внести свои собственные корректировки абсолютного значения ToF на уровне приложения.
  • Продолжительность захвата (мкс) зависит от формы сигнала, полученного от датчика. Параметр должен быть установлен так, чтобы обеспечить соответствующий захват сигнала при различных скоростях потока и изменениях температуры.
  • Параметр 2 (ULPBiasDelay) выбирает задержку в применении смещения после инициализации модуля USS. TI рекомендует установить это значение на 3 (представляющее 300 мкс), и оно не должно изменяться.
  • Запуск счета PPG (нс) устанавливает задержку между запуском внутреннего таймера в модуле USS в FR6043 и началом импульсов возбуждения (триггер импульса PPG). Компания Texas Instruments рекомендует установить это значение на 10000 (10 мкс).
  • Включение счета АЦП (нс) устанавливает задержку между запусками внутреннего таймера в модуле USS в FR6043 и включает высокоскоростной сигма-дельта-АЦП. Компания TI рекомендует установить это значение на 5000 (5 мкс).
  • Запуск счета PGA и смещения входа (нс) устанавливает задержку между запуском внутреннего таймера в модуле USS в FR6043 и запуском приложения смещения. TI рекомендует установить это значение на 0 (0 мкс).
  • Время стабилизации USS XTAL (мкс) устанавливает время стабилизации для USSXT. TI рекомендует установить это значение на 120 мкс для резонатора (USSXT) на EVM.

Результаты теста

В этом разделе представлены сгруппированные результаты экспериментов на нескольких расходомерах с использованием датчиков 200, 400 и 500 кГц.

Стандартное отклонение одиночного импульса

Стандартное отклонение одиночного импульса дифференциального ToF является мерой, используемой для выражения ожидаемой дисперсии выходного сигнала при нулевом расходе и температуре окружающей среды (рисунок 19). STD рассчитывается путем выполнения приложения при температуре окружающей среды и в условиях нулевого расхода.

Рис. 19. Измерения стандартного отклонения Delta ToF

Рис. 19. Измерения стандартного отклонения Delta ToF

Графический интерфейс центра проектирования ультразвукового зондирования MSP430 можно использовать для захвата DToF в течение 5…30 минут, а STD можно рассчитать при помощи такого инструмента как MATLAB® или Excel®.

Одиночный импульс STD вычислен и нанесен на график на рисунке 19. Каждый график представляет собой STD одиночного импульса из 200 измерений. График показывает, что колебание STD одиночного импульса составляет приблизительно 20 пс, а среднее – < 400 пс.

Дрейф нулевого потока

Дрейф нулевого потока (ZFD) – это измерение, используемое для выражения ожидаемого дрейфа DToF при нулевом потоке по температуре. Это измерение напрямую влияет на минимальный обнаруживаемый поток расходомера. Пять пар из пяти разных датчиков четырех производителей были протестированы на производительность ZFD. Два отдельных теста ZFD были проведены с переменной температурой при нулевом расходе. Также были проведены испытание счетчика и прибора в термокамере с изменением температуры газового расходомера и электроники в диапазоне -35…65°C и испытание устройства в термокамере с изменением температуры электроники -35…65ºC, с размещением расходомера при комнатной температуре. Эпюра испытания в термокамере, используемая для расчета ZFD, показана на рисунке 21 (см. ниже) вместе с ожидаемым изменением AbsToF. Как и ожидается, AbsToF изменяется во всем диапазоне температур.

ZFD рассчитывается путем получения диапазона дифференциального ToF, усредненного по 200 выборкам. Графический интерфейс центра ультразвукового проектирования MSP430 можно использовать для захвата дифференциального значения ToF, а такие инструменты как MATLAB или Excel можно использовать для расчета среднего значения по 200 выборкам и общего дрейфа.

На рисунке 20 показан результирующий перепад ToF, в зависимости от температуры, усредненный по 200 выборкам.

Рис. 20. Дрейф нулевого потока DToF с EVM430-FR6043 в термокамере

Рис. 20. Дрейф нулевого потока DToF с EVM430-FR6043 в термокамере

Измерения абсолютного времени пролета сигнала

Изменение абсолютного времени пролета сигнала (AbsToF) также является важным показателем как в приложениях расходомера, так и в других приложениях, например, при анализе смеси. Важным показателем в случае AbsToF является также дрейф во времени и стандартное отклонение измерений. Как видно из рисунка 21, значение AbsToF обратно пропорционально температуре (с понижением температуры оно увеличивается). Было обнаружено, что стандартное отклонение в AbsToF составляет приблизительно 30 нс для разных пар датчиков.

