超声波明渠流量计的设计，提出了基于MSP430F149和TDC-GP21的流量测量方案，其中利用TDC-GP21芯片作为脉冲发生器和计时模块，并利用回波信号处理模块对声波信号进行放大、带通滤波以及过零阈值检测处理，实现了对明渠高稳定性、低功耗的测量要求。
超声波流量计测流过程中会受到噪声、泥沙、水深等影响，这使得灌区用水测量监控较难，而超声波传播时间测量也直接影响着流量计的测量精度，因此，设计了一款基于MSP430F149的双声道超声波明渠流量计，采用精度达到ps级的TDC芯片作为脉冲发生器和计时模块，并设计了信号处理模块，使该流量计在一定程度上可以消除流速分布不均的影响，终实现稳定性高、功耗低的测量要求。
1.超声波明渠流量计测流原理
1.1时差法测流原理
时差法测流量原理如图1所示，探头1和探头2是收发为—体的超声波换能器，探头的中
心频率为1MHz，3是测流断面,L为超声波在水中的传播距离
V，是水流速度，0为探头连线与水流方向的夹角。
当探头1发射超声波、探头2接收超声波时，顺流传输时间
式中，S(h)为过流断面，是水位高程的函数。
2.系统设计与仿真研究
2.1系统整体结构
双声道超声波明渠流量计系统组成框图如图2所示。
图2双声道超声波明渠流量计系统框图，系统以运行稳定、可靠性高的MSP430F149单片机为控制核心，以高精度时间间隔测量芯片TDC-GP21为计时核心，并利用回波信号处理模块对声波信号进行放大、带通滤波以及过零阈值检测处理，实现了对明渠高稳定性、低功耗的测量要求。
2.2时间测量原理
TDC-GP21芯片能准确计量超声波沿顺逆流方向传播的时间，并利用其自带的通信模块将时间传送给单片机。该计时芯片内部集成了脉冲发生器、ALU、SPI通信接口、时间测量和校准单元，可以在MSP430F149的作用下发送脉冲信号。在该设计中采用测量方式2，只测开始和停止信号到下一个时钟上升沿的时间以及两信号之间的时钟周期，其测量范围是500ns~4ms。
时间测量原理如图3所示。
时间测量计算公式为：
2.4脉冲收发时序控制电路
收发时序控制电路原理如图5所示。选用具备四路高速模拟切换开关功能的DG403芯片，该芯片在电路中相当于两个单刀双掷开关，可以实现对通道以及顺逆流方向的选择。DG403 通过控制IN1和IN2的电平分别控制S与D之间的导通，当通道1的控制引脚IN1为高电平时，S1和D1导通，当其为低电平时，S3和D3导通。同理，S2和D2、S4和D4的导通与关断由IN2引脚的电平控制。S1和S2连接着两通道上游的探头，S3和S4连接着两通道下游的探头，D1、D2、D3和D4连接到后面的信号处理模块。MSP430单片机通过控制IN1和IN2的电平来实现双通道超声波信号的发射和接收。
在接收电路中要设计放大电路。由于超声波信号属于高频信号，其强度又比较微弱，所以选用高频增益放大器AD620对信号进行放大。放大电路如 图6所示。
AD620具有使用简单、噪声低、精度高的优点，可以通过设置外部电阻器的大小来调节放大倍数，且大误差在±0.3% 之内，增益计算公式为：
当信号频率远低于或者远高于1MHz时即为杂波信号时, 该滤波电路会使其产生衰减（浅红色为输入信号，深色为输出信号)，从而得到清晰的有用信号，仿真结果如图10所示。
(3)过零阈值检测
声波信号在水中传播会由于噪声、杂质等影响产生衰减和 扭曲，为避免测量误差，选择不受外界影响的固定点即过零点作 为探头接收到回波信号的时刻。为了确保过零点不被触发，选择 第N个过零点（N>2)作为检测点，通过调节参考电平的幅值来确定过零点，这就是所谓的过零阈值检测方法。采用比较芯片 MAX963作为核心器件，该芯片为双通道比较器，可以实现阈值与过零点的检测。过零阈值检测电路原理如图11所示。
图11中，INA、INB均为输入端口，INA-接可变电阻，可以调节阈值的大小，INA+接回波信号，A通道实现了信号的阈值 检测；INB+接地，INB-接回波信号，B通道实现过零检测。信号 通过MAX963后，会输出相应的脉冲序列，进而利用锁存功能 和逻辑电路得到STOP信号，使TDC芯片停止计时。
3.结束语
本文设计了采用MSP430F149单片机与TDC-GP21高精度计时芯片的超声波流量计硬件系统，介绍了超声波明渠流量计测流原理和主要的硬件电路，通过搭建的平台进行了相关的实验研究，实现了高稳定性和低功耗等要求。
