TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用
超声波流量计中相关时差法的应用
超声波流量计中相关时差法的应用陆敏恂;朱列铭;周爱国【摘要】介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法.系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度.极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性.采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度.实验表明该系统测量精度高,实时性好.%This paper introduced a time-different ultrasonic flow measurement algorithm based on cross correlation theory. The system arranged ultrasonic transducers like the arrangement of the time difference method flowmeters, and collected stationary fluid condition and flowing fluid condition of echo signals in two groups. By calculating the correlation function peak of the two echo signals ,it obtained the time difference,indirectly gained the flow of wind, which can improve the accuracy of the transit time difference accuracy. The application of polarity correlation algorithm can greatly improve the system operation speed and improve performance of real-time property. By using pseudo-random signal as the ultrasonic excitation signal, the algorithm overcomes the shortcomings of small measurement range, and improve the system accuracy. Experiments show that the system is of high precision, and good realtime property.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P105-107)【关键词】超声波;流量计;相关时差法;伪随机信号;极性相关算法;MATLAB【作者】陆敏恂;朱列铭;周爱国【作者单位】同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TP2161 相关时差算法原理1.1 相关时差法测量模型相关时差法声路布置位置有多种，如X型，V型等。
数字式时差法超声流量计的设计与实现_王飞
保持不动，将 y（ n） 左移、右移 m 个时间间隔后两个序
列对应相乘再相加 的 结 果，反 映 了 不 同 时 延 下 两 信 号
的相似程 度。实 际 中 数 据 长 度 N 常 为 有 限 值，则 求
rxy（ m） 估计值的一种方法是：
r^ xy （ m）
=
1 N
N －1
∑
n =0
x
N
（
n）
yN（
r^ 'xy （ m） 并不直接对应于 r^ xy （ m） ，而是将r^ xy （ m） 中 － （N － 1）≤m≤ － 1 的部分向右平移 2N 点后所得序 列［5］。在顺逆流换能 器 安 装 正 确 的 情 况 下 ，顺 流 信 号
是先于逆流信号的，所 以 对 顺 逆 流 信 号 互 相 关 结 果 进 行解 析 时，互 相 关 峰 应 出 现 在 r^ 'xy （ m ） 前 半 部 分， r^ 'xy （ m） 计算结果如图 5 所示。
propagation time，then the flow rate is calculated on this basis． The practical tests verify that this ultrasonic flowmeter gives full play of the
superiority of digitized strategy，and well accomplishes the job for flow measurement．
design strategy． The system is composed of the digital signal controller （ DSC） TMS320F28335 as the kernel，and ADS807 pipelined A / D
超声波流量计的发展和现状
超声波流量计的发展和现状超声波流量计（简称 USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。
凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。
1931年，O.Rutten 发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献。
但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。
1955年，应用声循环法MAXSON 流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广。
60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。
进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术（PLL）的出现和应用，为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。
同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。
至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。
当今全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家,这些国家己经在超声波流量计的研制、生产和推广方面积累了丰富的经验，再加上它们本身所具有的在电子技术和工业制造领域的优势，使得它们在国际超声波流量计市场上占据了绝大部分的份额，并且主导着超声流量测量技术发展的方向和趋势。
超声波流量计工作原理及分类和选型应用
超声波流量计工作原理及分类和选型应用2022年12月13日05:05生意社生意社12月13日讯一、CCS超声波流量计的工作原理及分类超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，如果在现场配以温度、压力仪表，经过密度补偿，还可以求得质量流量。
当超声波在流动的介质中传播的时候，相对于固定的坐标系统而言（如管道中的管壁），其声波的某些声学特性与静止介质中的声特性是不同的，在其基础上又叠加上了流体的流速信息，因而根据超声波某些声学特性随流速的变化就可以求出介质的流速。
超声波流量计根据测量原理的不同，种类较多，大致可以分为以下几类：1.传播速度法（时差法、相位差法和频差法）2.多普勒法3.相关法4.波束偏移法等。
但是目前最常采用的测量方法主要有两类：时差法和多普勒效应法。
同时，根据超声波流量计使用场合不同，可以分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计二、超声波流量计的选型应用根据原理不同：1、多谱勒式超声波流量计的选型多普勒法超声波流量计依靠水中杂质的反射来测量水的流速，因此适用于杂质含量较多的脏水和浆体，如城市污水、污泥、工厂排放液、杂质含量稳定的工厂过程液等，而且可以测量连续混入气泡的液体。
但是根据测量原理，被测介质中必须含有一定数量的散射体（颗粒或气泡），否则仪表就不能正常工作。
2、时差式超声波流量计的选型目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。
它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水及江河水、回用水领域，得到广泛应用。
时差式超声波流量计此外可以测量杂技含量不高(杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm)的均匀流体，如污水等介质的流量，但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。
在这种情况下应用，应在换能器的上游进行消气、沉淀或过滤。
在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时可以试降低换能器频率，予以解决。
而且精度可达±1%。
TDC-GP22 超声波水表和热表应用指南
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AN032
内容
1-2
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AN032
2 介绍
这个应用指南描述了一个基于 Acam 公司 TDC-GP22 时间数字转换器的超声波热量 表的前端电路。GP22 作为一个前端设备，可提供完全自动化的流量测量和温度测量。 热量计算是通过流速以及流入和流出的流体温度差而得到的。
1 概述...............................................................Fehler! Textmarke nicht definiert. 2 简介...............................................................Fehler! Textmarke nicht definiert.
