一种间接测量超声波传输时间的方法及电路

摘要

本发明公开了一种间接测量超声波传输时间的方法及电路。本发明的间接测量超声波传输时间的方法基于参考信号，将顺、逆流相对参考信号的非整周期飞行时间的测量转换为脉冲宽度的测量，通过采用一定数量连续脉冲宽度的测量提高时间测量的精度，为解决信号周期偏差对飞行时间测量的影响，设计了脉宽调制和移相电路，并通过校正电路的设计，减小测量误差。

权利要求

1.间接测量超声波传输时间的方法，其特征在于：单片机同步产生激励信号和参考信号，每次测量选取一定数量脉冲激励信号的通过分频单元后的激励信号送入超声换能器，以产生一定数量连续的超声波信号；

超声换能器通过模拟开关改变其发送、接收状态，超声换能器接收到的回波信号通过信号处理得到方波信号；

由方波信号同步触发时间脉宽转换单元，回波信号的首个上升沿触发开启参考信号，以保证时间同步；

对参考信号进行预处理，通过分频电路得到与分频后激励信号相同频率的参考信号，通过脉宽调制增大高电平的占空比，通过移相电路移动参考信号的相对位置，使回波信号的上升沿与参考信号的下降沿之间的脉宽增大1/(2f)个周期,其中f为参考信号与回波信号的频率；

由时间脉宽转换单元将回波信号相对参考信号的偏移时间转换为脉冲宽度，选取回波信号的上升沿与参考信号的下降沿之间的脉冲宽度作为非整周期超声波传输时间；

脉宽电压转换单元主要选取由时间脉宽转换单元得到的一定数量的连续波脉宽进行转换，其中连续波脉宽的数量由可变窗口时间控制；

由一定数量的连续波脉宽高低电平控制恒流源对电容是否充电，电容两端得到稳定的电压通过采样保持电路输入单片机，从而实现脉宽与电压的转换，获得准确的非整周期飞行时间，从而计算出顺、逆流超声波传输时间之差。

2.根据权利要求1所述的间接测量超声波传输时间的方法，其特征在于：每次电压转换前，通过已知占空比脉宽对测量系统进行自校正，以减小误差。

3.根据权利要求1所述的间接测量超声波传输时间的方法，其特征在于：电源控制稳压单元对比较单元和采样保持单元进行电源控制，在非测量时间关闭电源，以降低功耗。

4.实现权利要求1所述的间接测量超声波传输时间的方法的电路，其特征包括：超声换能器A、超声换能器B、分频单元、模拟开关单元、比较单元、预处理单元、时间脉宽转换单元、脉宽电压转换单元、采样保持单元、电源控制稳压单元、温度检测单元以及单片机单元；

超声换能器A、超声换能器B安装于管道的同侧；

换能器A的输入端与模拟开关第一通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关第一通道电路的源端B连接；模拟开关第一通道的输出端与比较单元的正输入端连接；模拟开关第一通道的使能端与单片机的I/O口连接；

换能器A的输入端与模拟开关第二通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道电路的源端B连接；模拟开关第二通道的输出端接地；模拟开关第二通道的使能端与单片机的I/O口连接；

分频单元的输入端与单片机的I/O口连接；分频单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与+1.5V电压连接；比较单元的输出端与时间脉宽转换单元的第一比较端连接；比较单元的输出端与时间脉宽转换单元的时间同步控制端连接；

预处理单元的输入端与单片机的I/O口连接；预处理单元的输出端与时间脉宽转换单元的第二比较端连接；

脉宽电压转换单元的输入端与时间脉宽转换单元的输出端连接；脉宽电压转换单元的电压泄放端与单片机的I/O口连接；脉宽电压转换单元的输出端与采样保持单元的输入端连接；采样保持单元的输出端与单片机的I/O口连接；

