基于TDC-GP21的完美超声波热量表设计

引言

　　我国北方的供热改革自2009年迈出了第一步以来，现在已经真正走上了正轨，预计在未来的几年当中，北方各地也将会加快对于供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重点工作。超声波热量表由于其测量方式无接触部件，低压降和低能量消耗而且测量高精度，正在逐渐取代机械式的热量表，成为北方供热供暖热计量方案的首选。德国acam公司的第一代产品TDC-GP2，已经得到市场的充分认可，因为其集成度高，测量性能好功耗低的优势。而今，acam公司进一步推出了针对超声波热量表的高集成度TDC-GP21，在性能质量，功耗及其他各个方面将全面超越TDC-GP2，将会取代第一代而成为超声波热量表的首选。

　　1 TDC-GP21的简介

　　在2010年的11月底，德国acam公司在原有的基础上，又专门针对超声波热量表的一些特性，进行了更深入的研究和改进，最终推出了新一代针对超声波热量表所设计的的芯片TDC-GP21。这颗芯片采用QFN32管脚的封装形式，除了具备了TDC-GP2的功能以外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，比如模拟开关
开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。

以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器
比较器
　　比较器是一种得到广泛使用的电路元件。实际上也是增益非常高的运算放大器，可以放大输入端很小的差分信号，并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。以至于无法稳定在中间放大区，再不跳到低电平，再不跳到高电平。 [全文]

，以及内部集成了温度测量所需施密特触发器，使超声波热量表的设计开发非常简单，大大降低材料和人工成本，并且将测量质量和功耗提升到了一个前所未有的等级，实现了更高集成度，更低功耗，更高精度的超声波热量表方案。TDC-GP21所能够实现的性能，是TDC-GP2所无法达到的。

　　1.1 TDC-GP21内部结构图

　　上图中绿色部分，为专门针对热量表所集成的单元。

　　模拟控制部分将信号的发射接收的处理变得前所未有的简单，模拟信号和整个流程控制直接由这个部分来处理和自动操作，而且斩波稳定比较器可以保证测量的质量；

　　温度部分集成了施密特触发器，直接接上温度传感器
传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

和参考电阻
电阻
　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

就可以进行高精度的测量，测量的性能远远超过热量表所需的要求；

　　7x32的eeprom单元可以让客户存储整表的一些ID信息以及配置寄存器的信息。

　　1.2 管脚信号输出功能

　　除了上图中的额外增加的模块外，acam公司还针对超声波热量表的特性在GP21内部进行了一些超声波必要信号在其管脚Fire_in和En_start的输出，这些输出信号，可以帮助客户深入分析了解超声波信号以及GP21的一些特性。下面是一些示波器
示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 示波器

的截图。

　　除了以上输出的信号外，还可以在EN_start管脚输出4k的晶振
晶振

　　晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。 [全文]

时钟，在Fire_In管脚上输出32k的低功耗晶振时钟，那么所输出的具体信号是由寄存器配置所决定，详细设置请参考TDC-GP21的用户手册。通过这些信号的输出，可以帮助客户详细的分析了解TDC-GP21的超声波测量特性，帮助客户在超声波热量表开发过程中克服很多困难。

　　一个应用TDC-GP21设计完整热量表是非常简单的，下面是一个超声波热量表原理图的例子：

　　如上图所示，给我们最直观的印象就是，整个测量系统所需要的外部元器件非常少，整个结构很紧凑，除了所必需的简单单片机
单片机

　　单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]

以及超声波换能器
换能器
　　换能器是进行声能与其他形式的能量间转换的器件，通常与相关的振动、辐射、散射和类比电路组成转换系统，是决定整个系统性能的关键。 [全文]

和温度传感器
温度传感器
　　温度压力传感器是由温度敏感元件和检测线路组成的。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。 　　传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器都是将温度值经过一定的接口电路转换后输出模拟电压或电流信号，利用这些电压或电流信号即可进行测量控制。而将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起，就成为具有数字输出能力的数字温度传感器。随着半导体技术的迅猛发展，半导体温度传感器与相应的转换电路、接口电路以及各种其它功能电路逐渐集成在一起，形成了功能强大、精确、价廉的数字温度传感器。 [全文]

外，外部仅需要2对RC阻容，2个晶振，和一些旁路去藕电阻电容。时间测量上游，下游信号的发射接收以及信号的处理，温度测量等完全在TDC-GP21芯片内部完成，单片机仅需读取TDC-GP21的测量数据，将时间测量结果以及温度测量结果进行热量的转换计算即可。

　　在单片机方面，MSP430不再是最好的选择，像Silicon Labs的单片机，Renesas的单片机系列等都可以完全适合热量表的应用。由于GP21的测量低功耗以及完全自动的超声波上下游测量，另外通过GP21的管脚可以提供给出一个超低功耗的32k晶振源，可以直接将这个晶振源提供给单片机。

　　1.3 TDC-GP21应用内部比较器测量效果

　　为了验证TDC-GP21的性能，我们应用acam GP21演示系统及威海天罡管段进行了零点稳定性测试，应用GP21内部比较器，每次测量3个脉冲，8次平均后的结果，2.5小时无停止，GP21测量功耗大概为14 uA：

　　从上图可以看到，上游下游时差零点测量非常稳定，由于应用TDC-GP21内部斩波稳定比较器，时差结果几乎不随时间及温度漂移。

　　TDC-GP21应用内部自动上下游时间测量的典型流程：

　　Power on Reset， Reg0-Reg6 settings

　　Whileloop：

　　1. send Reg1 ALU计算（0x8121xxxx） ; 为了每一次计算都写入结果寄存器0 会有中断， 但是这个中断不需要关心

　　2.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中断会自动恢复

　　3.send opcodestart_TOF_restart ; 发送自动上下游测量命令

　　4.wait INTN ; 判断是否收到中断

　　5.read 结果寄存器reg0 ; 从结果寄存器0中读上游时间测量结果

　　6.send reg1 ALU计算（0x8121xxxx） ; 下游测量将结果也写到结果寄存器0中，也会有中断，不用关心这个中断

　　7.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中断会自动恢复

　　8. wait INTN ; 判断是否收到中断

　　9. read结果寄存器reg0 ; 从结果寄存器0中读下游时间测量结果

　　End Loop

　　2 总结

　　TDC-GP21这颗专门为超声波热量表测量所设计的高集成度芯片，将会使超声波热量表的设计进一步简化，降低整体成本，而其高质量的测量性能以及超低的测量功耗，必将成为继TDC-GP2之后成为超声波热量表设计的完美方案。由此，我们可以期待迎来新超声波热量表的时代。