Типовой проект ультразвуковой подсистемы для измерения расхода воды

1 ноября

учёт ресурсовавтоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Шринивас Лингам, Эдди Лакост, Луис Рейносо, Митч Риджуэй (Texas Instruments)

Компания Texas Instruments представляет полное описание типовой разработки подсистемы для измерения расхода воды ультразвуковым методом. Возбуждение датчика и захват сигналов в подсистеме осуществляются с использованием внутреннего модуля ультразвукового зондирования микроконтроллера MSP430FR6047.

Данная типовая разработка будет полезна для разработчиков ультразвуковых подсистем измерения расхода воды с использованием интегрированного модуля ультразвукового зондирования (Ultrasonic Sensing Solution, USS), который отличается высокой метрологической точностью, малым энергопотреблением и максимальной интеграцией. В основе схемы лежит микроконтроллер MSP430FR6047 256 кбайт с интегрированным высокоскоростным интерфейсом приема сигналов на основе АЦП и малопотребляющим ускорителем вычислений (Low-Energy Accelerator, LEA), позволяющими оптимизировать процесс цифровой обработки сигналов.

Ресурсы:

Характеристики:

  • лучшая в своем классе метрологическая точность: дрейф нулевого потока (Zero Flow Drift, ZFD) – 25 пс, стандартное отклонение одиночного измерения – 32 пс;
  • малое энергопотребление: приблизительно 2,5 мкА с преобразователем 1 МГц при 1 измерении в секунду;
  • возможность применения с различными трубами и преобразователями; прямой интерфейс к паре преобразователей;
  • простота тестирования и настройки с помощью графического интерфейса пользователя Ultrasonic Sensing Design Center;
  • библиотека программного обеспечения Ultrasonic Sensing, включающая в себя различные алгоритмы времени пролета (Time of Flight, ToF);
  • автономная демонстрация с использованием жидкокристаллического дисплея (Liquid-Crystal Display, LCD).

Варианты применения:

  • счетчик воды;
  • счетчик учета тепла;
  • датчик расхода ресурсов.

Описание системы

Система TIDM-1019 построена на базе микроконтроллера MSP430FR6047, выпущенного на рынок компанией Texas Instruments, и прочих дискретных элементов. Работа устройства основана на расчете дифференциального времени пролета (ToF) с использованием двух преобразователей для восходящего и нисходящего направлений. Возбуждение преобразователя и прием сигналов осуществляются с помощью внутреннего модуля ультразвукового измерения (USS) микроконтроллера MSP430FR6047. Затем сигнал подвергается дополнительной обработке с использованием LEA микроконтроллера MSP430™ для быстрого и эффективного получения необходимых выходных данных.

В устройстве TIDM-1019 используется отладочная платформа EVM430-FR6047, специально предназначенная для систем ультразвукового измерения расхода, например, для счетчиков расхода воды. Платформа EVM включает в себя разъем для взаимодействия с другими подключаемыми модулями BoosterPack™. Типовой проект включает в себя все необходимые аппаратные файлы.

Программное обеспечение построено на принципах модульности и портативности с использованием пакета программного обеспечения MSP430Ware™ и библиотеки ультразвуковых измерений MSP430, созданных компанией TI.

Типовой проект также включает в себя приложение Ultrasonic Design Center, работая в котором, разработчики могут изменять и оптимизировать различные параметры конфигурации с помощью простого в использовании графического интерфейса. USS Design Center позволяет пользователям легко внедрять и настраивать различные преобразователи, не изменяя код приложения в типовом проекте.

Файлы проекта содержат исходный код приложения и соответствующие проекты Code Composer Studio™ (CCS) и IAR Embedded Workbench™.

Основные технические характеристики системы представлены в таблице 1. 

Таблица 1. Основные технические характеристики системы

Параметр Значение
Дрейф нулевого потока (ZFD), пс тип. 25
Стандартное отклонение одиночного измерения (Single-shot standard Deviation, STD), пс тип. 32
Минимальный обнаруживаемый поток (Minimum Detectable Flow, MDF), л/ч 1
Среднее потребление тока при одном измерении в секунду (PAVG), мкА тип. 2,5

Обзор системы

Блок-схема системы TIDM-1019 изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема TIDM-1019

Рис. 1. Блок-схема TIDM-1019

Конструктивные решения

Измерение расхода

Дизайн ультразвуковой системы измерения расхода воды основан на принципе измерения времени пролета. Эта величина составляет время, которое требуется для прохождения сигнала от передающего преобразователя к приемному.

На рисунке 2 показана проточная труба.

Рис. 2. Время пролета в расходомере

Рис. 2. Время пролета в расходомере

Время распространения сигнала, проходящего от первого преобразователя XDR1 ко второму преобразователю XDR2, обозначено T12. Аналогично, T21 – это время распространения сигнала в противоположном направлении. Данные временные интервалы рассчитываются в соответствии с приведенными формулами как функции скорости ультразвука в воде и скорости потока воды. Поскольку данное расстояние намного больше радиуса трубы r, длина распространения волны в направлении, перпендикулярном потоку, считается незначительной в последующих вычислениях (формулы 1, 2 и 3):

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

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

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

где:

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

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

В данном типовом проекте расход воды рассчитывается, исходя из предположения, что скорость ультразвука неизвестна. Таким образом выводим формулу 4 из формул 1 и 2, избавляясь от 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.

Измерения времени пролета

В реализации, описанной в этом типовом проекте, устройство MSP430FR6047 выполняет полный процесс сбора данных с использованием модуля USS для формирования сигнала. На рисунке 3 показан процесс сбора данных.

В начале процесса MSP430FR6047 отправляет последовательность импульсов на первый преобразователь – XDCR1. Сигнал принимается вторым преобразователем XDCR2 спустя время T12. Разница во времени между передачей и приемом определяет время пролета в направлении по потоку, или ToFUPS.

MSP430FR6047 повторяет тот же процесс в противоположном направлении, что дает время распространения сигнала T21, которое представляет время пролета в направлении против потока, или ToFDNS.

Дельта времени пролета, или Δt, затем рассчитывается как разность между T12 и T21, что представлено в формуле 3.

Дельта времени пролета DToF обычно измеряется одним из двух методов: определением перехода через ноль с использованием преобразователя «время-цифровой код» (Time-to-Digital Converte, TDC) или путем корреляции с использованием выборок АЦП.

TIDM-1019 использует метод на основе АЦП вместо метода TDC из-за таких преимуществ как:

  • Улучшенная производительность. Корреляция действует как цифровой фильтр для подавления шума, что дает примерно в три-четыре раза меньшее значение среднеквадратичного отклонения по шуму. Кроме того, корреляционный подход также действует как фильтр нижних частот, который подавляет другие помехи, такие как шумы в линии передачи.
  • Повышенная устойчивость к изменениям амплитуды сигнала. Алгоритм нечувствителен к изменениям амплитуды принимаемого сигнала, изменению сигнала между преобразователями и изменению температуры.
  • Огибающая сигнала, получаемая естественным путем. Этот сигнал позволяет подстраиваться под частоты преобразователя, а также под медленные изменения огибающей во времени, что может использоваться для поддержания точности даже при старении преобразователей или измерителей.

Процесс захвата сигнала на основе АЦП

Процесс захвата сигнала на основе АЦП, реализованный в данном типовом проекте, подразумевает интенсивное использование аппаратных возможностей модуля USS в MSP430FR6047, включая генерацию импульсов и высокоскоростной сигма-дельта-АЦП для полной автоматизации процесса выборки. Этот процесс не только обеспечивает более жесткий контроль процесса выборки вне зависимости от задержек ЦП и компиляторов, но также снижает энергопотребление, поскольку в ходе измерений ЦП находится в режиме пониженного энергопотребления (LPM3).