Рис. 21. Измерение AbsToF в диапазоне -35…65°C

Рис. 21. Измерение AbsToF в диапазоне -35…65°C

Возможность изменения смещения нулевого потока у различных датчиков

Поскольку датчики часто различаются по своим физическим характеристикам, важно понимать, как это изменение может повлиять на дрейф нулевого потока отдельных газовых расходомеров при массовом производстве. Чтобы оценить эту изменчивость, пять пар датчиков от четырех разных производителей были испытаны на расходных трубах в термокамере , чтобы определить минимальное и максимальное значение дрейфа нулевого потока между парами датчиков. В таблице 5 показано, что независимо от примененного датчика и производителя, можно достичь дрейфа нулевого потока менее 1 нс.

Таблица 5. Сравнение ZFD

Тип датчика Минимальный дрейф из 5 протестированных пар, пс Максимальный дрейф из 5 протестированных пар, пс
1 300 800
2 150 400
3 400 900
4 200 1000
5 300 1000

Измерения расхода

Измерения расхода проводились на трубе, напечатанной на 3D-принтере, с датчиками 200, 400 и 500 кГц производства компаний Jiakang, Hurricane, CeramTec и Audiowell. Датчики можно приобрести у соответствующих производителей, а конструкцию трубы запросить в Texas Instruments.

Тестирование переменной скорости потока проводилось с помощью вентилятора ACE60 12 В DC, подключенного к трубе с датчиками 200 кГц. На рисунке 22 показаны результаты дифференциального ToF (dToF) и абсолютного ToF (aTOF) при разных скоростях потока в диапазоне 12000…0 л/ч. Скорость потока первоначально снижалась с шагом 2000 л/ч, пока не было достигнуто минимальное рабочее напряжение вентилятора. Скорости потока выглядят отрицательными, потому что воздух вытягивался из трубы (а не подавался в трубу). DToF газовой трубы был откалиброван по эталонному расходомеру, который был подключен последовательно.

Рис. 22. Тестирование скорости потока

Рис. 22. Тестирование скорости потока

Среднее потребление тока

Среднее потребление тока является важным фактором для таких систем с ограничением потребления как расходомеры газа с батарейным питанием.

Потребление тока устройством зависит от нескольких различных параметров, которые можно настроить с помощью графического интерфейса центра ультразвукового проектирования MSP430. Среди этих параметров частота датчика, количество импульсов, интервал между UPS и DNS, скорость измерения (интервал DNS-UPS), частота дискретизации сигнала и длительность захвата.

Оптимальная конфигурация этих параметров зависит от расходомера, но также существует компромисс между производительностью и потреблением энергии (рисунок 23).

Рис. 23. Эпюра потребления тока во время измерения

Рис. 23. Эпюра потребления тока во время измерения

Эпюра тока на рисунке 23 основана на трубе газового расходомера и микроконтроллере MSP430FR6043, параметры которого настроены так, как указано в таблице 6. Для лаконичности в таблице не представлены параметры конфигурации, которые не влияют на потребление тока.

Таблица 6.Конфигурация для измерений тока

Параметр Значение
Частота передачи, кГц 170…240 кГц
Интервал между началом импульса и захватом АЦП, мкс 200
Количество импульсов 24
Интервал UPS и DNS, мкс 8000 (на 8 мс)
Интервал UPS0…UPS1, мс 1000
Частота дискретизации сигнала, кГц 1000
Частота дискретизации АЦП 80
Смещение Delta ToF, пс 0
Дополнительная задержка абсолютного ToF, нс 0
Опция алгоритма 2
Порог пересечения огибающей 50
Продолжительность захвата, мкс 250
Запуск счета PPG, нс 400000 (на 400 мкс)
Включение счета АЦП, нс 10000 (на 10 мкс)
Запуск PGA и счет смещения входа, нс 200000 (на 200 мкс)
Счет стабилизации USS XTAL, мкс 120
Счет внешнего усилителя, нс 10000
Пользовательский параметр № 8 384

Как показано на рисунке 23, мгновенное потребление тока варьируется в зависимости от состояния программного обеспечения. Эти состояния описаны в таблице 7.