电源控制稳压单元的使能端与单片机的I/O口连接；电源控制稳压单元的输入端与+3V连接；电源控制稳压单元的输出端分别与比较单元、采样保持单元芯片的电源端连接；

温度检测单元的输入端与温度传感器及参考电阻连接；温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接。

说明书

一种间接测量超声波传输时间的方法及电路

技术领域

[0001] 本发明属于流量检测技术领域，涉及一种间接测量超声波传输时间的方法及电路。

背景技术

[0002] 与其它类型的流量计相比，超声波流量计测量部分内部无可动部件，不会出现磨损情况，有高精度、高重复性以及双向测量的优点。时差法是当前超声波流量计中应用最广
泛的一种方法，声信号的顺、逆流飞行时间之差与流速呈线性关系，因此，顺、逆流时差测量
的准确性直接影响流量计的测量精度。

[0003] 传统的时差测量通过时间测量芯片得到换能器激励信号与回波接收信号之间的传输时间，常采用阈值法，通过设定某一固定阈值，当回波信号大于该阈值，认为此刻为回
波到达时间。但是，由于声波在介质中传播存在衰减、且易受到环境变化的影响，导致回波
信号稳定性较差，幅值抖动等问题，尤其在低信噪比的场合，会导致捕捉到错误的回波阈值
点，引起脉冲“误检测”，导致传播时间的错误测量，造成较大的测量偏差。

[0004] 双阈值法、回波建模法、各种数字信号处理算法等方法虽然在一定程度上解决了回波到达时间误判的问题，但仍具有一定的局限性。而且，时差法的本质是求两个数量级相
对较大而数值相近的时间量之微差,对测量电路要求较高。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术的不足，提出了一种间接测量超声波传输时间的方法及电路，本发明采用电容充放电的原理和信号处理方法，通过测量非整周期的时间实现间接飞
行时间的测量，避免传统时差法通过两个数量级相对较大的数值相减获得微小时差时对电
路的要求,从而提高测量的精度。该方法将管道中液体介质流动速度不同而引起顺流和逆
流相对参考信号的时间变化转换为脉冲电平的宽度，并将该脉冲信号通过积分电路得到稳
定的电压，从而进行模数转换得到时间。同时，针对该方法在测量中信号周期移动造成飞行
时间的测量错误，采用调制与相移相结合的信号处理方法，以提高流量测量的准确性和再
现性。

[0006] 本发明中的间接测量超声波传输时间的具体方法是：

[0007] 单片机同步产生激励信号和参考信号，每次测量选取一定数量的通过分频单元后的激励信号送入超声换能器，以产生一定数量连续的超声波信号。

[0008] 超声换能器通过模拟开关改变其发送、接收状态，超声换能器接收到的回波信号处理得到方波信号。

[0009] 由方波信号同步触发时间脉宽转换单元，回波信号的首个上升沿触发开启参考信号，以保证时间同步。

[0010] 同时，对参考信号进行预处理，通过分频电路得到与分频后激励信号相同频率的参考信号，通过脉宽调制电路增大其高电平的占空比，可由原50％的占空比增大至90％的
占空比，扩大了顺、逆流的测量范围；通过移相电路移动参考信号的相对位置，使静态情况
下顺、逆流回波信号的上升沿与参考信号的下降沿之间组成的脉宽增大1/(2f)个周期(其
中f为参考信号与回波信号的频率)，从而增加小流量测量的脉冲宽度，提高测量的准确性，
同时避免了周期偏移，保证顺、逆流的整周期个数一致，从而解决整周期个数不一致，无法
判断是反向流还是流量过大的情况。

[0011] 由时间脉宽转换单元将回波信号相对参考信号的偏移时间转换为脉冲宽度，选取回波信号的上升沿与参考信号的下降沿之间的脉冲宽度作为非整周期超声波传输时间。

[0012] 脉宽电压转换单元主要选取由时间脉宽转换单元得到的一定数量的连续波脉宽进行转换，其中，连续波脉宽的数量由可变窗口时间Tyi控制， Ty0表示某一
温度t0下超声波特征点至一定数量的连续波脉宽的时间,超声波在液体中的声速与液体温
度ti下存在一定关系，可用f’(ti)表示，因此可变窗口时间Tyi的设置能够保证在复杂的工
况下，得到连续波脉宽的首波在同一位置，进一步提高了测量的准确度。