Далее на рисунке 4 будет показана временная диаграмма процесса захвата сигнала. Процесс заключается в следующем:

  • в начале процесса (t0) устройство инициализирует модуль USS, который запускает внутренний генератор тактовых импульсов и начинает генерацию импульсов;
  • процессор переходит в режим малого энергопотребления LPM0 после запуска модуля USS, ожидая завершения последовательности измерений. Этот процесс также включает в себя захват сигнала высокоскоростным сигма-дельта-АЦП. При этом полученные данные хранятся в ОЗУ и используются совместно между ЦП и модулем LEA;
  • после получения последней выборки модуль USS автоматически активирует процессор с помощью механизма прерываний;
  • 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 DNS-канала. Процессор переходит в режим LPM0, ожидая данных выборок и измерений в канале по потоку (канал DNS);
  • после получения последней выборки в канале DNS модуль USS автоматически активирует процессор с помощью механизма прерываний;
  • процессор обрабатывает данные и определяет дельту времени пролета (DTOF) и абсолютное время пролета (AbsToF) для каналов DNS и UPS, а также объемный расход (Volume Flow Rate, VFR). После завершения обработки ЦП переходит в режим LPM3 на время tDNS-UPS-GAP, которое представляет собой интервал между окончанием текущего измерения и началом следующего.

Библиотека ультразвукового измерения расхода

Данный типовой проект разъясняет некоторые ключевые концепции реализации метрологического устройства ультразвукового измерения расхода, поэтому важно отметить, что в предлагаемом решении используется Ultrasonic Sensing Flow Metering Library (Библиотека ультразвукового измерения расхода), которая реализует несколько собственных алгоритмов компании TI для захвата и обработки сигнала, а также для расчета времени пролета сигнала и расхода воды.

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

Малое энергопотребление

Модуль USS в устройстве MSP430FR6047, используемом в данном проекте, позволяет снизить энергопотребление до уровня, требуемого для счетчиков воды. В то время как потребление тока системой зависит от счетчика, преобразователей и конфигурации приложения, решение было разработано так, чтобы потреблять приблизительно 2,5 мкА с использованием преобразователей с частотой 1 МГц, выполняющих одно измерение в секунду. Таким образом, производится одно измерение по потоку и одно измерение против потока в секунду и соответствующая обработка сигнала. Это касается только метрологической части и не включает потребление тока в процессах между измерениями. В ходе таких промежуточных процессов могут выполняться дополнительные вычисления прикладного уровня либо устройство может быть переведено в режим пониженного энергопотребления – LPM3. Подробная информация об измерениях потребляемой мощности содержится в разделе «Среднее энергопотребление».

Малое энергопотребление устройства реализовано благодаря:

  • энергоэффективному программному обеспечению;
  • оптимизированной аппаратной конструкции MSP430FR6047;
  • эффективному использованию FRAM;
  • использованию маломощных функций LEA для обработки сигналов.

Энергоэффективное программное обеспечение

Прикладное программное обеспечение и библиотека ультразвукового измерения расхода, задействованные в проекте TIDM-1019, позволяют максимально использовать режимы с малым энергопотреблением. Микроконтроллер переходит в режим наименьшей мощности в каждом возможном случае.

Оптимизированная аппаратная конструкция

Все внутренние и внешние компоненты TIDM-1019, включая базовую платформу MSP430, которая сочетает в себе высокую производительность с лидирующим в отрасли сверхмалым энергопотреблением, были выбраны с учетом их энергоэффективности.

Эффективное использование FRAM

Микроконтроллер MSP430FR6047 использует технологию FRAM, которая сочетает в себе лучшие параметры Flash и RAM. Память FRAM совмещает энергонезависимость Flash с быстротой записи на малой мощности, сроком службы на 1015 циклов записи, устойчивостью к излучению и электромагнитным полям и непревзойденной гибкостью.

Такое использование данной технологии позволило создать решение, записывающее и регистрирующее данные более эффективно, чем его аналоги на основе Flash.

Приложение, представленное в этом программном пакете, использует FRAM для хранения нескольких энергонезависимых переменных, например, конфигурации, задаваемой в графическом интерфейсе. Такое хранилище позволяет пользователям перенастраивать устройство на лету и сохранять конфигурацию после выключения питания.

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

  • регистрацию статистических данных за длительные периоды времени, например, значения дифференциального времени пролета (DToF), абсолютного времени пролета (AbsToF) или объемный расход;
  • регистрацию ошибок и неисправностей в энергонезависимой памяти;
  • сохранение и восстановление состояния устройства до сбоя питания (чтобы получить подробную информацию, пройдите по ссылке TIDM-FRAM-CTPL.

Преимущества использования LEA

В TIDM-1019 также эффективно используется возможности ускорителя вычислений LEA, содержащегося в микроконтроллере MSP430FR6047.

LEA – это 16-разрядный вычислительный элемент, предназначенный для обработки сигналов, умножения матриц и выполнения других операций, включая векторную обработку сигналов, такую как КИХ-фильтрование, БИХ-фильтрование и БПФ, без привлечения ресурсов ЦП. Эффективное использование этого модуля может ускорить выполнение типичных математических операций до 36,4 раза.

LEA активно используется в Библиотеке ультразвукового измерения расхода для ускорения всех векторных операций в ее собственных алгоритмах. LEA не только сокращает время обработки многих операций, но также позволяет процессору переходить в состояние малого энергопотребления.

Для получения дополнительной информации о LEA ознакомьтесь с документами «Low-Energy Accelerator (LEA) Frequently Asked Questions» («Часто задаваемые вопросы по ускорителю вычислений с малым энергопотреблением (LEA)») и «Benchmarking the Signal Processing Capabilities of the Low-Energy Accelerator on MSP430 MCUs» («Сравнительный анализ возможностей обработки сигналов ускорителя вычислений с малым энергопотреблением на микроконтроллерах MSP430»).

Основные элементы 

MSP430FR6047

Семейство ультразвуковых датчиков и измерительных систем MSP430FR604x на чипах (SoC) производства компании TI – это мощные высокоинтегрированные микроконтроллеры, оптимизированные для создания счетчиков воды и тепла. Микроконтроллер MSP430FR6047 содержит в себе модуль USS, который обеспечивает высокую точность измерений для широкого диапазона скоростей потока. Модуль USS позволяет проводить измерения при сверхмалом энергопотреблении в сочетании с более низкими системными затратами благодаря максимальной интеграции, требующей небольшого количества внешних компонентов. В микроконтроллере MSP430FR6047 реализована функция высокоскоростного захвата сигнала на основе АЦП с последующей оптимизированной обработкой во встроенном модуле LEA, что позволяет создавать высокоточные измерительные системы с оптимальным ультрамалым энергопотреблением и питанием от аккумуляторной батареи.

Модуль USS включает в себя программируемый генератор импульсов (PPG) и физический интерфейс (PHY) с формирователем выходного сигнала с низким импедансом для оптимального возбуждения датчика и точного согласования импедансов, что обеспечивает наилучшие показатели по дрейфу нулевого потока. Модуль также включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA) и высокоскоростной 12-битный 8-миллисекундный сигма-дельта (ΣΔ) АЦП (SDHS) для точного получения сигнала от ультразвуковых преобразователей промышленного стандарта.

