基于TDC-GP21的完美超聲波熱量表設(shè)計

引言

　　我國北方的供熱改革自2009年邁出了第一步以來，現(xiàn)在已經(jīng)真正走上了正軌，預(yù)計在未來的幾年當(dāng)中，北方各地也將會加快對于供熱計量方面的改革力度，按熱量計價收費將會成為今后北方供熱供暖方面的一個重點工作。超聲波熱量表由于其測量方式無接觸部件，低壓降和低能量消耗而且測量高精度，正在逐漸取代機械式的熱量表，成為北方供熱供暖熱計量方案的首選。德國acam公司的第一代產(chǎn)品TDC-GP2，已經(jīng)得到市場的充分認可，因為其集成度高，測量性能好功耗低的優(yōu)勢。而今，acam公司進一步推出了針對超聲波熱量表的高集成度TDC-GP21，在性能質(zhì)量，功耗及其他各個方面將全面超越TDC-GP2，將會取代第一代而成為超聲波熱量表的首選。

　　1 TDC-GP21的簡介

　　在2010年的11月底，德國acam公司在原有的基礎(chǔ)上，又專門針對超聲波熱量表的一些特性，進行了更深入的研究和改進，最終推出了新一代針對超聲波熱量表所設(shè)計的的芯片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處理模擬部分，比如模擬開關(guān)
開關(guān)

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

以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動進行溫度電壓校正）模擬信號比較器
比較器
　　比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。實際上也是增益非常高的運算放大器，可以放大輸入端很小的差分信號，并驅(qū)動輸出端切換到兩個輸出狀態(tài)中的一個。以至于無法穩(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)部集成了溫度測量所需施密特觸發(fā)器，使超聲波熱量表的設(shè)計開發(fā)非常簡單，大大降低材料和人工成本，并且將測量質(zhì)量和功耗提升到了一個前所未有的等級，實現(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所無法達到的。

　　1.1 TDC-GP21內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　上圖中綠色部分，為專門針對熱量表所集成的單元。

　　模擬控制部分將信號的發(fā)射接收的處理變得前所未有的簡單，模擬信號和整個流程控制直接由這個部分來處理和自動操作，而且斬波穩(wěn)定比較器可以保證測量的質(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的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“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)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。

和參考電阻
電阻
　　電阻，物質(zhì)對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，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。 [全文]

就可以進行高精度的測量，測量的性能遠遠超過熱量表所需的要求；

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

　　1.2 管腳信號輸出功能

　　除了上圖中的額外增加的模塊外，acam公司還針對超聲波熱量表的特性在GP21內(nèi)部進行了一些超聲波必要信號在其管腳Fire_in和En_start的輸出，這些輸出信號，可以幫助客戶深入分析了解超聲波信號以及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量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。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)生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，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鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過由于在消費類電子產(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]

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

　　一個應(yīng)用TDC-GP21設(shè)計完整熱量表是非常簡單的，下面是一個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，整個測量系統(tǒng)所需要的外部元器件非常少，整個結(jié)構(gòu)很緊湊，除了所必需的簡單單片機
單片機

　　單片機是單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer）的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的微型計算機系統(tǒng)。 [全文]

以及超聲波換能器
換能器
　　換能器是進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、輻射、散射和類比電路組成轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是決定整個系統(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物體接觸，來敏感被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達到測溫的目的。 　　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)過一定的接口電路轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓或電流信號，利用這些電壓或電流信號即可進行測量控制。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，形成了功能強大、精確、價廉的數(shù)字溫度傳感器。 [全文]

外，外部僅需要2對RC阻容，2個晶振，和一些旁路去藕電阻電容。時間測量上游，下游信號的發(fā)射接收以及信號的處理，溫度測量等完全在TDC-GP21芯片內(nèi)部完成，單片機僅需讀取TDC-GP21的測量數(shù)據(jù)，將時間測量結(jié)果以及溫度測量結(jié)果進行熱量的轉(zhuǎn)換計算即可。

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

　　1.3 TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部比較器測量效果

　　為了驗證TDC-GP21的性能，我們應(yīng)用acam GP21演示系統(tǒng)及威海天罡管段進行了零點穩(wěn)定性測試，應(yīng)用GP21內(nèi)部比較器，每次測量3個脈沖，8次平均后的結(jié)果，2.5小時無停止，GP21測量功耗大概為14 uA：

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

　　TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部自動上下游時間測量的典型流程：

　　Power on Reset， Reg0-Reg6 settings

　　Whileloop：

　　1. send Reg1 ALU計算（0x8121xxxx） ; 為了每一次計算都寫入結(jié)果寄存器0 會有中斷， 但是這個中斷不需要關(guān)心

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

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

　　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中讀上游時間測量結(jié)果

　　6.send reg1 ALU計算（0x8121xxxx） ; 下游測量將結(jié)果也寫到結(jié)果寄存器0中，也會有中斷，不用關(guān)心這個中斷

　　7.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中斷會自動恢復(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中讀下游時間測量結(jié)果

　　End Loop

　　2 總結(jié)

　　TDC-GP21這顆專門為超聲波熱量表測量所設(shè)計的高集成度芯片，將會使超聲波熱量表的設(shè)計進一步簡化，降低整體成本，而其高質(zhì)量的測量性能以及超低的測量功耗，必將成為繼TDC-GP2之后成為超聲波熱量表設(shè)計的完美方案。由此，我們可以期待迎來新超聲波熱量表的時代。