[0013] 由一定数量的连续波脉宽高低电平控制恒流源对电容是否充电，电容两端得到稳定的电压通过采样保持电路输入单片机，从而实现脉宽与电压的转换，获得准确的非整周
期飞行时间，从而计算出顺、逆流超声波传输时间之差。

[0014] 进一步说，每次电压转换前，通过已知占空比脉宽对测量系统进行自校正，以减小误差。

[0015] 进一步说，电源控制稳压单元对比较单元和采样保持单元进行电源控制，在非测量时间关闭电源，以降低功耗。

[0016] 本发明中的间接测量超声波传输时间的电路包括：

[0017] 超声换能器A、超声换能器B、分频单元、模拟开关单元、比较单元、预处理单元、时间脉宽转换单元、脉宽电压转换单元、采样保持单元、电源控制稳压单元、温度检测单元以
及单片机单元。

[0018] 超声换能器A、超声换能器B安装于管道的同侧；

[0019] 换能器A的输入端与模拟开关第一通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关第一通道电路的源端B连接；模拟开关第一通道的输出端与比较单元的正输入端连
接；模拟开关第一通道的使能端与单片机的I/O口连接。

[0020] 换能器A的输入端与模拟开关第二通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道电路的源端B连接；模拟开关第二通道的输出端接地；模拟开关第二通道的
使能端与单片机的I/O口连接。

[0021] 分频单元的输入端与单片机的I/O口连接；分频单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与+1.5V电压连接；比较单元的输出端与时间脉宽转换单元
的第一比较端连接；比较单元的输出端与时间脉宽转换单元的时间同步控制端连接。

[0022] 预处理单元的输入端与单片机的I/O口连接；预处理单元的输出端与时间脉宽转换单元的第二比较端连接。

[0023] 脉宽电压转换单元的输入端与时间脉宽转换单元的输出端连接；脉宽电压转换单元的电压泄放端与单片机的I/O口连接；脉宽电压转换单元的输出端与采样保持单元的输
入端连接；采样保持单元的输出端与单片机的I/O口连接。

[0024] 电源控制稳压单元的使能端与单片机的I/O口连接；电源控制稳压单元的输入端与+3V连接；电源控制稳压单元的输出端分别与比较单元、采样保持单元芯片的电源端连
接。

[0025] 温度检测单元的输入端与温度传感器及参考电阻连接；温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接。

[0026] 所述模拟开关单元选型芯片ADG884；所述分频单元选型芯片SN74LVC1G79DBVR；所述比较单元选型芯片TLV7021；所述预处理单元选型芯片GN74D、TPS79630、SN74AHC1G14、
SN74HC02DRG4；所述时间脉宽转换单元选型GN74D；所述脉宽电压转换单元选型LM334、
TS5A3154DCUR；所述采样保持单元选型芯片OPA2380；所述电源控制稳压单元选型芯片
TPS76930；所述温度检测单元选型热敏电阻CMFB103F3970；所述单片机单元选型芯片
MSP430F449。