Кроме того, микроконтроллер MSP430FR6047 использует другие периферийные устройства для улучшения системной интеграции при выполнении измерений. Микроконтроллер имеет модуль интерфейса тестирования измерений (MTIF), который реализует генерацию импульсов для индикации расхода, измеренного счетчиком. Микроконтроллер MSP430FR6047 также содержит следующие компоненты:

  • встроенный 8-MUX ЖК-драйвер;
  • системные часы;
  • 12-разрядный SAR АЦП, имеющий до 16 внешних каналов;
  • аналоговый компаратор, имеющий до 16 каналов;
  • Четыре eUSCI_A для реализации универсального асинхронного приемника/передатчика (UART);
  • интерфейс IrDA или последовательный периферийный интерфейс (SPI);
  • два eUSCI_B для реализации I2C или SPI;
  • шесть 16-битных таймеров;
  • ускоритель шифрования AES256;
  • модуль циклического контроля избыточности (CRC).

Платформа микроконтроллера MSP430 сочетает в себе уникальность встроенной памяти FRAM и целостную архитектуру со сверхмалым энергопотреблением, что позволяет разработчикам систем повысить производительность и снизить энергопотребление. Технология FRAM сочетает в себе быстроту записи данных при малом энергопотреблении, гибкость и долговечность оперативной памяти с энергонезависимостью Flash-памяти.

Однако в TIDM-1019 микроконтроллер MSP430FR6047 используется не только в качестве хост-процессора, обменивающегося данными с графическим интерфейсом приложения на ПК, но и для выполнения измерений в автоматическом режиме. Мощная периферия микроконтроллера MSP430FR6047 (в частности модуль USS) вместе с памятью FRAM и LEA позволяют создавать точные и эффективные устройства ультразвукового измерения расхода воды.

Теоретические основы разработки

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

Обработка сигналов для определения времени пролета

Формула 5 представляет собой вычисление процесса обработки сигнала для получения времени пролета:

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

где:

  • fs частота дискретизации АЦП;
  • i – номер выборки;
  • r2(t) – принятый ультразвуковой сигнал на выходе преобразователя 2 (измерение по направлению потока).

Аналогично, пусть принятый сигнал на преобразователе 1 (измерение против направления потока) будет представлен вектором значений r1(t) (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 дискретизации fs = 4000 кГц и длительности захвата 40 мкс размер принятых векторов данных N = 160.

На основе значений 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 максимуме и в ближайших точках. Реальный максимум корреляции теперь определяется интерполяцией (формула 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 значение m выбирается равным +1, принимая в расчет, что только три корреляции (Z-1, Z0 и Z +1) вычисляются большую часть времени. На рисунке 3 показаны предыдущие соотношения.

Рис. 3. Шаг интерполяции для получения дифференциального времени пролета

Рис. 3. Шаг интерполяции для получения дифференциального времени пролета

Расчеты времени пролета на основе корреляторов ранее приводились в таких материалах как «MSP430FR58xx, MSP430FR59xx, and MSP430FR6xx Family User’s Guide» («Руководство пользователя микроконтроллеров семейства MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx»). Эффективные методы интерполяции приведены в документе «EVM430-FR6047 Hardware Guide» («Руководстве по аппаратному обеспечению EVM430-FR6047»). Как упоминалось ранее, для эффективности реализации корреляция вычисляется только по нескольким точкам, что позволяет реализовать решение с малым энергопотреблением.

Оценка точного значения AbsToF в воде означает, что для расчета скорости звука в воде датчик температуры не потребуется. В программной библиотеке USS, используемой в данном типовом проекте, absToF определяется путем вычисления огибающей принятого сигнала. Прежде всего вычисляется максимум сигнала для каждой выборки. Затем определяется точка пересечения огибающей как заданное отношение этого максимума. Затем рассчитывается AbsToF по постоянному смещению от этого пересечения порога огибающей, как показано на рисунке 4 и в формуле 11.

Рис. 4. Захваченный сигнал и огибающая для расчета Abs ToF

Рис. 4. Захваченный сигнал и огибающая для расчета Abs ToF

AbsToF для канала по потоку и против потока определяются 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, которое предварительно задается в графическом интерфейсе USS Design Center или в конфигурации приложения и соответствует приблизительному времени распространения ультразвукового сигнала в данном измерителе.

Как правило, это значение может составлять 35…70 мкс. Пороговые параметры Tthreshups и Tthreshdns соответствуют времени от запуска АЦП до точки, где огибающая пересекает определенное отношение (обычно выбираемое равным 20%) от максимума сигнала.

Оборудование, программное обеспечение, требования к проведению испытаний и их результаты 

Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение, используемое в данном типовом проекте, включает в себя модуль оценки ультразвукового измерения расхода на основе EVM430-FR6047.

EVM430-FR6047

Отладочная плата EVM430-FR6047 представляет собой платформу для разработки, которую можно использовать для оценки производительности микроконтроллера MSP430FR6047 в ультразвуковых измерительных системах, например, для интеллектуальных счетчиков воды. Гибкость платформы позволяет инженерам быстро оценивать и разрабатывать устройства на основе MSP430FR6047 с различными датчиками в диапазоне 130 кГц…2,5 МГц. Модуль EVM может отображать параметры измерения с помощью встроенного ЖК-дисплея и разъемов для подключения радиочастотных коммуникационных модулей.

Платформа EVM430-FR6047 может работать от USB. Вместе с тем предусмотрено подключение внешнего источника питания. Плата EVM имеет разъемы BoosterPack для взаимодействия с внешними платами через различные интерфейсы, такие как I2C, SPI, UART или GPIO, а также для подключения радиочастотных коммуникационных модулей. EVM имеет встроенный сегментированный ЖК-дисплей и встроенный блок эмуляции eZ-FET для программирования и отладки системы.

При использовании USB в качестве источника питания пользователи должны установить переключатель POW_SEL в среднее положение (ezFET). При использовании внешнего источника питания пользователи должны установить переключатель POW_SEL 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 в режим питания через USB (ezFET).

Рис. 6. Конфигурация перемычек для питания через USB (eZ-FET)

Рис. 6. Конфигурация перемычек для питания через USB (eZ-FET)

ПРИМЕЧАНИЕ. Все испытания, результаты которых представлены в данном документе, выполнялись с использованием внешнего источника питания (EXT_POW).

Программное обеспечение

На рисунке 7 показана программная архитектура, реализованная в данном типовом проекте. Программное обеспечение построено на принципах модульности и портативности. Основные компоненты включают в себя библиотеку драйверов MSP430 (DriverLib), библиотеку ультразвукового измерения расхода (USS SW LIB), приложение и графический интерфейс пользователя системы Ultrasonic Sensing Design Center.

Рис. 7. Архитектура программного обеспечения

Рис. 7. Архитектура программного обеспечения

Данный проект TI содержит только примеры, протестированные на устройстве MSP430FR6047 с использованием отладочной платформы EVM430-FR6047. Пакет программного обеспечения включает в себя исходный код приложения, библиотеку ультразвукового измерения расхода в двоичном формате и соответствующие проекты IAR и CCS. Основные программные компоненты представлены в следующих разделах.

Библиотека драйверов MSP (MSL DriverLib)

Библиотека драйверов (DriverLib) имеет API для выбранных семейств устройств MSP430, что позволяет с легкостью обращаться к требуемым функциям. Каждый API тщательно документирован в руководстве пользователя, руководстве по API и в примерах кода.

TIDM-1019 использует библиотеку драйверов MSP для взаимодействия со всеми аппаратными модулями, используемыми приложением из интерфейса eUSCI_A, который применяется для асинхронной связи ПК с модулем USS, который, в свою очередь, используется для получения выборки входящего сигнала. Эта особенность не только упрощает миграцию на другие микроконтроллеры серии MSP430FR604x, но также облегчает чтение и понимание кода благодаря универсальности языка написания API.

