基于CortexM3的TDC-GP22在智能超聲波水表中的應(yīng)用 超聲波流量計(jì)

 當(dāng)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22遇到超低功耗ARM CortexM3 MCU會產(chǎn)生怎樣的火花呢？答案是：可成就傳統(tǒng)機(jī)械水表向智能超聲波水表技術(shù)的飛躍！模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）聽的多了，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC——Timer Digital Converter）是什么原理的器件？為什么是ARM CortexM3，而不是M0、M4? 還有，超聲波水表這種創(chuàng)新產(chǎn)品形式是否到了大規(guī)模商用階段呢？ 

好奇心總是會驅(qū)使我們?nèi)ヌ剿魇挛锏谋举|(zhì)，想知道智能超聲波水表有何突破創(chuàng)新之處？TDC-GP22在其中起到何種關(guān)鍵作用，ARM CortexM3 MCU如何在超低功耗突破方面再助一臂之力？本文將介紹TDC-GP22在智能超聲波水表中起到何種關(guān)鍵作用，ARM CortexM3 MCU如何在超低功耗突破方面再助一臂之力？ 

水表技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展是實(shí)現(xiàn)智能測量的重要 

“當(dāng)智能電表在電力系統(tǒng)中如火如荼地發(fā)展之時(shí)，水表也在朝向智能化、全電子的方向快速發(fā)展。這一方面因?yàn)樗Y源的短缺迫使政府重視節(jié)水和水量控制，另一方面也源于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展成熟使得智能水表的實(shí)現(xiàn)成為可能。”世強(qiáng)*公司華南區(qū)技術(shù)主管陳剛先生強(qiáng)調(diào)說，“能滿足階梯計(jì)價(jià)的智能式水表將會成為建設(shè)節(jié)水型社會一大利器！” 

水表技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展是實(shí)現(xiàn)用水智能測量的重要。超聲波水表是采用超聲波時(shí)差原理，采用工業(yè)級電子元器件制造而成的全電子水表。利用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過檢測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量的這種間接測量方法——超聲波測量，使智能水表變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

 
圖1. 超聲波時(shí)差法測量原理示意圖

與傳統(tǒng)機(jī)械式水表相比較，精度高、可靠性好、量程比寬、壽命長、無活動部件、任意角度安裝、更換非常靈活等都是超聲波水表所具有的重要優(yōu)勢： 

●精度高：測量的分辨率高； 
●可靠性好：超聲波回波測量穩(wěn)定可靠； 
●量程比寬：始動流量非常?。?/span>< 2 L/h），微小變化可以獲知； 
●壽命長：盡管測量速度很快，但可以擁有非常長的使用壽命； 
●無活動部件：不影響流體特性，測量性能更加*； 
●更換非常靈活：更換非常簡單，無需斷管網(wǎng)。 

有研究數(shù)據(jù)顯示，在歐洲以及世界一些地區(qū)：大口徑工業(yè)水表和小口徑民用水表，都已經(jīng)開始朝超聲波方向發(fā)展。歐洲一些的表計(jì)公司在歐洲的項(xiàng)目開發(fā)工作中已經(jīng)開始或者已經(jīng)量產(chǎn)，超聲波水表潛力巨大(市場潛力：>10Mio./年)。 

在中國，超聲波測量方式已經(jīng)在熱量表和流量計(jì)當(dāng)中得到普遍的應(yīng)用和驗(yàn)證。由于超聲波方式的優(yōu)勢，以及測量超聲波電路的不斷發(fā)展和完善，智能水表也將向這種方式發(fā)展。國家標(biāo)準(zhǔn)定額司相關(guān)單位委托企業(yè)牽頭組織起草的“超聲波水表”國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本完成。 

超聲波水表革命的關(guān)鍵部件——TDC-GP22 

德國Acam公司的測量芯片在超聲波測量上已得到普遍認(rèn)可和采用?；氐轿恼麻_頭提到的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22，它是Acam公司利用純數(shù)字化CMOS 技術(shù)生產(chǎn)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能將時(shí)間間隔的測量量化到22ps 的精度，可以說天生就肩負(fù)了推動智能超聲波技術(shù)變革的使命。