图1.1: 对于超声波热量表的GP22前端电路
设计目标:
紧凑和节省成本的硬件设计，使外部元件降到最低。 超低电流消耗 (对于一个完整的测量周期，包括模拟部分，换能器和 PT 传感器，
全部功耗低至 2 μA) 高分辨率的飞行时间测量，同样适用于紧凑型小管径管道。 高分辨率，低电流消耗的温度测量。 对于外部微控制器和一个模块化的系统设计来说，开放的系统架构提供了更高的灵
超声波流量计温度补偿算法研究综述
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年7月1日第46卷第13期Jul.2023Vol.46No.130引言时差法超声波液体流量计采用无机械运动机构的水流量传感器、精密集成电路和嵌入式计算机系统，因此具有量程比宽、准确度高、压力损失小、始动流量低等特点，是未来智慧水务中的主流仪表方向[1]。
目前超声波流量计时差法测量需要使用高精度计时芯片，时间差分辨率可达皮秒级、成本高。
超声波接收的回波信号易受温度、水中杂质和气泡等因素影响，导致回波到达时间不确定产生误差，而小口径低区计量精度是超声波流量计研发的难点之一，温度因素是影响液体流量计测量精度的重点。
根据2019年国家颁布的水表检定规程《JJG 162—2019饮用冷水水表》规定，超声波水表通常分为两个温度等级（T30和T50），实验结果表明不同的温度下声速与温度存在非线性的关系，从而给流量计量带来非线性误差，同时，管道中流体的流动状态与温度也存在关系，影响计量精度[2]。
为了使超声波液体流量计具有高准确度和高灵敏度计量能力，因此超声波流量计的温度补偿功能是必不可少的。
目前传统的温度补偿方法大多采用测温寻声速查表修正法，近些年来有学者提出利用最小二乘曲面拟合算法、基于二维线性插值算法以及最新提出的BP 神经超声波流量计温度补偿算法研究综述宿彬1，张鹏飞2，程东旭3，嵇闯1，张凯1（1.中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州310018；2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州450001；3.河南中烟工业有限责任公司，河南郑州450001）摘要：超声波流量计在计量领域有着独特的优势，具有量程比宽、压损小、精度高等特点，但会受到温度影响存在计量精度下降的问题。
文中首先介绍了超声波流量计温度补偿原理与结构特征；然后分析温度补偿的需求，对国内外超声波流量计温度补偿算法相关研究发展进行综述，包括查表修正、曲线拟合、BP （反向传播）算法等；最后，对超声波流量计温度补偿目前的研究现状进行总结和归纳，提出了其研究的关键性技术和所面临的问题。
TDC_GP21中文数据手册
3
Time-to-Digital-Converter
TDC-GP21
4
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TDC-GP21
1
概述
TDC-GP21为TDC-GP2的下一代升级产品.这颗芯片提供了对于TDC-GP2的管脚完全兼容的功能,
0.06
0.04
0,02% < 0.01%
0.012 0.0082
单位 Bit dB
%/V %/10 K
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1-1
2-1 2-2 2-3 2-6 2-7 2-8
3-1 3-11 3-13 3-14
4-1 4-7 4-14 4-16
5-1 5-4 5-7 5-7
6-1
7-1