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

Библиотека ультразвукового измерения расхода

Библиотека ультразвукового измерения расхода включает в себя запатентованные алгоритмы для захвата и обработки сигнала, полученного от преобразователей, а также для расчета времени пролета и расхода воды. Библиотека включает в себя простой в реализации набор полностью документированных API-интерфейсов, которые упрощают сложность расчетов ультразвуковых измерений и обеспечивают более быструю реализацию приложения. Широкий список параметров позволяет разработчикам настраивать систему в соответствии с различными требованиями к оборудованию и преобразователям.

Библиотека ультразвукового измерения расхода, используемая приложением, включена в формат библиотек проектов CCS и IAR. Данная библиотека и ее документация доступны по ссылке USS Flow Library.

Приложение

На рисунке 8 показана блок-схема приложения.

Рис. 8. Блок-схема приложения

Рис. 8. Блок-схема приложения

Работа приложения начинается с инициализации основных функциональных блоков системы, включая периферийные устройства, счетчики и устройства ввода-вывода, с последующей инициализацией устройств человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), включая ЖК-дисплей, связь с графическим интерфейсом, кнопки и светодиоды. Наконец, система выполняет начальную настройку ультразвуковой измерительной подсистемы и ее алгоритмов.

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

  • Взаимодействие с пользователем до начала измерений. Приложение выполняет функции взаимодействия с пользователем перед началом ультразвуковых измерений, например, проверяет, не вводились ли новые конфигурационные параметры в графическом интерфейсе или не нажал ли пользователь кнопку.
  • Измерение на USS – ультразвуковое измерение. Результатом этого шага является дискретизированный сигнал с АЦП.
  • Взаимодействие с пользователем после измерений. Приложение выполняет функции взаимодействия с пользователем после выполнения измерений, например, осуществляет отображение данных с АЦП в графическом интерфейсе.
  • Алгоритмы USS запускают процессы обработки ультразвукового дискретизированного сигнала с АЦП для получения расчетных параметров (время пролета и объемный расход).
  • Взаимодействие с пользователем после работы алгоритмов. Выполняются функции взаимодействия с пользователем после выполнения алгоритмов. Это включает в себя отправку результатов в графический интерфейс или отображение их на ЖК-дисплее.
  • Пауза. При ней устройство переходит в состояние малого энергопотребления в ожидании следующей итерации.

Документ «Application Software (SW) for MSP430FR6047-Based Ultrasonic Water Flow Meter» («Руководство пользователя по прикладному программному обеспечению для ультразвукового расходомера на основе MSP430FR6047») описывает архитектуру и реализацию приложения более подробно.

Адаптация приложения

Приложение ультразвуковой системы измерения расхода воды, включенное в данный проект TI, представлено в исходном коде, что позволяет разработчикам адаптировать его в соответствии со своими потребностями. Несмотря на то, что разработчики могут изменять функциональность и поведение приложения по мере необходимости, наиболее распространенные изменения включают:

  • Изменение конфигурации USS по умолчанию. Несмотря на то, что графический интерфейс Design Center позволяет разработчикам изменять различные параметры конфигурации ультразвука, как описано в разделе «Графический интерфейс Design Center USS», приложение включает в себя исходный код файлов конфигурации, который можно изменить для изменения параметров системы по умолчанию.
  • Изменение аппаратного обеспечения. Приложение построено на принципах модульности, включая уровень абстрагирования оборудования (Hardware Abstraction Layer, HAL) для инкапсуляции взаимодействий оборудования. Эта особенность облегчает настройку различных аппаратных требований разработчиков и упрощает миграцию между платформами TI.
  • Настройка обработки данных. Библиотека содержит собственные алгоритмы, которые используются для обработки захваченных сигналов АЦП и получения информации о расходе. Тем не менее, разработчики могут реализовать собственные алгоритмы, добавить собственный код или попытаться оптимизировать производительность системы.
  • Изменение конфигурации приложения по умолчанию. Приложение поддерживает несколько функций, которые могут быть включены, отключены или адаптированы разработчиками. В таблице 2 перечислены эти функции.

Таблица 2. Конфигурация функций приложения

Функция Описание Определения
Калибровка резонатора Приложение периодически калибрует резонатор, используя кварцевый резонатор на 32 кГц в качестве эталона. Полученное значение используется как поправочный коэффициент для расчетов времени пролета. USS_APP_RESONATOR_CALIBRATE
USS_APP_RESONATOR_CALIBRATE_I NTERVAL
Автоматическая регулировка усиления Приложение периодически пересчитывает оптимальное значение усиления. USS_APP_AGC_CALIBRATE
USS_APP_AGC_CALIBRATE_INTERVAL
Компенсация постоянной составляющей Приложение рассчитывает и компенсирует постоянную составляющую в сигнале АЦП. USS_APP_DC_OFFSET_ESTIMATE
USS_APP_DC_OFFSET_ESTIMATE_INT ERVAL

В документе «Application Software (SW) for MSP430FR6047-Based Ultrasonic Water Flow Meter» («Руководство пользователя по прикладному программному обеспечению для ультразвукового расходомера на основе MSP430FR6047») процедура адаптации приложения описана более подробно.

ЖК-дисплей в автономном режиме

Приложение поддерживает автономный режим, в котором можно вывести различные результаты измерения расхода с помощью ЖК-дисплея и кнопок навигации. Переход в этот режим выполняется нажатием кнопки «UP». ЖК-дисплей включается, чтобы отобразить первое из измерений (мгновенный расход). Кнопки навигации «LEFT» и «RIGHT» можно использовать для прокрутки различных результатов измерений следующим образом:

  • мгновенный расход;
  • средний расход;
  • объем;
  • напряжение батареи;
  • мгновенное дифференциальное время пролета;
  • среднее дифференциальное время пролета;
  • стандартное отклонение дифференциального времени пролета.

Повторное нажатие навигационной кнопки «UP» выключает ЖК-дисплей и выводит систему из этого режима. На рисунке 9 показана блок-схема работы автономного режима.RIGHT (ScrollState++) LEFT (ScrollState—).

Рис. 9. Конечный автомат состояний ЖК-дисплея и кнопок

Рис. 9. Конечный автомат состояний ЖК-дисплея и кнопок

Графический интерфейс Design Center USS

Графический интерфейс инструмента Ultrasonic Sensor Design Center MSP430, включенный в этот типовой проект, позволяет разработчикам изменять некоторые параметры конфигурации, необходимые для тестирования различных преобразователей, 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

Окно конфигурации позволяет разработчикам настраивать параметры, указанные в таблице 3.

Таблица 3. Описание параметров конфигурации графического интерфейса

Параметр Описание
Частота передачи, кГц Частота исходящих импульсов в кГц, используемых для возбуждения преобразователей.
Интервал между началом импульса и окном дискретизации АЦП, мкс Интервал времени в микросекундах между моментом начала генерации исходящих импульсов и началом дискретизации принятого сигнала на SDHS.
Количество импульсов Количество сгенерированных и отправленных импульсов.
Интервал между восходящим и нисходящим каналами, мкс Интервал времени в микросекундах между измерениями по направлению и против направления потока.
Интервал между UPS0 и UPS1, мс Интервал времени в миллисекундах между выборками от момента окончания измерения по потоку до начала следующего измерения против потока.
Управление усилением из графического интерфейса Значение усиления PGA в дБ. Данный параметр может принимать только определенные значения, которые поддерживаются устройством MSP430FR6047.
Постоянная измерительного прибора Константа, используемая для расчета объемного расхода. Эта статическая константа связана с площадью поперечного сечения счетчика, которую поставщик должен установить однократно. Данное значение также должно варьироваться, в зависимости от того, отображаются данные в л/ч или в гал/мин.

На рисунке 11 показана панель конфигурации расширенных параметров.