[0027] 本发明的有益效果在于：本发明设计的测量方法，能够间接测量超声波相对参考信号的传输时间，避免了测量超声回波到达时刻的误判，将超声回波相对参考信号的时间
偏移转换为脉冲宽度的测量，并将其通过电压输出，顺、逆流测量的电压之差与流速成正
比，可以通过测量一定数量的脉宽提高测量准确度。本发明设计的电路，对参考信号进行预
处理，通过脉宽调制电路增大了其高电平的占空比，可由原50％的占空比增大至90％的占
空比，扩大了顺、逆流的测量范围；通过移相电路移动参考信号的相对位置，使静态情况下
顺、逆流回波信号的上升沿与参考信号的下降沿之间组成的脉宽增大1/(2f)个周期(其中f
为参考信号与回波信号的频率)，从而增加小流量测量的脉冲宽度，提高测量的准确性，同
时避免了周期偏移，保证顺、逆流的整周期个数一致，从而解决了整周期个数不一致，无法
判断是反向流还是流量过大的情况。每次运用脉宽电压转换电路前，通过已知脉宽进行自
校正，可减小复杂工况造成的干扰。在非测量时间通过电源控制稳压芯片关闭一些较大功
耗芯片，降低电路功耗。

附图说明

[0028] 图1是超声波管道模型结构示意图；

[0029] 图2是超声波流量计测量原理示意图；

[0030] 图3是超声波流量计间接时间测量原理示意图；

[0031] 图4是超声波流量计脉宽调制前后的时间测量原理示意图；

[0032] 图5是超声波流量计移相前后时间测量原理示意图；

[0033] 图6是超声波流量计系统框图；

[0034] 图7是超声波流量计的时间测量系统图；

[0035] 图8是预处理单元电路图；

[0036] 图9是脉宽电压转换自校正电路图；

[0037] 图10是间接时间测量电路输出结果示意图；

[0038] 图11是间接时间测量方法流程图。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图进一步说明本发明提出的一种间接测量超声波传输时间的方法及电路。

[0040] 参照图1，超声波换能器A、B安装在管道同侧，通过两块反射片进行回波信号的传输，有效的增加了声程，测量原理主要采用时差法测量。传统的超声波流量计工作原理：c为
超声波在水中的传播速度，v为水流平均速度，有效声程为L+2L1，则超声波在流体中的顺流
传输时间tdown为：

[0041]

[0042] 超声波在流体中的逆流传输时间tup为：

[0043]

[0044] 由于v<

[0045]

[0046] 参照图2，其中，T为超声波信号的周期；Nd、Nu分别表示顺流和逆流过程中信号的整周期值；Δτd、Δτu表示非整周期时间，超声波在顺流和逆流传播过程中的传输时间tdown，tup
及时差Δt又可分别表示为：

[0047] tdown＝NdT+Δτd  (4)

[0048] tup＝NuT+Δτu  (5)

[0049] Δt＝tup‑tdown  (6)

[0050] 通常，超声波换能器在流体介质中，顺、逆流产生的时差不会超过一个整周期，在Nd与Nu相等的情况下，Δτu与Δτd的差值是顺、逆流的传输时差Δt。

[0051] 参照图3，是超声波流量计间接时间测量原理示意图。测量顺、逆流的时差是超声波流量计的关键，顺、逆流回波信号两个上升沿之间的时间就是传输时差Δt。本发明提出
的间接测量超声波传输时间基于参考信号，通过测量顺、逆流相对其超前、落后的时间，其
差值是时差Δt。

[0052] 参照图4，是超声波流量计脉宽调制前后的时间测量原理示意图。参照图4(a)，是未作处理的参考信号，顺、逆流回波信号的上升沿与参考信号的下降沿组成非整周期时间，
参考信号低电平时不工作，故仅有50％的比较范围。参照图4(b)，通过脉宽调制电路扩大一
周期内参考信号高电平的占空比，扩大了其顺、逆流测量的范围。

