TDC-GP21在超声波传播时间测量中的应用

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通过超声波传播时间测量厚度、距离、流量等应用越来越广泛，对超声波传播时间测量的精度要求也达到了 ns级甚至ps级。目前高精度时间测量方法有电子计数法、模拟内插法，时间线延迟法(TDC)、游标法、幅度 -时间转换法(rVc)等。

其中，延迟线内插法的时间测量分辨率撒于延迟单元的门延迟，在集成电路中常采用反相器，在现有的工艺条件下门延迟可以达到 l0-100 ps，在工程中应用最广泛 J。TDC-GP21芯片采用延迟线内插法，时间测量分辨率为22 ps，同时芯片对超声波的激励和接收提供了丰富的附加功能，非常适合于高精度超声波传播时间测量中的应用。文中将其与单片机结合起来，研究了-种高精度的超声波传播时间测量系统。

1 超声波传播时间测量原理由于超声波换能器与气体之间声阻抗不匹配，且超声波测量常工作在各种噪声环境中，因此接收的超声波信号可能非常微弱，甚至消失 。为了减小因噪声引起的误差，以信噪比高的接收信号首次达到峰值时的过零点作为超声波信号到达时刻。图1为超声波传播时间测量逻辑图。

图中激励信号的第-个下降沿 时刻 TDC芯片开始计时，当接收信号达到阈值电压前TDC芯片停止通道电压为高电平，接收信号达到阈值电压后TDC芯片停止通道电压在过零点处发生翻转。当超声波信号大于零时 TDC芯片停止通道的电压跳变为低电平，当超声波信号小于零时TDC芯片停止通道的电压跳变为高电平。TDC芯片将记下停止通道的前三个下降沿到达时刻T1， ， 。其中 时刻即为接收信号首次达到峰基金项目：国家自然科学基金重点项目(61131004)收稿日期 ：2012-07-17 收修改稿日期：2013-01-2l激励信号阙值电压接收信号n n n道-- 厂 图1 超声波传播时间测量逻辑图值时的过零点。 到首次过零点之间的时间间隔在系统校准时确定。

2 超声波传播时间测量方案设计方案采用STM32F103单片机为主控制芯片，TDC-GP21高精度计时芯片作为超声波传播时间测量芯片。系统总框图如图2所示。

图2 系统总框图系统通过STM32F103单片机产生超声波激励脉冲，控制模拟开关进行收发切换，完成 DAC转换和控制TDC-GP21进行时间测量。比较电路能够从超声波信号中触发单片机中断和100 Instrument Technique and Sensor Jun.2013成，无需发送校准命令。

2-8 MHz晶振具有0.3% -0.5%的较大误差，并具有温漂，应通过精确的32.768 kHz低速晶振进行校准，高速时钟校准时间由寄存器 1的 ANZ-PER-CALRES位设定，可设置为32.768 kHz时钟周期的2倍、4倍、8倍、16倍，对应校准时间为61.035 s、122.07 s、244.14 s、488.28 s。

高速时钟校准公式如下：RES- X： (3) 1T Tr XRES X (4)式中：RES-X为高速时钟的校准系数；Tro 。为校准时设定的实际时间；T 为校准时所测得的理论时间； 为测量阶段 TDC-GP21芯片校准前的测量时间； 为校准后实际的测量时间。

为保证校准的实时性，在每次进行时间测量之前要进行高速时钟校准。校准结束后初始化TDC芯片，等待5.14 ms使高速时钟达到满振幅。因此校准系数不完全等于测量时高速时钟的实际校准系数。

可能导入的时间误差为：△ Tl x(ARES X) (5)式中ARESX为测量时高速时钟校准系数与TDC-GP21高速时钟校准时的校准系数之间的差值。

3.3 TDC-GP21芯片高速时钟工作模式4 MHz高速晶振在-直启振的状态下 ，平均工作电流为260 A，在测量范围 2中仅在测量时间时需要高速晶振 J-启晶振与测量之间的-段延迟时问保证了晶振达到满振幅。

延迟时间可设置为480 Ls、1.46 ms、2.44 ms、5.14 ms、高速晶振关闭以及持续开启等。

高速时钟延迟设为5.14ms上时钟校准TDC芷片初 l 始化START T0F命令延迟 5.14Iris.等 I待晶振启振 lI 关闭晶振f人 // 测完 N高速时钟延迟 l设为持续开启 I二二 二延迟 5.14ms等I待晶振启振 I二 ]二 .：时钟校准 TDC芯片初 I始化 l- -S-T-A-R LT-T-O--F l命令 Il 进行测量 l---r- 关闭晶振 l- - - ### .--../图6 测量中晶振2种工作方案为减小噪声的影响，采用平均测量的方法，系统测量 100次，对其取平均。图6(a)是高速时钟启振延迟时间为5.14 ms时的系统工作流程。该模式下START TOF命令开启晶振，经过5.14 ms延迟后晶振达到满振幅，因此高速时钟校准和测量之间插入了大于5.14 ms的时间间隔。校准后的高速时钟频率和实际测量时的时钟频率时间上不具有连续性。为了得到接近于测量时的时钟频率，需要减小校准和测量之间的时间间隔。图6(b)是高速时钟持续开启模式时的系统工作流程，在测量过程中，START TOF命令开启和测量之间不需要延迟时间，测完100次之后关闭高速时钟，以减小功耗。此模式下时钟校准和测量之间的时间间隔只有几 s，经过校准之后高速时钟频率接近于测量时的高速时钟实际频率。

主程序开始初始化系统. . . . . . . . . . . . .1..。- 配置TDC-GP21f- - - - - ±-- TDC-GP21高速时钟校准... . . . ... .：1....- 初始化TDC-GP21芯片 开启测量迥塑- - - - - j ----发射超声波信号I N触发单片机 中断/ 图7 系统软件流 程图系统上电后首先对 STM32F103的时钟、I/O端 口、串口、液晶等系统和外设进行初始化。其次通过四线制 SPI通信配置TDC-GP21芯片的寄存器 0到寄存器6，然后进入while循环程序，完成超声波传播时间的测量和存储及显示的循环过程。

循环过程包扩TDC-GP21高速时钟校准、开启测量周期、产生超声波换能器激励脉冲、单片机外部中断、超声波信号模数转换 ADC程序、读取测量数据程序、数据处理程序和显示程序以及数据存储程序等。

5 系统测试图8中波形1为试验中TDC-GP21芯片停止通道信号，波形2为接收的超声波信号，波形1的纵向每个格为5 V.结果表明该比较电路能够捕获首次到达峰值时的过零点，过零点与信号跳变时刻之间存在-定延迟，在允许的范围之内。