Рис. 11. Окно конфигурации расширенных параметров графического интерфейса

Рис. 11. Окно конфигурации расширенных параметров графического интерфейса

На панели конфигурации расширенных параметров перечислены параметры из таблицы 4.

Таблица 4. Описание расширенных параметров конфигурации графического интерфейса

Параметр Описание
USSXT, кГц Частота в кГц резонатора X1, подключенного к MSP430FR6047 на EVM430-FR6047.
Частота дискретизации АЦП, кГц Зарезервировано.
Частота дискретизации сигнала, кГц Частота дискретизации полученного сигнала в кГц.
Частота избыточной дискретизации АЦП Коэффициент избыточной дискретизации (OSR) SDHS. Равен 10 для частоты дискретизации сигнала в диапазоне 6,8…8,0 МГц и 20 для частоты дискретизации в диапазоне 3,4…4,0 МГц.
Смещение интервала времени пролета, пс Смещение для компенсации дельты времени пролета в пикосекундах для любого ненулевого смещения.
Дополнительная задержка абсолютного времени пролета, нс Время в наносекундах для компенсации неучтенных дополнительных задержек в абсолютном времени пролета.
Продолжительность захвата сигнала, мкс Продолжительность захвата сигнала АЦП в микросекундах.
Пользовательский параметр 1 Зарезервировано.
Пользовательский параметр 2 (ULPBiasDelay) указывает задержку в применении смещения после инициализации модуля USS. Рекомендуется установить это значение на 3 (соответствует 300 мкс) и не менять.
Момент начала работы PPG, нс Время запуска генератора импульсов PPG в наносекундах.
Момент начала работы АЦП, нс Время запуска АЦП в наносекундах.
Момент начала работы PGA и IN Bias, нс Время запуска PGA и входного смещения в наносекундах.
Пользовательский параметр 6 Зарезервировано.
Время установления USS XTAL, мкс Время, выделенное для установления частоты кварцевого резонатора USS после инициализации.
Пользовательский параметр 8 Зарезервировано.
Пользовательский параметр 9 Зарезервировано.
Пользовательский параметр 10 Зарезервировано.

Инструмент Ultrasonic Sensor Design Center MSP430 позволяет разработчикам наблюдать за поведением системы в режиме реального времени в окне Waveforms («Осциллограммы»), показанном на рисунке 12. Данный инструмент отображает значения дельты времени пролета (DToF) на верхней панели, абсолютного времени пролета в направлении против потока (AbsToFUPS) и абсолютного времени пролета в обратном направлении (AbsToFDNS), а также объемный расход (VFR). Графики отображают как мгновенные измерения, так и среднее значение измерений.

Рис. 12. Окно Waveforms графического интерфейса Design Center USS

Рис. 12. Окно Waveforms графического интерфейса Design Center USS

Кроме того, также можно получить и построить одну выборку для проверки целостности сигнала с помощью панели данных АЦП «ADC Capture» (рисунок 13). Панель позволяет пользователям получать непрерывные выборки сигнала АЦП при непрерывных измерениях, а также выполнять дополнительную отладку, если это необходимо.

Рис. 13. Окно ADC Capture графического интерфейса Design Center USS

Рис. 13. Окно ADC Capture графического интерфейса Design Center USS

Преобразователь и измеритель

Цель данного проекта Texas Instruments – показать процесс практического применения ультразвуковой подсистемы для реализации расходомера, а не описать конструкцию преобразователя или измерителя. Контрольные измерители сконструированы на основе комбинации стандартных измерителей, поставляемых сторонними производителями, например, компаниями Audiowell или Jiakang. На рисунке 14 показаны соединения преобразователей между измерителем и EVM430-FR6047, когда расходомер находится в стационарном состоянии (нулевом потоке). Соединения остаются такими же даже во время испытаний при ненулевом потоке.

Рис. 14. EVM430-FR6047, подключенный к расходомеру воды в стационарном режиме

Рис. 14. EVM430-FR6047, подключенный к расходомеру воды в стационарном режиме

Как разъясняется в разделе «Измерение расхода», процесс начинается с того, что первый преобразователь генерирует ультразвуковой сигнал, который принимается вторым преобразователем после прохождения сигнала через жидкую среду. Затем второй преобразователь излучает ультразвуковой сигнал, который впоследствии принимается первым преобразователем. В обоих случаях ультразвуковые сигналы, генерируемые преобразователями, являются результатом возбуждения преобразователя модулем USS микроконтроллера MSP430FR6047.

Частотная характеристика преобразователя и измерителя

Различные измерители и преобразователи имеют разные отклики; следовательно, важно проанализировать частотную характеристику измерителя для получения оптимальной производительности.

Для этой цели можно использовать графический инструмент MSP430, представленный в данном проекте TI. Графический интерфейс содержит панель Frequency Sweep («Качание частоты»). В документе «Ultrasonic Sensing Design Center User’s Guide» («Руководстве пользователя системы Ultrasonic Sensing Design Center») подробно описываются операции с этой панелью, однако для полноты данного руководства краткое описание процедуры приводится далее.

Чтобы начать процедуру, выполните следующие шаги:

  • установите параметр F1 на вкладке Configuration («Конфигурация»), а затем установите параметр Number of Captures («Число выборок») на вкладке Frequency Sweep («Качание частоты»), чтобы определить диапазон, в котором следует выполнять качание;
  • нажмите кнопку Frequency Sweep («Качание частоты») и перейдите в нужную папку на диске, где хранятся данные качания частоты, а затем нажмите кнопку Save («Сохранить»).

Функция качания частоты помогает определить, на какой частоте возбуждения преобразователя захват АЦП достигает максимальной амплитуды. Частота, на которой достигается пиковая амплитуда, должна использоваться в качестве нового значения параметра F1 для получения самого сильного сигнала для данной конфигурации измерителя. Например, на рисунке 15 в параметр F1 следует поместить значения 2220…2300.

Рис. 15. Результаты анализа частотной характеристики

Рис. 15. Результаты анализа частотной характеристики

Испытания и результаты 

Испытательная установка 

В этом разделе описано, как запустить и продемонстрировать типовой проект ультразвукового расходомера.

Подключение аппаратной части

Для демонстрации должны быть выполнены следующие соединения:

  • Сконфигурируйте устройство EVM430-FR6047 в соответствии с конфигурацией, показанной в разделе «EVM430-FR6047».
  • Подключите преобразователи к разъему J5 на EVM. Два внутренних контакта J5 будут являться заземлением. На данном разъеме также предусмотрены дополнительные контакты заземления, что позволяет подключать преобразователи с тремя контактами (одним сигнальным и двумя заземляющими контактами). Сигнальные контакты преобразователей должны быть подключены к CH0 и CH1, а контакты заземления – к GND, как показано в таблице 5 (разъем преобразователя).

Таблица 5. Подключение преобразователей к J5

Внешний ряд → GND GND GND GND
Внутренний ряд → CH0 GND GND CH1
  • Подключите USB-кабель EVM к ПК. Для данных испытаний ультразвуковая часть EVM430-FR6047 питается от внешнего источника питания. Результаты представлены далее. При использовании внешнего источника питания переключатель POW_SEL должен быть установлен в верхнее положение (External), как показано на рисунке 16.

Рис. 16. Внешнее питание EVM

Рис. 16. Внешнее питание EVM

Внешний источник питания должен быть подключен к разъему EXT_POW. Контакты GND на J1 и J3 должны быть подключены. Перемычки TEST и RST на разъеме J2 должны быть установлены для загрузки кода с ПК. В ходе испытаний будет производиться обмен данными через USB по протоколу I2C для сбора данных измерений с ПК, поэтому необходимо установить перемычки соединения на разъеме J4 – COMM_IRQ, COMM_SDA и COMM_SCL.

