基于TDC-GP21的完美超聲波熱量表設(shè)計(jì)

引言

　　我國(guó)北方的供熱改革自2009年邁出了第一步以來(lái)，現(xiàn)在已經(jīng)真正走上了正軌，預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年當(dāng)中，北方各地也將會(huì)加快對(duì)于供熱計(jì)量方面的改革力度，按熱量計(jì)價(jià)收費(fèi)將會(huì)成為今后北方供熱供暖方面的一個(gè)重點(diǎn)工作。超聲波熱量表由于其測(cè)量方式無(wú)接觸部件，低壓降和低能量消耗而且測(cè)量高精度，正在逐漸取代機(jī)械式的熱量表，成為北方供熱供暖熱計(jì)量方案的首選。德國(guó)acam公司的第一代產(chǎn)品TDC-GP2，已經(jīng)得到市場(chǎng)的充分認(rèn)可，因?yàn)槠浼啥雀撸瑴y(cè)量性能好功耗低的優(yōu)勢(shì)。而今，acam公司進(jìn)一步推出了針對(duì)超聲波熱量表的高集成度TDC-GP21，在性能質(zhì)量，功耗及其他各個(gè)方面將全面超越TDC-GP2，將會(huì)取代第一代而成為超聲波熱量表的首選。

　　1 TDC-GP21的簡(jiǎn)介

　　在2010年的11月底，德國(guó)acam公司在原有的基礎(chǔ)上，又專門針對(duì)超聲波熱量表的一些特性，進(jìn)行了更深入的研究和改進(jìn)，最終推出了新一代針對(duì)超聲波熱量表所設(shè)計(jì)的的芯片TDC-GP21。這顆芯片采用QFN32管腳的封裝形式，除了具備了TDC-GP2的功能以外，還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號(hào)處理模擬部分，比如模擬開關(guān)
開關(guān)

　　開關(guān)是最常見(jiàn)的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過(guò)，反之電流無(wú)法通過(guò)。在各種電子設(shè)備、家用電器中都可以見(jiàn)到開關(guān)。

以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動(dòng)進(jìn)行溫度電壓校正）模擬信號(hào)比較器
比較器
　　比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。實(shí)際上也是增益非常高的運(yùn)算放大器，可以放大輸入端很小的差分信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)輸出端切換到兩個(gè)輸出狀態(tài)中的一個(gè)。以至于無(wú)法穩(wěn)定在中間放大區(qū)，再不跳到低電平，再不跳到高電平。 [全文]

，以及內(nèi)部集成了溫度測(cè)量所需施密特觸發(fā)器，使超聲波熱量表的設(shè)計(jì)開發(fā)非常簡(jiǎn)單，大大降低材料和人工成本，并且將測(cè)量質(zhì)量和功耗提升到了一個(gè)前所未有的等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了更高集成度，更低功耗，更高精度的超聲波熱量表方案。TDC-GP21所能夠?qū)崿F(xiàn)的性能，是TDC-GP2所無(wú)法達(dá)到的。

　　1.1 TDC-GP21內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　上圖中綠色部分，為專門針對(duì)熱量表所集成的單元。

　　模擬控制部分將信號(hào)的發(fā)射接收的處理變得前所未有的簡(jiǎn)單，模擬信號(hào)和整個(gè)流程控制直接由這個(gè)部分來(lái)處理和自動(dòng)操作，而且斬波穩(wěn)定比較器可以保證測(cè)量的質(zhì)量；

　　溫度部分集成了施密特觸發(fā)器，直接接上溫度傳感器
傳感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。

和參考電阻
電阻
　　電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡(jiǎn)稱絕緣體。 [全文]

就可以進(jìn)行高精度的測(cè)量，測(cè)量的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)熱量表所需的要求；

　　7x32的eeprom單元可以讓客戶存儲(chǔ)整表的一些ID信息以及配置寄存器的信息。

　　1.2 管腳信號(hào)輸出功能

　　除了上圖中的額外增加的模塊外，acam公司還針對(duì)超聲波熱量表的特性在GP21內(nèi)部進(jìn)行了一些超聲波必要信號(hào)在其管腳Fire_in和En_start的輸出，這些輸出信號(hào)，可以幫助客戶深入分析了解超聲波信號(hào)以及GP21的一些特性。下面是一些示波器
示波器

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。 示波器

的截圖。

　　除了以上輸出的信號(hào)外，還可以在EN_start管腳輸出4k的晶振
晶振

　　晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過(guò)由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。 [全文]

時(shí)鐘，在Fire_In管腳上輸出32k的低功耗晶振時(shí)鐘，那么所輸出的具體信號(hào)是由寄存器配置所決定，詳細(xì)設(shè)置請(qǐng)參考TDC-GP21的用戶手冊(cè)。通過(guò)這些信號(hào)的輸出，可以幫助客戶詳細(xì)的分析了解TDC-GP21的超聲波測(cè)量特性，幫助客戶在超聲波熱量表開發(fā)過(guò)程中克服很多困難。

