適合超聲波熱量表的解決方案

中心議題
     *超聲波熱量表的設(shè)計(jì)方法
解決方案
     *專為超聲波熱量表測(cè)量所設(shè)計(jì)TDC-GP2

從2009年開始，中國(guó)北方供熱改革已經(jīng)真正的邁開了腳步，在未來的幾年當(dāng)中，北方各地將會(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。而超聲波熱量表由于其測(cè)量方式無接觸部件，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。應(yīng)用德國(guó)acam公司的第一代產(chǎn)品TDC-GP2實(shí)現(xiàn)的超聲波熱量表已經(jīng)在市場(chǎng)被廣泛的應(yīng)用，而且由于其集成度高，測(cè)量性能好功耗低的優(yōu)勢(shì)，受到廣大的熱量表公司的認(rèn)可。而今，acam公司進(jìn)一步推出了針對(duì)超聲波熱量表的高級(jí)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，成為超聲波熱量表的優(yōu)選。

 TDC-GP21介紹：

 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。這顆芯片為QFN32管腳的封裝形式。這顆芯片而除了具備了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)，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，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所無法達(dá)到的。

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和參考電阻就可以進(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。

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)的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)。通過這些信號(hào)的輸出，可以幫助可以詳細(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)完整熱量表示非常簡(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)以及超聲波換能器和溫度傳感器外，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Silabs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)。GP21本身的測(cè)量功耗是否非常低的，在每秒鐘一次上下游飛行時(shí)間測(cè)量的情況下，測(cè)量功耗僅為大約2uA左右。

 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)無停止，GP21測(cè)量功耗大概為14 uA。GP21在每秒鐘一次上下游的時(shí)間測(cè)量功耗僅為大約2uA：

 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。 

當(dāng)然每個(gè)通道最多可以進(jìn)行接受3個(gè)脈沖，每次上下游都可以一次獲得三個(gè)結(jié)果，如果希望計(jì)算所有3個(gè)結(jié)果，請(qǐng)進(jìn)一步與世強(qiáng)電訊公司工程師聯(lián)絡(luò)。

 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。