В документе «EVM430-FR6047 Hardware Guide» («Руководство по аппаратному обеспечению EVM430-FR6047») представлено более подробное описание различных возможностей EVM и различных конфигураций.

Сборка и загрузка программного обеспечения

Пакет программного обеспечения, включенный в эту типовую разработку, содержит проекты для CCS и IAR. В последующих разделах объясняется, как собрать и загрузить на устройство программное обеспечение.

Code Composer Studio:

  • откройте или создайте рабочее пространство;
  • импортируйте проект приложения, выбрав Меню → Проект → Импортировать проекты CCS, а затем выберите следующий путь: <Папка библиотеки расходомера USS>\examples\USSLib_GUI_Demo\CCS\ (рисунок 17);

Рис. 17. Импорт проекта в CCS

Рис. 17. Импорт проекта в CCS

  • выполните сборку проекта (Ctrl + B);
  • загрузите код на устройство (F11);
  • закройте отладчик. Также пользователь может запустить или отладить приложение, однако в данном руководстве описывается только процесс автономного выполнения.

IAR:

  • откройте рабочую область проекта: <Папка библиотеки расходомера USS>\examples\USSLib_GUI_Demo\IAR\USSLib_Workspace.eww;
  • выполните сборку проекта (F7);
  • загрузите код на устройство (Ctrl+D);
  • закройте отладчик. Также пользователь может запустить или отладить приложение, однако в данном руководстве описывается только процесс автономного выполнения.

Запуск приложения:

  • Чтобы запустить приложение без взаимодействия с отладчиком, установите перемычки EVM, как показано в разделе «EVM430-FR6047»;
  • нажмите кнопку сброса EVM430-FR6047 (MCU_RESET), чтобы перезагрузить устройство и запустить приложение. Программирование устройства завершено. Приложение всегда будет запускаться при нажатии кнопки сброса или после сброса при включении питания.

Настройка устройства и просмотр результатов с помощью графического интерфейса:

  • запустите графический интерфейс приложения, расположенный в папке <USS_GUI root>\USS.exe. Приложение автоматически обнаруживает устройство HID, соответствующее EVM430-FR6047;
  • выберите пункт Communications («Соединения») → Connect («Подключиться») в меню приложения;
  • нажмите кнопку Load Configuration («Загрузить конфигурацию»), чтобы загрузить одну из конфигураций по умолчанию;
  • выберите одну из конфигураций в папке <Папка библиотеки>\examples\gui_config\;
  • нажмите кнопку Request Update («Запросить обновление»), чтобы отправить конфигурацию на устройство. Когда конфигурация будет загружена в устройство, графический интерфейс отобразит сообщение, как показано на рисунке 18;

Рис. 18. Загрузка конфигурации на устройство из графического интерфейса

Рис. 18. Загрузка конфигурации на устройство из графического интерфейса

  • проверьте целостность сигнала в окне ADC Capture, как описано в разделе «Графический интерфейс Design Center USS»;
  • проверьте рассчитанные значения времени пролета и объема в окне Waveforms, как описано в разделе «Графический интерфейс Design Center USS»;
  • при желании отрегулируйте параметры и отследите изменения формы сигнала и расчетных значений.

Внесение изменений и оптимизация

TIDM-1019 было протестировано с использованием счетчиков сторонних производителей и других проприетарных счетчиков, описанных в разделе «Преобразователь и измеритель». Тем не менее, система позволяет вносить изменения и оптимизировать процесс, используя другие преобразователи и модели измерителей.

Чтобы достичь необходимого баланса между производительностью и энергопотреблением, разработчикам рекомендуется использовать графический инструмент MSP430 Ultrasonic Design Center для настройки различных параметров конфигураций.

Например, разработчики могут выбрать частоту дискретизации сигнала (SIG_SAMPLING_FREQ) в 8 МГц для достижения более высокого разрешения за счет более высокого потребления тока. В то же время это может оказаться лишним при использовании преобразователей в 1 МГц. В таком случае разработчики могут выбрать частоту дискретизации либо 3,4, либо 3,6, а также 3,8 или 4 МГц, что приведет к снижению энергопотребления.

В зависимости от характеристик измерителя и преобразователей, следует скорректировать следующие параметры:

  • Частота передачи (кГц) зависит от частоты возбуждения преобразователя. Например, при выборе значения f1 = 1000 кГц система генерирует сигнал возбуждения на частоте 1 МГц для преобразователя 1000 кГц.
  • Интервал между началом импульса и окном дискретизации АЦП (мкс). Данная величина зависит от размеров измерителя и должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить надлежащий захват сигнала при различных скоростях потока и изменениях температуры.
  • Количество импульсов влияет на пиковую амплитуду и, в свою очередь, на энергию сигнала, получаемого преобразователем-приемником. Это отражается на основных характеристиках измерителя, таких как отношение «сигнал/шум» и стандартное отклонение одиночного измерения. С другой стороны, значение этого параметра также прямо пропорционально потреблению тока. Разработчикам рекомендуется отрегулировать это значение, чтобы система генерировала соответствующую амплитуду сигнала и стандартное отклонение при требуемых показателях потребления.
  • Интервал между восходящим и нисходящим каналами (мкс). Разработчикам рекомендуется выбрать подходящую задержку, обеспечивающую свободный канал до начала следующего цикла.
  • Интервал между UPS0 и UPS1 (мс) – это интервал времени между окончанием одного измерения и началом следующего. Он влияет на скорость измерения. Значение в 1000 мс дает частоту измерения приблизительно 1 Гц.
  • Управление усилением из графического интерфейса задает настройку усиления PGA в модуле USS на устройстве MSP430FR6047.
  • Постоянная измерительного прибора – постоянная, используемая для расчета объемного расхода как функции времени пролета и площади данного измерителя, как описано в формуле 4. Типичная процедура для вычисления этой константы состоит в том, чтобы обеспечить постоянный расход (например, 200 л/ч или 1 гал/мин) и отрегулировать постоянную измерительного прибора для обеспечения соответствующей объемной скорости потока с использованием графического интерфейса пользователя.
  • USSXT (кГц) выбирается между 4 и 8 МГц, в зависимости от частоты USSXT на EVM430-FR6047. Модуль EVM обычно поставляется с резонатором 8 МГц и должен использоваться с данным параметром, установленным на 8 МГц. Если на EVM используется другой USSXT, пользователи должны установить это значение соответствующим образом.
  • SIG_SAMPLING_FREQ (кГц) выбирается между 6800, 7200, 7600 или 8000 кГц и должен быть достаточно высоким, чтобы соответствовать критерию Найквиста для уменьшения ошибки во время интерполяции. Рекомендуемая частота дискретизации должна быть в 3,4 раза больше частоты преобразователя. Разработчики могут изменить это значение для баланса между разрешением и энергопотреблением.
  • Частота избыточной дискретизации АЦП выбирается между 10 и 20. В данном проекте значение 20 используется при частоте дискретизации АЦП ≤ 4 МГц, а 10 – при частоте дискретизации АЦП > 6 МГц. MSP430FR6047 поддерживает частоты дискретизации АЦП только в промежутках 3,4…4 МГц или 6,8…8 МГц. Частоты дискретизации в диапазоне 4…6,8 МГц не поддерживаются устройством.
  • Смещение дельты времени пролета (пс) – это корректировка значения дифференциального времени пролета в процессе расчета объемного расхода в библиотеке ультразвукового расходомера. Разработчики могут по желанию сделать свой собственный расчет объемного расхода на основе значений времени пролета, предоставленных библиотекой.
  • Дополнительная задержка абсолютного времени пролета (нс) – корректировка абсолютного значения времени пролета для учета любых дополнительных задержек. Значение зависит от формы сигнала и порога огибающей, как представлено ниже. Разработчики могут по желанию установить это значение на ноль и внести свои собственные корректировки абсолютного значения времени пролета на уровне приложения.
  • Продолжительность захвата сигнала (мкс) зависит от формы сигнала, полученного от преобразователя. Значение должно выбираться таким образом, чтобы обеспечить соответствующий захват сигнала при различных скоростях потока и изменениях температуры.
  • Параметр 2 (ULPBiasDelay) указывает задержку в применении смещения после инициализации модуля USS. Рекомендуется установить это значение на 3 (соответствует 300 мкс) и не менять.
  • Момент начала работы PPG (нс) устанавливает задержку между запуском внутреннего таймера в модуле USS в FR6047 и началом генерации импульсов возбуждения (триггер импульсов PPG). Рекомендуется установить это значение на 10000 (соответствует 10 мкс).
  • Момент начала работы АЦП (нс) устанавливает задержку между запуском внутреннего таймера в модуле USS в FR6047 и началом работы высокоскоростного сигма-дельта-АЦП. Рекомендуется установить это значение на 5000 (соответствует 5 мкс).
  • Момент начала работы PGA и IN Bias (нс) устанавливает задержку между запуском внутреннего таймера в модуле USS в FR6047 и началом применения смещения. Рекомендуется установить это значение на 0 (соответствует 0 мкс).
  • Время установления USS XTAL (мкс) задает время установления частоты кварцевого резонатора USSXT. Рекомендуется установить это значение в 120 мкс для резонатора (USSXT) на EVM.