[0053] 图5是超声波流量计移相前后时间测量原理示意图。通常情况下，水流量测量的超声波流量计的换能器激励频率为1MHz。参照图5(a)，是较小流量顺、逆流回波信号的相对位
置，流量为0情况下，回波信号与参考信号组成的时间较小，当增大流量时，顺流接收回波信
号会提前，逆流回波信号推后，Δτ′d大于Δτ′u，时差为Δt＝Δτ′d‑Δτ′u，当增大至一定流
量时，逆流的回波信号会与下一个参考信号进行比较。参照图5(b)，此时时差为Δt＝Δτ
′d‑Δτ′u+T，出现顺、逆流整周期时间不一致的情况，但是实际上流量计将无法判断是整周
期时间不一致还是反向流量。针对此问题，通过移相电路移动参考信号的相对位置，在静态
情况下，顺、逆流回波信号的上升沿与参考信号的下降沿之间组成的脉宽增大1/(2f)个周
期，由于超声波换能器工作在1MHz的频率激励下，通过电路总能使顺流回波相对基准参考
信号固定在某一位置，参照图5(c)，使Δτ′d始终保持在500‑750ns之间，保证水流正向流动
时，Δτ′d>Δτ′u即时差为Δt＝Δτ′d‑Δτ′u，并且增大Δτ′d、Δτ′u静态情况的基础值有利
于提高小流量测量的准确度；当流量增大时，参照图5(d)，时差仍为Δt＝Δτ′d‑Δτ′u。

[0054] 参照图6，间接测量超声波传输时间方法的整体电路框图如图6所示。整体电路包括单片机电路、显示电路、通讯电路、电源控制电路、温度检测电路、分频电路、模拟开关电
路、预处理电路、比较电路、时间脉宽转换电路、脉宽电压转换电路、采样保持电路。其中单
片机芯片选用MSP430F449，单片机通过I/O口连接显示电路；单片机通过I/O口连接通讯电
路；单片机通过I/O口连接电源控制电路输入端；单片机通过I/O口连接温度检测电路输出
端；温度检测电路与温度传感器连接；单片机通过I/O口输出激励信号和参考信号；激励信
号连接分频电路输入端；分频电路输出端连接模拟开关电路；模拟开关分别与超声波换能
器A、超声波换能器B连接；模拟开关与比较电路输入端连接；比较电路输出端与时间脉宽转
换电路输入端连接；参考信号与预处理电路的输入端连接；预处理电路输出端与时间脉宽
转换电路的输入端连接；时间脉宽转换电路的输出端与脉宽电压转换电路的输入端连接；
脉宽电压转换电路的输出端与采样保持电路输入端连接；采样保持电路的输出端与单片机
I/O口连接；电源控制电路输出端与比较电路电源端连接；电源控制电路输出端与采样保持
电路电源端连接。

[0055] 图7为间接测量超声波传输时间方法的一种具体电路实例。图中模拟开关选择ADG884芯片，芯片代号为U71；分频电路选择SN74LVC1G79DBVR芯片，芯片代号分别为U72‑1、
U72‑2；比较器选择TLV7021芯片，芯片代号为U73；时间脉宽转换电路选择GN74D芯片，芯片
代号为U74；脉宽电压转换电路选择LM334、TS5A3154DCUR芯片，芯片代号分别为U75、U76；采
样保持电路选择OPA2380芯片，芯片代号为U77；电源控制选择TPS76930芯片，芯片代号为
U78；单片机选择MSP430F449芯片，芯片代号为U79。

[0056] 所述换能器A的一端接地，另一端分别与U71第一通道的S1A端、U71第二通道的S2A端连接；所述换能器B的一端接地，另一端分别与U71第一通道的S1B端、U71第二通道的S2B
端连接。

[0057] 所述模拟开关U71第一通道D1端与U72‑2输出端Q连接；U71第二通道D2端接地；U71第一通道的使能端IN1与U79的P1.3端连接；U71第二通道的使能端IN2与U79的P2.0端连接。

[0058] 所述分频电路U72‑1输入端CLK与U79的P1.4端连接；U72‑1的D端与U72‑1的 端连接；U72‑1的输出端Q与U72‑2的输入端CLK连接；U72‑2的D端与U72‑2的 端连接；U72‑2的输
出端Q分别与U71的D1端、U73的正输入端“+”连接，U72‑1和U72‑2组成的电路部分实现了四
分频的功能。