Таблица 7. Состояния в каждом измерении для потребления тока

Состояние Срок действия, мкс Среднее потребление тока, мкА Описание состояния
Инициализация CLK 188 809 Инициализация USSXT, модуль USS выключен
Инициализация USS (UPS) 129 941 Модуль USS включен и регистры всех подмодулей инициализированы
Импульс против потока 1,05 4,69 Срабатывание импульса в направлении против потока и захват сигнала
Интервал против потока/по потоку 7,82 1,73 Интервал между UPS и DNS, процессор находится в LPM3
Инициализация USS (DNS) 283 939 До запуска DNS модуль USS включен и регистры всех подмодулей инициализированы
Импульс по потоку 1,05 4,83 Срабатывание импульса DNS и захват сигнала
Обработка данных 4,05 1,62 Вычисления DToF, AbsToF и VFR, модуль USS выключен
Режим ожидания 985 2,12 (1,093) Интервал между концом измерения и началом следующего измерения, процессор находится в LPM3, модуль USS выключен

Объем памяти

Объем памяти определяет оценку требований к ней для реализации приложения ультразвукового газового расходомера. В таблице 8 приведены данные об использовании памяти в FRAM, RAM и LEARAM, а также распределение между библиотекой USSSW и демонстрационным приложением, которое формирует вызовы API библиотеки и интерфейсы к графическому интерфейсу пользователя центра проектирования USS. Объем памяти указан в килобайтах и основан на памяти, используемой с IDE CCS. Использование памяти аналогично IAR IDE.

Таблица 8. Объем памяти

Параметр Условия компоновки Типовой объем памяти, кбайт
Всего FRAM, использованного демонстрационным приложением (MEMAPP_FRAM) Включает в себя код и константы 52
Общий объем ОЗУ, используемый демонстрационным приложением (MEMAPP_RAM) Включает в себя переменные, помещенные в RAM и FRAM 5
FRAM используется библиотекой (MEMLIB_FRAM) Включает в себя весь библиотечный код и константы, используемые приложением 13
RAM, который используется библиотекой (MEMLIB_RAM) Включает в себя все библиотечные переменные, используемые приложением 1
LEARAM, который используется библиотекой (MEMLIB_LEARAM) Включает в себя все библиотечные переменные и структуры данных, используемые приложением и библиотекой 5

Документация по проектированию 

Чтобы загрузить список комплектующих (Bill Of Materials, BOM), принципиальную схему, трассировку слоев, сборочные чертежи, файлы программного обеспечения, файлы Altium и Gerber, перейдите по ссылке на Документацию по проектированию TIDM-02003. [http://www.ti.com/tool/TIDM-02003]

Рекомендации по компоновке печатных плат

Для обеспечения точных измерений и правильной работы необходимо следовать общим рекомендациям по печатной плате. Для получения подробной информации о рекомендациях по компоновке печатных плат ознакомьтесь с документом «PCB Design Guidelines for Gas Metering With MSP430FR6043» («Руководство по проектированию печатных плат для учета газа с MSP430FR6043»).

Дополнительные документы

  1. MSP430FR604x, MSP430FR504x ultrasonic sensing MSP430™ microcontrollers for gas and water flow metering applications (MSP430FR604x, MSP430FR504x. Ультразвуковые микроконтроллеры MSP430™ для измерения расхода газа и воды)
  2. MSP430FR58xx, MSP430FR59xx, and MSP430FR6xx Family User’s Guide (Руководство пользователя семейства MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx)
  3. Quick Start Guide for MSP430FR6043-Based Ultrasonic Water Flow Meter (Краткое руководство пользователя ультразвукового расходомера воды на основе MSP430FR6043)
  4. EVM430-FR6043 Hardware Guide (Руководство по аппаратному обеспечению EVM430-FR6043)
  5. Application software (SW) for MSP430FR6043-based ultrasonic gas flow meter (Прикладное программное обеспечение (SW) для ультразвукового расходомера газа на основе MSP430FR6043)
  6. Ultrasonic Design Center User’s Guide (Руководство пользователя по центру ультразвукового проектирования)
  7. Low-Energy Accelerator (LEA) Frequently Asked Questions (FAQ) (Низкоэнергетический ускоритель (LEA) Часто задаваемые вопросы (FAQ))
  8. Benchmarking the Signal Processing Capabilities of the Low-Energy Accelerator on MSP430 MCUs (Сравнительный анализ возможностей обработки сигналов низкоэнергетического ускорителя на микроконтроллерах MSP430)
  9. MSP430FR6047 and Ultrasonic Software Based Water Flow Meter Measurement Results (MSP430FR6047 и результаты измерений расходомера воды на основе ультразвукового программного обеспечения)
  10. Designing with MSP430 MCUs and Segment LCDs (Разработка с использованием микроконтроллеров MSP430 и сегментных ЖК-дисплеев)

Оригинал статьи

Перевел Виктор Букирев 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
MSP430FR60431IPNR (TI)
MSP430FR6043IPN (TI)
MSP430FR6043IPNR (TI)
MSP430FR60431IPN (TI)
EVM430-FR6043 (TI)