Результаты тестирования

В этом разделе подробно описаны экспериментальные результаты, собранные на нескольких измерителях с использованием преобразователей с частотой 1 МГц.

Стандартное отклонение одиночного измерения

Стандартное отклонение одиночного измерения дифференциального времени пролета является мерой, используемой для выражения ожидаемой дисперсии выходного сигнала при нулевом потоке и температуре окружающей среды (рисунок 19). STD рассчитывается путем запуска системы при температуре окружающей среды и в условиях нулевого потока.

Рис. 19. Изменение дельты времени пролета

Рис. 19. Изменение дельты времени пролета

Графический интерфейс MSP430 Ultrasonic Design Center можно использовать для получения значений DToF в течение 5…30 минут, а STD можно рассчитать с помощью таких инструментов как MATLAB® или Excel®.

Стандартное отклонение одиночного измерения блоков по 200 измерений представлено на графике, изображенном на рисунке 20. Каждый график представляет собой стандартное отклонение одиночного измерения по 200 измерениям. График ясно показывает, что вариация стандартного отклонения одиночного измерения составляет всего ±2 пс, а среднее значение – меньше 25 пс.

Рис. 20. Стандартное отклонение одиночного измерения при комнатной температуре

Рис. 20. Стандартное отклонение одиночного измерения при комнатной температуре

Дрейф нулевого потока

Дрейф нулевого потока (Zero-Flow Drift, ZFD) – это мера, используемая для выражения ожидаемого дрейфа DToF при нулевом потоке по температуре. Эта мера также влияет на минимальный обнаруживаемый расход в зависимости от температуры.

При использовании измерителя и EVM430-FR6047 при комнатной температуре ZFD в течение продолжительного времени, равного приблизительно 36 часам, составляет всего около 11 пс (рисунок 21). Данное испытание проводится в испытательной лаборатории, где могут наблюдаться небольшие колебания температуры окружающей среды. Дрейф находится в пределах небольшой полосы – около 6 пс.

Рис. 21. Дрейф нулевого потока DToF при комнатной температуре

Рис. 21. Дрейф нулевого потока DToF при комнатной температуре

В целях испытаний проводятся два отдельных измерения ZFD при переменной температуре, оба – при нулевом потоке. Испытания измерителя в нагревательной камере подразумевают изменение температуры воды/счетчика в диапазоне 5…85°C, в то время как электроника (EVM430-FR6047 EVM) находится при комнатной температуре. Испытания устройства в нагревательной камере подразумевают изменение температуры электронного модуля в диапазоне -40…85°C, в то время как измеритель и вода находятся при комнатной температуре. Температурный профиль нагревательной камеры, использованный для расчета ZFD, приведен на рисунке 22 вместе с ожидаемым изменением AbsToF. Как видим, ожидается, что AbsToF будет варьироваться при изменении температур в соответствующем диапазоне.

Рис. 22. Дрейф нулевого потока DToF при помещении измерителя в нагревательную камеру

Рис. 22. Дрейф нулевого потока DToF при помещении измерителя в нагревательную камеру

ZFD рассчитывается путем получения диапазона дифференциального времени пролета, усредненного по 200 выборкам. Графический интерфейс Ultrasonic Design Center MSP430 можно использовать для получения дифференциального значения времени пролета, в то время как инструменты, например MATLAB или Excel, можно использовать для расчета среднего значения по 200 выборкам и результирующего дрейфа.

На рисунке 23 показано результирующее дифференциальное время пролета по температурам, усредненное по 200 выборкам.

Рис. 23. Дрейф нулевого потока DToF при помещении EVM430-FR6047 в нагревательную камеру

Рис. 23. Дрейф нулевого потока DToF при помещении EVM430-FR6047 в нагревательную камеру

Измерения абсолютного времени пролета

Изменение абсолютного времени пролета (рисунок 24) также является важным как для решений по измерению расхода, так и для других решений, например, для анализаторов смесей. Важным показателем в случае AbsToF является также дрейф во времени и стандартное отклонение измерений.

Рис. 24. Измерение AbsToF в течение 36 часов

Рис. 24. Измерение AbsToF в течение 36 часов

Измерение расхода

Измерения расхода проводились в латунной трубе производства компании Audiowell с применением широко представленного на рынке преобразователя, приобретаемого независимо от Texas Instruments. В трубе Audiowell размещались преобразователи с номинальной частотой возбуждения 1 МГц.

В документе «MSP430FR6047 and Ultrasonic Software Based Water Flow Meter Measurement Results» («Результаты измерений расхода воды с помощью ультразвукового измерителя на основе MSP430FR6047») приводятся дополнительные сведения об испытательном стенде для измерения расхода.

Испытание с фиксированной скоростью потока проводится при скорости 1 галлон в минуту, что составляет приблизительно 220 литров в час. Измерения проводились с частотой 1 Гц (1 измерение в секунду) для получения скоростей потока воды при комнатной температуре. Частота дискретизации SDHS варьируется на нескольких возможных частотах: 3,4, 3,6, 4,0, 7,2 и 8,0 МГц. На рисунке 25 приведены результирующие значения дифференциального времени пролета (DToF) при разных частотах дискретизации.

Рис. 25. DToF для 1 гал/мин при различных частотах дискретизации

Рис. 25. DToF для 1 гал/мин при различных частотах дискретизации

Среднее энергопотребление

Среднее энергопотребление является важной характеристикой для систем с ограничением мощности, таких как расходомеры воды с питанием от аккумуляторной батареи.

Потребляемая мощность устройства зависит от нескольких различных параметров, которые можно настроить с помощью графического интерфейса MSP430 Ultrasonic Design Center: частоты преобразователя, количества импульсов, интервала между UPS- и DNS-каналами, скорости измерения (интервал DNS-UPS), частоты дискретизации сигнала и длительности выборки.

Оптимальная конфигурация этих параметров зависит от измерителя, при этом должен существовать баланс между производительностью и потреблением энергии (рисунок 26).

Рис. 26. Профиль потребления тока во время измерения

Рис. 26. Профиль потребления тока во время измерения

Профиль потребления тока, показанный на рисунке 26, получен при испытаниях трубы измерителя расхода воды и MSP430FR6047 с параметрами, приведенными в таблице 6. Для краткости здесь не приводятся параметры конфигурации, которые не влияют на потребление тока.