[0059] 所述比较器U73负输入端“‑”与+1.5V连接；U73正输入端“+”分别与U71第一通道的D1端、U72‑2输出端Q、分压电阻R1的一端、分压电阻R2的一端连接；U73的供电端VCC分别与
分压电阻R2的一端、U78的输出端Vout连接；U73的输出端OUT分别与时间脉宽转换电路的触
发器U74输入端CLK、预处理电路的输入端连接。

[0060] 所述时间脉宽转换电路的触发器U74的D端与+3V电源连接；U74的复位端 与预处理电路输出端连接；预处理电路输入端与U79的P1.4端连接；U74的置位端 与U79的
P2.2端连接；U74的输出端Q与U76的输入端IN连接。

[0061] 所述脉宽电压转换电路的恒流源芯片U75输入端V+与+3V电源连接；U75的R端与调节电阻R3的一端、调节电阻R4的一端连接；U75的输出端V‑分别与调节电阻R4的另一端、二
极管的正端连接；二极管的负端与调节电阻R3的另一端连接；U75的输出端Iout与U76的输
入端COM连接；U76的使能端 与地连接；U76的控制端IN与U74的输出端Q连接；U76的输出
端NO分别与放电电阻R5的一端、充电电容C的一端、采样保持芯片U77的正输入端“+”连接。

[0062] 所述采样保持电路芯片U77的正输入端“+”分别与充电电容C的一端、放电电阻R5的一端、U76的输出端NO连接；放电电阻R5的另一端与单片机的P1.6端连接；U77的负输入端
“‑”与U77的输出端VOUT连接；U77的输出端VOUT与U79的P6.3端连接。

[0063] 所述电源稳压控制芯片U78的电源输入端IN与+3V电源连接；U78的输出端分别与U73的VCC端、U77的VCC端连接；U78的使能端 与U79的P2.1端连接。

[0064] 所述参考信号预处理的一种具体电路如图8所示，选型芯片GN74D，芯片代号为U81、U82‑1、U82‑2、U83；选型芯片TPS79630，芯片代号为U84；选型芯片SN74AHC1G14，芯片代
号为U85；选型芯片SN74HC02DRG4，芯片代号为U86。U81的复位端 与单片机的P2.4端连
接；U81的D端和置位端 与+3V电源连接；U81的输入端CLK与图7所示U73的输出端OUT连
接；U81的输出端Q与U82‑1、U82‑2、U83的复位端 连接；U82‑1输入端CLK与单片机的P1.4
端连接；U82‑1的D端与U82‑1的 端连接；U82‑1的输出端Q与U82‑2的输入端CLK连接；U82‑
2的D端与U82‑2的 端连接；U82‑1、U82‑2的置位端 与+3V电源连接；U82‑2的输出端Q与
U83的输入端CLK、U85的输入端A连接；U83的D端和置位端 与+3V电源连接；U83的输出端
Q与U84的使能端EN连接；U84的输入端IN与+3V电源连接；U84的输出端与U85的电源供电端
VCC连接；U85的输出端Y与微分电容C1的一端连接；微分电容C1的另一端与微分电阻R1的一
端连接；微分电阻R1的一端与U86的输入端B连接；微分电阻R1的另一端接地；U86的输入端A
与单片机的P2.3端连接；U86的输出端Y与图7中U74的复位端 连接。图7中U73的输出端
OUT是整形后的超声波回波信号，单片机的P2.4端在每次测量前置高电平，测量结束时置低
电平，使每次测量时，整形后的顺流回波信号通过U81处理后控制开启U82‑1、U82‑2、U83的
复位端 以实现接收回波信号与预处理后的参考信号时间同步性，通过D触发器的性
质，输出端总以U82‑1的CLK端上升沿作为开始参考信号预处理的标志，本例U82‑1的CLK端
输入4MHz的信号，故输出参考信号与顺流信号之间的时间为0‑250ns，其中U83、U84、U85组
成的电路部分实现了参考信号的移相功能，使本例顺流回波相对参考信号Δτ′d始终保持
在500‑750ns之间；C1、R1、U85组成的电路部分实现了参考信号的脉宽调制功能；单片机的
P2.3端通过设置时间决定输出的脉宽个数n。为解决测量过程中出现周期偏差的问题，提出
了参考信号的预处理电路。对参考信号进行脉宽调制和移相，扩大了时间测量的范围，并且
使顺、逆流的相对传输时间的输出脉宽在同一个周期内。