 
圖2. TDC-GP22——智能超聲波水表應(yīng)用的高集成度測量芯片

其實(shí)，Acam公司的顆TDC芯片TDC-GP1早在1996年就已經(jīng)投入市場，在超聲波流量計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。該公司在2005年推出了高性價(jià)比的TDC-GP2芯片，在超聲波熱量表市場中建立了良好的基礎(chǔ)。到了2011年初其TDC-GP21芯片問世，專門針對超聲波熱量電路設(shè)計(jì)。有了前面這些階段的技術(shù)驗(yàn)證和市場積累，2011年底，Acam專門為水表特定的功能更強(qiáng)大的芯片TDC-GP22正式進(jìn)入市場。 

原理及性能

 
圖3. TDC-GP22內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

如上圖3所示為TDC-GP22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC即為芯片TDC-GP22的技術(shù)核心，它利用信號通過邏輯門的時(shí)間延遲來精確量化時(shí)間間隔。并且這個(gè)高精度的時(shí)間測量單元TDC，其分辨率達(dá)到22ps，這就為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測量保障，從而實(shí)現(xiàn)高精度、大量程比的設(shè)計(jì)。 

TDC-GP22的重要特性還包括： 

●溫度測量精度（2mk rms）； 

●TOF飛行時(shí)差的溫漂（<0.3ps/k）； 

●提供針對超聲波水表所需要的完整的模擬前端：內(nèi)部集成斬波穩(wěn)定的內(nèi)部低噪聲比較器（比較器觸發(fā)offset范圍在±35 mV）和低串?dāng)_模擬開關(guān)，這就解決了客戶模擬部分設(shè)計(jì)的問題， 提高了系統(tǒng)測量質(zhì)量。 

TDC-GP22的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅(qū)動超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動芯片，簡化了設(shè)計(jì)并降低了成本；高精度的時(shí)間測量，簡潔的外部電路、集成的內(nèi)部信號處理算法，超低的整體功耗測量特性使得其非常適合于超聲波水表的應(yīng)用。 

因TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，所以TDC-GP22的功能、管腳、寄存器與TDC-GP21可以99%兼容（可1:1進(jìn)行替換）。TDC-GP22除了具備TDC-GP21的所有特性外，還增加了三個(gè)重要的功能。之所以說TDC-GP22是超聲波水表電路的革命，正是與這三個(gè)新增的重要功能緊密相關(guān)有關(guān)。 

1. 智能個(gè)回波檢測功能，使得時(shí)間窗口設(shè)置不再受時(shí)差變化影響，從而實(shí)現(xiàn)精確的脈沖間隔測量，以及回流、空管識別和報(bào)警。 

2. 波脈沖寬度測量功能（目前市面上僅TDC-GP22可以實(shí)現(xiàn)）： GP22的脈沖寬度測量可以幫助在水表應(yīng)用中，檢測段內(nèi)是否有氣泡影響，以及檢測管段內(nèi)的長期覆蓋物，給出報(bào)警信號。 

3. 簡化的多脈沖結(jié)果計(jì)算功能，TDC-GP22芯片將會自動處理計(jì)算3個(gè)脈沖結(jié)果，并給出平均值。通過這種方式，簡化了整個(gè)測量的流程，測量的結(jié)果*由TDC-GP22自動完成，MCU僅需直接讀結(jié)果，節(jié)省單片機(jī)資源，并滿足水表測量速度要求。 

EFM32TG840Fxx助力超聲波水表突破功耗瓶頸 

通過上面的講述，我們對于TDC-GP22適用于超聲波水表的性能優(yōu)勢已經(jīng)有了比較深入的認(rèn)識，但是對于在電子智能水表應(yīng)用中至關(guān)重要的功耗問題還沒有提及。水表應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求水表的電池至少6年不能更換，這對整個(gè)系統(tǒng)的功耗提出了苛刻的要求，也一直制約著超聲波水表的發(fā)展。

