USS子系统 USS子系统用于超声波信号发生、接收信号调理以及AD采集。如图4所示,USS是一个高度集成的物理结构,主要由几个功能模块构成,主要包含脉冲发生器PPG(Programmable Pulse Generator)、PHY、Sigma-delta高速ADC(SDHS)、高速锁相环(HSPLL)、子系统供电模块(UUPS)以及采样系统时序控制模块(ASQ)。 图4 PPG用于产生超声波的激励信号。作为信号源头,该功能模块提供灵活的参数设置。超声波的激励频率可设定,覆盖范围从132KHz到2.5MHz,我们可以针对不同特性的换能器设定相应的脉冲频率。信号脉冲数量可以从单个脉冲到127个脉冲。在激励脉冲结束时,我们也可以通过设定180度相位的反向脉冲来抵消换能器的超声波残余信号,最大反向脉冲最高可以到15个。激励脉冲的极性可以通过寄存器设定,如下图5所示。 图5 在气体流量设计中,PPG可以支持扫频模式,激励频率可以设定在一定范围内。这样TI 超声波方案可以更好支持宽频率特性的换能器。换能器的频率特性受环境温度、一致性、长时间老化等因素而变化,激励频率可以覆盖这些范围,确保我们燃气表测量的高精度和稳定性。在扫频模式下,我们可以通过下面公式来计算频率变化的步长。,(HPER : High period of pulse; LPER : Low period of pulse) PHY是USS子系统与换能器连接的物理层,实现换能器的驱动以及阻抗匹配,如下图6。TI的USS模块提供双路换能驱动以及信号接收。驱动信号和接收信号通过模拟开关切换实现上、下行换能器的交换,实现一对换能器可以双向信号传输。PHY的输出驱动阻抗可以低至4Ω、驱动电流可以高达120mA,所以配合简单的阻容电路,USS模块可以直接驱动换能器,而不需要增加额外的模拟器件。 因为上、下行超声波信号会通过两个不同的换能器发出,换能器与USS驱动的阻抗匹配就需要考虑到。TI USS的PHY可以提供驱动、端接两种状态下的阻抗匹配,匹配设定参数可以保存在寄存器里面。这样在生产的过程中,我们可以通过自动测试设备对每一个换能器进行独立阻抗匹配,使整个系统达到最优状态。 图6 SDHS系统对接收到的超声波信号进行调理和高速采样。如图7所示,内部包含可编程增益放大器(PGA)、12Bit Sigma-Delta ADC, 数据传输控制器(DTC)等功能模块。ADC可以支持高于1.5MHz的信号带,典型信噪比(SNR)可到达63dB。ADC的调制频率从68MHz到80MHz,调制频率来自高速锁相环,可支持过采样率范围10~160。ADC这个功能模块可以独立使用采样其他信号。ADC的最大输入范围是600mV,但是在实际流量测试过程中,接受到的超声波信号可能在一个范围内波动。这需要PGA对信号进行调理,使ADC的输入幅值在最优采样范围。PGA的增益可以通过寄存器设置动态调整,可调整范围在-6dB~30dB之间,可调步长为~1dB。这一特点可以让我们动态优化产品性能。比如,当换能器长时间使用老化后,发射的超声波幅值降低。在接收端观察到ADC采样幅值降低后,可以通过程序自动增加PGA的增益,使ADC的输入幅值始终保持在最优采样范围从而避免设备老化引起系统性能变差。 ADC采样出来的数据可以通过DTC直接传输到低功耗加速器(LEA)共享的RAM,方便LEA对数据进行快速处理。这个过程不需要CPU的干预,这样可以减小系统处理时间、降低功耗。 图7
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