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如果应用tdcgp21的模拟部分那么一个超声波热量表的典型测量功耗可以下降到22ua11特性测量范围2?单通道90ps典型精度?双精度模式45ps四精度模式22ps?测量范围500ns到4ms?2xclkhs脉冲最小间隔最多可以接受3个脉冲?3个脉冲每个都可以设定精准的时间窗口窗口精确度达10ns模拟输入部分?斩波稳定低噪声比较器?2个模拟开关作为输入选择?外部电路仅需要2个电阻和2个电容特殊功能?脉冲产生器可以产生最多127个脉冲?可以选则上升沿和或下降沿敏感?通过窗口功能精确接受stop脉冲?低功耗32khz振荡器500na?时钟标定单元?7x32位eeprom温度测量单元?2或4个传感器?pt500pt1000或者更高?集成的施密特触发器?应用外部施密特触发器为16位有效精度对于铂电阻来说0004c分辨率应用内部集成低噪声施密特触发器为17
TDC-GP22在激光测距中的应用
T D C-G P22在激光测距中的应用------------------------------------------作者xxxx------------------------------------------日期xxxxTDC-GP22在激光测距中的应用摘要：有几种不同的方法来实现一个激光测距仪，原理上它们是相似的,都是发射光脉冲,然后接收。
一旦返回脉冲被接收到,一些简单的算术和几何公式被用来计算光脉冲的飞行距离，例如：三角测量、调频连续波、飞行时间等，这些不同的方法都有自己的优缺点。
三角测量距离小于10m,精度较高达um级别，依赖于表面,便宜,结实；调频连续波测量距离小于200m，精度为厘米级别，低生产成本,测量速度慢；飞行时间测量距离可达几公里，同时可将误差控制在mm级别，反应时间短,价格昂贵,没有光圈。
对于长距离测距来讲，采用飞行时间测距是最为有效的一种方案，本文介绍了基于TDC-GP22的飞行时间测量方案在激光测距中的应用。
关键字：TDC-GP22,飞行时间，激光测距1飞行时间飞行时间，这是一个光脉冲前往目标并返回的时间。
已知光的速度,和精确的测量结果:飞行时间,可以计算出距离。
许多脉冲顺序被发射,平均响应时间是最常用的。
这种技术要求非常精确的亚纳秒定时电路。
测量距离用激光或激光扫描仪很好的被建立–你会发现这个技术在地质测量系统,安全系统, 生产控制系统中,甚至高尔夫系统中。
基于要测量的距离,不同的方法被使用。
小距离,通过三角测量。
使用这种方法实现的方案是在微米范围内,但只有几米的最大范围是有限的。
对于100 米左右的距离,人经常使用的相移测量技术。
进行激光调制,传出和传入的光之间的相移给出距离。
为了达到毫米范围内的分辨率,非常高的采样率是必要的。
只有带有高电流消耗的低测量频率是可能的。
使用时间数字转换器,人们有了捷径来数字化飞行时间。
它使直接测量光的飞行时间成为可能。
原理很简单,但是细节是难点!众所周知,光的飞行速度很快。
双声道超声波流量计的广泛应用
双声道超声波流量计的广泛应用引言流量计是常用于工业流体生产过程中的一种重要仪器。
其中，超声波流量计因其非接触式、高精度等特点而备受关注。
双声道超声波流量计是一种基于时差测量原理的流量计，具有高精度的优势。
本文将深入讨论双声道超声波流量计的广泛应用及其优点。
双声道超声波流量计的工作原理双声道超声波流量计的工作原理在于测量超声波在不同传感器(Receiver)间传播所需的时间差。
当流体经过流量计时，其流速、流动状态等信息都会通过传感器接收到相应的声波信号，这些声波在传播时会受到液体密度、速度等因素的影响导致传播时间发生变化，因此可以通过测量传播时间差来计算出流体流量。
双声道超声波流量计的优点与其他类型的流量计相比，双声道超声波流量计具有以下优点：1.非接触式测量，不会干扰物体的运动或形状；2.具有高精度，能够达到0.5% ~ 1%的误差范围；3.适用于各种不同的流体介质，如液态、气态甚至是高温、高压介质；4.不会影响流体质量，不会对流体进行污染；5.使用方便，不需要频繁校准。
这些优势使得双声道超声波流量计在各个领域都有着广泛的应用。
双声道超声波流量计在石油化工行业中的应用在石油化工行业中，流量计发挥着非常重要的作用。
双声道超声波流量计作为一种高精度、高可靠性的流量计，在这个行业中得到了广泛的使用。
主要应用于石油、化工、冶金等行业生产过程中对液态或气态介质的流量测量。
双声道超声波流量计对于石油生产和炼油工艺中的流量控制和计量非常重要。
