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UTA6905在超声波电子式水表中的应用

上网日期: 2015年06月26日 ?? 作者: 冉建辉 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:UTA6905? 超声波水表? 相差法?

3. 基于UTA6905的超声波水表流量采集方案

3.1. UTA6905芯片简介

UTA6905是一款超声波流量表和超声波热量表的专用芯片,其内部结构如图3所示,集成了相位差测量单元、温度测量单元、脉冲发生器等设计超声波电子式水表必需功能,芯片采用了先进的时间数字转换技术,对时差的测量分辨率可达32ps,温度测量单元分辨率高达0.002℃;此外芯片还集成了第一波检测、换能器回波振幅检测、换能器断线检测等额外功能,使水表可以完成部分自诊断功能,智能化水平得以提高。

UTA6905在超声波电子式水表中的应用(电子工程专辑)
图3:UTA6905内部结构图

UTA6905采用QFN32或LQFP32两种封装;芯片采用SPI口与外部MCU进行通信,内部包含4个32位的配置寄存器、4个32位的结果寄存器以及1个32位的状态寄存器;UTA6905还包含一个低电平有效的中断引脚INTN,可用于在测量结束后唤醒外部MCU;比较器和时间测量单元等功耗比较大的元件只有在工作时才开启,在应用中大部分时间处于休眠状态,静态电流低至纳安级别,适用于电池供电场合,UTA6905的详细资料可以参考其数据手册[1],不再赘述。

3.2. 基于UTA6905的电子水表流量采集方案

采用UTA6905设计的超声波电子式水表方案框图如图4所示,给出了详细的流量采集相关的外围电路:时钟部分包括一个32768HZ的晶体振荡器和一个4MHz的陶瓷振荡器,相位差测量电路需要一对谐振频率1MHz的超声波换能器和一对由电阻电容构成的信号通路,温度测量电路需要一只PT1000热电阻、一只低温漂(50ppm)的1K欧姆电阻和一只100nF充放电电容,主控芯片选择了一款低功耗的MSP430系列MCU,通过IO口连接UTA6905的SPI引脚和中断引脚;此外还包括电源稳压电路、LCD显示电路,通信方面可支持红外、MBUS等功能,以实现无线抄表或数据的远传。

UTA6905在超声波电子式水表中的应用(电子工程专辑)
图4:UTA6905流量采集方案

顺流回波与逆流回波在两次方向相反的收发过程中先后出现的,因此无法直接测量两次回波的相位差脉冲,UTA6905利用相差法原理是通过分别测量顺逆流回波相对于同一个参考信号的相位差,间接推算出顺逆流回波的相位差,最后得到的相位差和时间差实际上是一致的,UTA6905与目前主流的时差法芯片另一个重要区别在于它可以在一次顺逆流测量流程中记录多达31个回波的相位差并进行自动积分运算,起到了提高精度的作用,而其他的时差法芯片例如GP22等在一次顺逆游测量中最多记录3个脉冲的传播时间,实际测试也证实了UTA6905测量的精度和稳定性都有明显的提高。

UTA6905要求选定振幅稳定的回波进行相差测量,测量前首先根据第一波检测功能确定第一波的到达时间,实测值约为59μs,根据示波器观察,所选换能器在第14个回波的振幅达到稳定值,因此将第一波的回波时间加上13.5μs,作为回波的延时屏蔽,之后再进行相差的测量,UTA6905第一波检测和相位差测量的流程分别如图5和图6所示。

UTA6905在超声波电子式水表中的应用(电子工程专辑)
图5:第一波检测流程图

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图6:相位差测量及时差计算流程图

UTA6905在超声波电子式水表中的应用(电子工程专辑)
图7:温度测量流程图

UTA6905进行温度测量的流程如图7所示,外部MCU在配置好寄存器之后发送start_temp命令,中断信号有效后从结果寄存器读数即可,如果温度传感器发生了开路或短路故障,UTA6905状态寄存器的相应标志会生效,软件可以根据状态值发出报警。国标规定冷水表的介质温度范围在0-30℃,为节省MCU存储空间,对应电阻值到温度的查找表只需要满足该温度范围即可。

第三页:样机测试


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