　　一個(gè)應(yīng)用TDC-GP21設(shè)計(jì)完整熱量表是非常簡(jiǎn)單的，下面是一個(gè)超聲波熱量表原理圖的例子：

　　如上圖所示，給我們最直觀的印象就是，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)所需要的外部元器件非常少，整個(gè)結(jié)構(gòu)很緊湊，除了所必需的簡(jiǎn)單單片機(jī)
單片機(jī)

　　單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（Single-Chip Microcomputer）的簡(jiǎn)稱，是一種將中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 [全文]

以及超聲波換能器
換能器
　　換能器是進(jìn)行聲能與其他形式的能量間轉(zhuǎn)換的器件，通常與相關(guān)的振動(dòng)、輻射、散射和類比電路組成轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是決定整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 [全文]

和溫度傳感器
溫度傳感器
　　溫度壓力傳感器是由溫度敏感元件和檢測(cè)線路組成的。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸，來(lái)敏感被測(cè)物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開一定的距離，檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。 　　傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器都是將溫度值經(jīng)過(guò)一定的接口電路轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓或電流信號(hào)，利用這些電壓或電流信號(hào)即可進(jìn)行測(cè)量控制。而將模擬溫度傳感器與數(shù)字轉(zhuǎn)換接口電路集成在一起，就成為具有數(shù)字輸出能力的數(shù)字溫度傳感器。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體溫度傳感器與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路、接口電路以及各種其它功能電路逐漸集成在一起，形成了功能強(qiáng)大、精確、價(jià)廉的數(shù)字溫度傳感器。 [全文]

外，外部?jī)H需要2對(duì)RC阻容，2個(gè)晶振，和一些旁路去藕電阻電容。時(shí)間測(cè)量上游，下游信號(hào)的發(fā)射接收以及信號(hào)的處理，溫度測(cè)量等完全在TDC-GP21芯片內(nèi)部完成，單片機(jī)僅需讀取TDC-GP21的測(cè)量數(shù)據(jù)，將時(shí)間測(cè)量結(jié)果以及溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行熱量的轉(zhuǎn)換計(jì)算即可。

　　在單片機(jī)方面，MSP430不再是最好的選擇，像Silicon Labs的單片機(jī)，Renesas的單片機(jī)系列等都可以完全適合熱量表的應(yīng)用。由于GP21的測(cè)量低功耗以及完全自動(dòng)的超聲波上下游測(cè)量，另外通過(guò)GP21的管腳可以提供給出一個(gè)超低功耗的32k晶振源，可以直接將這個(gè)晶振源提供給單片機(jī)。

　　1.3 TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部比較器測(cè)量效果

　　為了驗(yàn)證TDC-GP21的性能，我們應(yīng)用acam GP21演示系統(tǒng)及威海天罡管段進(jìn)行了零點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試，應(yīng)用GP21內(nèi)部比較器，每次測(cè)量3個(gè)脈沖，8次平均后的結(jié)果，2.5小時(shí)無(wú)停止，GP21測(cè)量功耗大概為14 uA：

　　從上圖可以看到，上游下游時(shí)差零點(diǎn)測(cè)量非常穩(wěn)定，由于應(yīng)用TDC-GP21內(nèi)部斬波穩(wěn)定比較器，時(shí)差結(jié)果幾乎不隨時(shí)間及溫度漂移。

　　TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部自動(dòng)上下游時(shí)間測(cè)量的典型流程：

　　Power on Reset， Reg0-Reg6 settings

　　Whileloop：

　　1. send Reg1 ALU計(jì)算（0x8121xxxx） ; 為了每一次計(jì)算都寫入結(jié)果寄存器0 會(huì)有中斷， 但是這個(gè)中斷不需要關(guān)心

　　2.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中斷會(huì)自動(dòng)恢復(fù)

　　3.send opcodestart_TOF_restart ; 發(fā)送自動(dòng)上下游測(cè)量命令

　　4.wait INTN ; 判斷是否收到中斷

　　5.read 結(jié)果寄存器reg0 ; 從結(jié)果寄存器0中讀上游時(shí)間測(cè)量結(jié)果

　　6.send reg1 ALU計(jì)算（0x8121xxxx） ; 下游測(cè)量將結(jié)果也寫到結(jié)果寄存器0中，也會(huì)有中斷，不用關(guān)心這個(gè)中斷

　　7.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中斷會(huì)自動(dòng)恢復(fù)

　　8. wait INTN ; 判斷是否收到中斷

　　9. read結(jié)果寄存器reg0 ; 從結(jié)果寄存器0中讀下游時(shí)間測(cè)量結(jié)果

　　End Loop

　　2 總結(jié)

　　TDC-GP21這顆專門為超聲波熱量表測(cè)量所設(shè)計(jì)的高集成度芯片，將會(huì)使超聲波熱量表的設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，降低整體成本，而其高質(zhì)量的測(cè)量性能以及超低的測(cè)量功耗，必將成為繼TDC-GP2之后成為超聲波熱量表設(shè)計(jì)的完美方案。由此，我們可以期待迎來(lái)新超聲波熱量表的時(shí)代。