[0065] 图9是自校正电路的一种具体电路实例，电路在图7中已经进行相关描述，再通过软件输出已知脉宽得到参考电压进行自校正。图9中控制部分选型芯片TS5A3154DCUR，芯片
代号为U91；可控恒流源选型芯片LM334，芯片代号为U92；选型芯片OPA2380，芯片代号为
U93。图9中U91的输入端IN与图7中U74的输出端Q连接；图7中U74的置位端 与单片机的
P2.2端连接，由单片机输出控制信号使Q端输出固定脉冲宽度。图9中，脉宽与U91的输入端
IN连接；并通过脉冲高电平使能电流源U92输出恒定电流为充电电容C进行充电，由采样保
持芯片U93的输出端VOUT输出参考电压；在每次测试之前通过比较参考电压进行数据自校
正。

[0066] 图10是间接测量超声波传输时间的最终输出结果的示意图，图中选取10个连续脉冲信号进行测量，脉冲处于高电平阶段对充电电容进行充电，在低电平阶段进行电压保持，
将回波信号相对参考信号的偏移时间以稳定的电压方式输出。

[0067] 系统上电后，单片机对各电路单元自动完成初始化，通过单片机同时输出4MHz激励信号和参考信号，激励信号通过分频电路使之连续发射若干个1MHz的脉冲激励信号，到
达模拟开关，同时单片机控制引脚P1.3和P2.0，使能模拟开关，选择S1A与D1导通，S1B与D1
不导通，选择S2B与D2导通，S2A与D2不导通，此时换能器A作为超声波信号的发射端，换能器
B做接地处理；发射激励信号完成后，选择S1B与D1导通，S1A与D1不导通，选择S2A与D2导通，
S2B与D2不导通，此时换能器B作为超声波信号的接收端，换能器A做接地处理；如图1所示，
换能器A位置装在上游端，换能器B位置装在下游端。回波信号通过比较器TLV7021的负端得
到整形后的回波信号并输入触发器GN74D的CLK端，通过预处理的参考信号输入GN74D的
端，GN74D的Q端输出n个顺流回波信号相对参考信号的偏移时间(脉宽)，输入
TS5A3154DCUR对恒流源LM334进行通断控制，在脉冲高电平阶段给充电电容充电，得到稳定
的电压，从而获得顺流的相对传输时间。

[0068] 同理，只要通过单片机改变模拟开关的使能端，选择S1B与D1导通，S1A与D1不导通，选择S2A与D2导通，S2B与D2不导通，此时换能器B作为超声波信号的发射端，换能器A做
接地处理；发射激励信号完成后，选择S1A与D1导通，S1B与D1不导通，选择S2B与D2导通，S2A
与D2不导通，此时换能器A作为超声波信号的接收端，换能器B做接地处理。通过后续电路处
理，得到逆流的相对传输时间，最终可以计算时间差Δt，图11是间接时间测量方法的具体
流程图。

[0069] 本发明的间接传输时间测量方法基于上述电路，测取n个回波信号相对参考信号的脉宽转换为电压的输出，并通过已知脉宽对输出电压进行自校正，提高时间测量的准确
度。通过参考信号的预处理电路，增大测量范围，避免信号周期偏移。电路设计采用3V电池
供电，通过软件和硬件电路的设计，降低了整个测量方法和电路的功耗，节省了装置的成
本。