在石油生产厂中，双声道超声波流量计可实时测量水、油等液态介质的流量，确保生产线的正常运转。
而在炼油工艺中，双声道超声波流量计可测量液态介质的体积流量、质量流量等关键参数，确保炼油过程的生产质量与效益。
双声道超声波流量计在饮料生产过程中的应用在饮料生产行业中，双声道超声波流量计也有着广泛的应用。
如在碳酸饮料生产线上，该流量计可实现可乐、雪碧等碳酸饮料的流量计量和堵塞检测。
双声道超声波流量计还广泛应用于果汁、茶饮品生产线等，在果汁浓度和混合比例的控制中起着至关重要的作用。
AMS_TDC-GP30用于水表的系统级解决方案介绍
Confidential © ams AG 2015 Page 11
GP30主要技术特征
一般特征
用于超声波流量计和温度测量的完全集成式模拟前端。 超低功耗32-Bit微处理器：77µA/MHz (acam 公司专利) 4-kByte Flash, 128x32 EEPROM (两者在电路中都可编程) 176x32 RAM 数据保存在非易失性存储器中 : >10年@125℃ 耐用性: >100k 写循环@25℃; >10k 写循环@125℃ 实时时钟(RTC) 2-8 MHz 晶振和32 kHz (300nA) 晶振 集成用于数字单元的1.8V LDO 调节器 (1uA 电源电流) 静态电流: 2.1 µA (在运行32 kHz 晶振时)@3.0V 工作电流: 0.9µA/double-TOF/sec(包括用于计算的内置微处理器电流) 接口: SPI, UART, 脉冲接口 电源供给: 2.5V …. 3.6V 环境温度: -40℃ ….. +125℃ 包装: QFN32, QFN40 或者裸片
GPIO0
GPIO1
XIN_32KHZ
XOUT_32KHZ
UART_SEL
INTN_DIR
US_VREF
VCC
10p
GPIO
Confidential © ams AG 2015 Page 19
带有脉冲输出的冷水表
由GP30构成的水表所需要的完整电路
32
VDD18
25
4 MHzBiblioteka 完整的单芯片解决方案
Confidential © ams AG 2015 Page 3
目前的解决方案
TI展示的系统模块，下图中红色方块表示
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万方数据
万方数据
２００９年第１期仪表技术·６１·
从图４超声波接收波形来看，可以得到起振以后正弦波个数，各个正弦波的大致起止时间ｒ。
一ｒ。
，ｒ。
，一ｒ。
：。
ｙ。
和矿。
确定了接收波形的峰值范围，以此来确定两次收发过程波形的一致性，这给判断该次测量的可靠性提供依据。
根据两次过零点波形，分别对两次过比较阈值点时间的可靠性进行判断，确定ｒ．，～乙、瓦。
一叱各自对应过零点的位置。
在过零点波形分析中，要考虑在过零点处可能存在的噪声干扰引起的误触发波形。
根据第一个有效波形的上升过程和下降过程中两个比较阈值计算出的时间Ｌ。
，ｒ。
，％，ｒ。
：可以推算出对应正弦波的表达式Ｖ＝ａｓｉｎ（２矽＋９）。
求解出ｙ＝０时的时间便是所求的过零点疋．的值。
控制发送换能器反向发射超声波，同样也是发射相同的波形２次，根据以上的过程再做一次，求出在反向发射超声波时接收波在相同位置过零点的时间ｒ出的值。
ｒ。
一ｒ：。
的绝对值便是正反向超声波的时间差。
根据公式秒＝｝寻·÷笔便可以求出流体的流速，乘
ｓｌｎ，￡仃
上管道截面积就能算出流量了，公式为：
ｑ。
＝∥·Ａ＝１ｒ·Ｄ２／４·秽＝Ｋ·砂
式子中Ａ为管径节面积；Ｖ为流体流速；ｑ，为体积流量；Ｄ为管道内径。
４结束语
超声波时间测量是超声波流量计当中的一个很重要的环节，因为超声波顺流和逆流的时差十分微小，测量时间的精度要求很高，测量时间的精度又直接影响到了流量计的精度，因此时间间隔测量在整个超声波流量计系统中占有非常重要的地位。
ＴＤＣ—ＧＰ２是一款高精度的时间测量芯片，它具有６５ｐｓ量级的时间间隔测量精度。