Таблица 6. Конфигурация системы для измерения потребления тока 

Параметр Значение
Частота передачи, кГц 1000 кГц
Интервал между началом импульса и окном дискретизации АЦП, мкс 62
Количество импульсов 20
Интервал между восходящим и нисходящим каналами, мкс 13000 (соответствует 13 мс)
Интервал между UPS0 и UPS1, мс 990
Частота дискретизации сигнала, кГц 3600
Частота избыточной дискретизации АЦП 20
Смещение дельты времени пролета, пс 0
Дополнительная задержка абсолютного времени пролета, нс 0
Продолжительность захвата сигнала, мкс 40
Пользовательский параметр 2 3 (соответствует 300 мкс)
Момент начала работы PPG, нс 10000 (соответствует 10 мкс)
Момент начала работы АЦП, нс 5000 (соответствует 5 мкс)
Момент начала работы PGA и IN Bias, нс 0
Время установления USS XTAL, мкс 120

Как показано на рисунке 26, мгновенное потребление тока варьируется, в зависимости от состояния программного обеспечения. Различные состояния и функционал каждого состояния перечислены в таблице 7.

Таблица 7. Состояния при каждом измерении потребления тока

Состояние Длительность, мкс Потребление тока мгновенное (доля), мкА Описание состояния
CLK INIT 185 928 (0,172) Инициализация резонатора USSXT. Модуль USS выключен.
USS INIT (UPS) 413 700 (0,289) Модуль USS включен и регистры всех подмодулей инициализированы.
UPSTREAM PULSE 250 2720 (0,68) Отправка импульса против потока и принятие сигнала.
UPSTREAM/DOWNSTREAM GAP 13000 1,11 (0,014) Интервал между восходящим и нисходящим каналами. ЦП в режиме LPM3.
USS INIT (DNS) 575 618 (0,355) До отправки импульса по потоку модуль USS включен, регистры всех подмодулей инициализированы.
DOWNSTREAM PULSE 250 2720 (0,68) Отправка импульса по потоку и принятие сигнала
DATA PROCESSING 560 1030 (0,577) Вычисление DToF, AbsToF и VFR. Модуль USS отключен.
SLEEP 985000 1,11 (1,093) Интервал между окончанием текущего измерения и началом следующего. ЦП в режиме LPM3. USS отключен.

Требования к памяти

Оценка требований к памяти необходима для реализации системы ультразвукового измерения расхода воды. В таблице 8 приведены данные об использовании памяти FRAM, RAM и LEARAM, в том числе об использовании памяти библиотекой USSSW и демонстрационным приложением, которое инкапсулирует вызовы API библиотеки и подключается к графическому интерфейсу USS Design Center. Размер памяти указан в килобайтах. Приведенные требования включают в себя требования к памяти, используемой с CCS IDE. Использование памяти аналогично и для IAR IDE.

Таблица 8. Требования к памяти

Параметр Условия Типичный объем памяти, кб
Общий объем FRAM, используемый демонстрационным приложением (MEMAPP_FRAM) Включая код и константы 69,2
Общий объем RAM, используемый демонстрационным приложением (MEMAPP_RAM) Включая переменные, размещаемые в RAM и FRAM 5,3
Объем FRAM, используемый библиотекой (MEMLIB_FRAM) Включая весь код библиотеки и константы, используемые приложением 21,9
Объем RAM, используемый библиотекой (MEMLIB_RAM) Включая все переменные библиотеки, используемые приложением 4,4
Объем LEARAM, используемый библиотекой (MEMLIB_LEARAM) Включая все библиотечные переменные и структуры данных, используемые приложением и библиотекой 2,6

Проектные файлы

Чтобы загрузить схемы и перечень компонентов (BOM), схемы уровней компоновки, проектные файлы Altium, файлы Gerber и файлы приложения пройдите по ссылке на проектные файлы: TIDM-1019. [http://www.ti.com/tool/TIDM-1019]

Рекомендации по компоновке печатных плат

Для обеспечения точности измерений и правильной работы системы необходимо следовать общим рекомендациям по компоновке печатных плат:

  • развязывающие конденсаторы должны располагаться близко к контактам питания;
  • генераторы должны располагаться близко к микросхеме и использовать плоскость заземления, отдельную от основной. Эти компоненты должны подводиться к основной плоскости заземления с помощью небольшого соединения (рисунок 27);

Рис. 27. Рекомендации по компоновке: генератор

Рис. 27. Рекомендации по компоновке: генератор

  • дорожки для USS CH0_IN, CH0_OUT, CH1_IN и CH1_OUT должны совпадать по длине, чтобы обеспечить правильную синхронизацию сигналов, поскольку они находятся в пикосекундном диапазоне, как показано на рисунке 28;

Рис. 28. Рекомендации по компоновке: симметричные дорожки подключения преобразователей

Рис. 28. Рекомендации по компоновке: симметричные дорожки подключения преобразователей

  • для всех сигнальных компонентов USS допуск на элемент должен составлять 1% для получения максимальной точности;
  • убедитесь, что сигнальные дорожки USS не пересекаются с какими-либо дорожками на других уровнях;
  • подключение ЖК-дисплея должно соответствовать указаниям документа «Designing With MSP430 and Segment LCD» («Проектирование на основе MSP430 и сегментного ЖК-дисплея»).

Сопутствующая документация

  1. MSP430FR6047 Ultrasonic Sensing MSP430 Microcontollers for Water-Metering Applications, data sheet (техническая спецификация «MSP430FR6047: ультразвуковая система на основе микроконтроллеров MSP430 для измерения расхода воды»)
  2. MSP430FR58xx, MSP430FR59xx, and MSP430FR6xx Family User’s Guide («Руководство пользователя микроконтроллеров семейства MSP430FR58xx, MSP430FR59xx и MSP430FR6xx»)
  3. Quick Start Guide for MSP430FR6047-Based Ultrasonic Water Flow Meter («Краткое руководство по эксплуатации ультразвукового расходомера на основе MSP430FR6047»)
  4. EVM430-FR6047 Hardware Guide («Руководство по аппаратному обеспечению EVM430-FR6047»)
  5. Application Software (SW) for MSP430FR6047-Based Ultrasonic Water Flow Meter, user’s guide (руководство пользователя «Прикладное программное обеспечение для ультразвукового расходомера воды на основе MSP430FR6047»)
  6. Ultrasonic Design Center User’s Guide («Руководство пользователя системы Ultrasonic Design Center»)
  7. Low-Energy Accelerator (LEA) Frequently Asked Questions (FAQ), application report (отчет о применении «Ускоритель вычислений с низким энергопотреблением (LEA): Часто задаваемые вопросы)
  8. Benchmarking the Signal Processing Capabilities of the Low-Energy Acceleratoron MSP430 MCUs, application report (отчет о применении «Сравнительный анализ возможностей обработки сигналов ускорителя вычислений с низким энергопотреблением на микроконтроллерах MSP430»)
  9. MSP430FR6047 and Ultrasonic Software Based Water Flow Meter Measurement Results, application report (отчет о применении «Результаты измерений расхода воды с помощью ультразвукового измерителя на основе MSP430FR6047»)
  10. Designing with MSP430 MCUs and Segment LCDs, application report (отчет о применении «Проектирование на основе MSP430 и сегментного ЖК-дисплея»)

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
MSP430FR6047IPZ (TI)
MSP430FR6047 (TI)
MSP430FR6047IPZR (TI)
MSP430FR60471IPZ (TI)
MSP430FR60471IPZR (TI)
EVM430-FR6047 (TI)