下圖4為世強(qiáng)開發(fā)的低功耗超聲波滴水表方案的系統(tǒng)框圖，主要由3個(gè)部分組成：換能器、TDC-GP22以及以Silicon Labs EFM32TG840Fxx為核心的控制電路部分。世強(qiáng)的方案具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：1、量程比：1:125；2、平均功耗： < 30 uA；3、始動流量：< 2 L/h；4、單節(jié)3.6V鋰電池可工作6+1年；5、接口輸出：紅外，M-BUS。

 
圖4. 世強(qiáng)推出的低功耗超聲波水表方案實(shí)物圖和系統(tǒng)框圖

其實(shí)，TDC-GP22已經(jīng)具備了非常低的功耗特性，（靜態(tài)電流：<0.1uA@85℃；休眠電流：1uA（32K持續(xù)工作下）），但是當(dāng)TDC-GP22遇到基于ARM CortexM3的超低功耗Silicon Labs EFM32TG840Fxx系列MCU，在功耗表現(xiàn)上就表現(xiàn)得更加了，這正是世強(qiáng)推出圖4超聲波水表方案最初的器件選擇考量因素。 

由于系統(tǒng)中控制器通常是耗電大戶，所以要降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，超低功耗的MCU是必需的。EFM32系列MCU是Silicon Labs公司推出的超低功耗ARM，該系列產(chǎn)品只有現(xiàn)有8位、16位、32位MCU的四分之一功耗，并且具有豐富的外設(shè)接口。EFM32TG840是屬于EFM32系列MCU中的 Tiny Gecko系列產(chǎn)品。

 
圖5. Silicon Labs 公司EFM32TG840Fxx系列MCU的特點(diǎn)匯總

EFM32系列MCU在活動模式下執(zhí)行來自Flash的實(shí)際代碼時(shí)耗電量為150μA，在深度睡眠模式下為900nA，在shutoff模式下為20nA。芯片的休眠模式喚醒時(shí)間低于2μs，供電電壓范圍可達(dá)1.8～3.8V。 

外設(shè)方面EFM32除了提供基本的AD模塊、DA模塊、模擬比較器、UART/SPI/IIC接口、外部總線接口等，還提供了特色的低功耗的外設(shè)，包括低功耗的UART和定時(shí)器。EFM32的*的“peripheral reflex system(周邊反射系統(tǒng))”（PRS）可與標(biāo)準(zhǔn)的32 位ARM 總線并行，PRS 可使EFM32外設(shè)自主運(yùn)行和交流，無需CPU干預(yù)，可延長CPU睡眠時(shí)間并節(jié)省大量能源。此外EFM32系列產(chǎn)品還集成了LCD控制器、RTC、LESENCE接口、AES模塊等。 

基于Cortex-M3內(nèi)核的EFM32系列MCU產(chǎn)品，內(nèi)核強(qiáng)大的運(yùn)算能力減少MCU工作狀態(tài)時(shí)間，150μA/MHz的超低運(yùn)行功耗，配合EMF32*的低功耗外設(shè)，超聲波水表的電池8年不用更換將成為可能。同時(shí)EFM32系列MCU的高集成度，進(jìn)一步降低客戶的系統(tǒng)成本。 

本文小結(jié) 

TDC-GP22超聲芯片的高集成度使得外圍電路的設(shè)計(jì)更加簡單，低功耗高性能的MCU極大延長了電池續(xù)航時(shí)間。加上世強(qiáng)可提供超聲波水表的一站式解決方案（包括完整可行的軟件、原理圖、PCB示例、技術(shù)支持），無疑為水表企業(yè)更快地?fù)屨紕?chuàng)新先機(jī)做好了鋪墊開發(fā)和上市。 

超聲波智能表時(shí)代已來，您準(zhǔn)備好了么？