在超声波流量计时间测量系统中运用ＴＤＣ—ＧＰ２大大提高了超声波流量计的测量精度。
本文为实现ＴＤＣ—ＧＰ２在超声波流量计时间测量中的应用提供了一个技术方案，在实际流量测量中，还存在流量管道气泡杂质等影响，从而影响流量测量的精度，这是有待改进的。
参考文献：
［１］黄永峰．时差式超声流量计新测量方法的设计与实现［Ｄ］．哈尔滨工程大学，２００７．
［２］党瑞荣，石浩亮，杨灏．基于ＴＭＳ３２０ＶＣ３３和ＴＤＣ—ＧＰ２的流量测量电路设计［Ｊ］．石油仪器，２００７，（６）．
［３］潘琢金．Ｃ８０５ｌＦ４１０／１／２／３混合信号ＩＳＰＦＬＡＳＨ微控制器数据手册［ｚ］．２００６．
［４］ＡＣＡＭ．ＴＤＣ—ＧＰ２（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ２ＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ—ｔｏ—ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎ·ｖｅｒｔｅｒ）［ｚ］．２００６．
［５］仲峰，万莉萍，岳宇．高精度时间测量芯片ＴＤＣ—ＧＰ２在激光测距中的应用［Ｊ】．工业控制计算机，２００７，（４）．
（丁云编发）
（上接第５２页）
图中ｉｍｏｕｔｌ为输出数据的整数部分，ｉｍｏｕｔ２为小数部分（小数部分位长为５，将仿真结果除以３２即为仿真结果小数值）。
仿真结果说明，ＦＰＧＡ运算结果略小于Ｍａｔｌａｂ计算值，最大误差不超过０．２。
采用主流的ＦＰＧＡ器件ＡＬＴＥＲＡ公司的ＳｔｒａｔｉｘＩＩ系列器件ＥＰ２Ｓ１５Ｆ４８４Ｃ３进行综合仿真。
资源占用率为：
ＴｏｔａｌＡＬＵＴｓ：８８１４／１２４８０（７１％）；
Ｔｏｔａｌｒｅｇｉｓｔｅｒｓ：６４３７；
Ｔｏｔａｌｍｅｍｏｒｙｂｉｔｓ：２６６２４０／
４１９３２８（６３％）；
ＤＳＰｂｌｏｃｋ９－ｂｉｔｅｌｅｍｅｎｔｓ：
４８／９６（５０％）；
，导妻壬竺挈兰为：三７：１４ＭＨｚ＇图６时序分析结果时序分析结果如图６所示。
５总结
本文设计了一种采用ＦＰＧＡ器件实现二维小波分析算法的方法。
仿真结果表明这种方法可以满足实时信号处理的要求，可以处理任意大小的二维数据。
因有限字长效应，运算结果中有较小的误差，如系统对计算精度要求更高，可以适当增加中间数据的位长。
如果选用集成度更高的器件该算法所占器件的资源比例将更低（选用ＥＰ２Ｓ１８０Ｆ１５０８Ｃ３综合时算术逻辑单元ＡＬＵＴ的使用率为６％），此方法设计可以实现更为复杂的多维小波分解及重构算法。
参考文献：
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（许雪军编发） 万方数据
TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用
作者：吴元良， 姚骏， 李斌， WU Yuan-liang， YAO Jun， LI Bin
作者单位：上海大学,机电工程与自动化学院,上海,200072
刊名：
仪表技术
英文刊名：INSTRUMENTATION TECHNOLOGY
年，卷(期)：2009(1)
被引用次数：1次
1.仲峰;万莉萍;岳宇高精度时间测量芯片TDC-GP2在激光测距中的应用[期刊论文]-工业控制计算机 2007(04)
2.ACAM TDC-GP2(Universal 2 Channel Time-to-Digital Converter) 2006
3.潘琢金C8051F410/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册 2006
4.党瑞荣;石浩亮;杨灏基于TMS320VC33和TDC-GP2的流量测量电路设计[期刊论文]-石油仪器 2007(06)
5.黄永峰时差式超声流量计新测量方法的设计与实现 2007
1.李国洪.盛立.刘丽娜基于MSP430F447的超声波流量计的设计及实现[期刊论文]-声学技术 2010(3)
本文链接：/Periodical_ybjs200901023.aspx。