基于单片机提高超声波分辨力的方法研究

　　引言

　　单片机作为智能化仪器仪表的控制中心，在设计中起着举足轻重的作用，因而从整机意义上说，仪器仪表就是一个单片机或 PC 机的应用系统。近几年，单片机及其它相关技术的迅猛发展，也为仪器仪表行业的发展提供了必要的条件。超声波流量计是近二十年才广泛使用的一种流量计。之所以比其它种类流量计应用较晚，究其原因主要有二：一是超声波的声速分辨力低。在最高 2MHz 超声频率和 1500m/s 声速之下，在液体中的波长长达 0.75mm;使用时差法，折合 4m/s 流速时的分辨力应该在 3.6m/s 左右。这种较低的流速分辨力将大大限制整机精度的提高，因为精度一般不会优于分辨力的。二是早期单片机的功能较弱，时钟频率较低，一般在 12MHz 以下，对超声波分辨力的提高仍有限度，致使超声波流量计的推广大为延迟。16 位高性能单片机的出现，才使超声波流量计得以广泛使用。这种单片机不仅增强了超声波流量计的功能，而且可以使超声波的分辨力提高上千倍。

　　1超声波在流量测量中的分辨力的估计

　　以应用最多的时差法双探头对射式超声波流量计为例，设液体介质流速为 v=4m/s，超声波最高工作频率约为 f0=2MHz，声速为 c=1500m/s，探头对射安装角度 θ=45°，则在管道标称口径DN=150mm，即声程 d=212mm 的距离上，超声波在水中经历的正程与逆程的超声周波计数值分别为

　　依据时差法原理，上述两值之差约为1.1，它代表液体4m/s的流速，对此超声波自身的流速分辨力为

　　以上计算按超声波最高工作频率计算，倘超声波频率低达40kHz，则对于 4m/s 流速的分辨力更降到 187m/s。这种分辨力都是流量计所不能接受的。总之，仅依靠超声波自身频率测量流速式流量时，分辨力和精度都明显过低。立足于单片机技术的发展，以下介绍三种利用单片机和其外围器件来提高超声波流量计分辨力的方法。

　　2使用高性能单片机的计数器提高分辨力

　　提高计时脉冲的频率是可选方法之一。例如提高整个单片机系统的晶振频率，或者使用高频计数器计时等方法都可以实现，这些方法都比较简单实用。高级16 位单片机的时钟频率一般不超过 20MHz，其计数器的计数频率也不会超过3MHz。此频率与液体超声波最高工作频率相近，此时并不能明显提高分辨力。所以只有在数十kHz 的气体超声波的工作频率时，才可以用之提高流速和流量的分辨力。

　　另一种CPLD(可编程逻辑器件)芯片作为计数器使用时，若计数器总长度为24 位，其最低位代表了 160MHz 的计数能力。与单片机内部计数器相比较，可以将流速或流量分辨力再提高约80 倍以上。