TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案

前言：

 从2009年开始，中国北方供热改革已经真正的迈开了脚步，在未来的几年当中，北方各地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。而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。应用德国acam公司的第一代产品TDC-GP2实现的超声波热量表已经在市场被广泛的应用，而且由于其集成度高，测量性能好功耗低的优势，受到广大的热量表公司的认可。而今，acam公司进一步推出了针对超声波热量表的高级成度TDC-GP21，在性能质量，功耗及其他各个方面将全面超越TDC-GP2，成为超声波热量表的首选。

 

TDC-GP21介绍：

 

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。这颗芯片为QFN32管脚的封装形式。这颗芯片而除了具备了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，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，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。

 

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 *** 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和参考电阻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。

 

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的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，可以帮助可以详细的分析了解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设计完整热量表示非常简单的，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以及超声波换能器和温度传感器外，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Silabs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。GP21本身的测量功耗是否非常低的，在每秒钟一次上下游飞行时间测量的情况下，测量功耗仅为大约2uA左右。

 

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。GP21在每秒钟一次上下游的时间测量功耗仅为大约2uA：

 

 

 

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

 

当然每个通道最多可以进行接受3个脉冲，每次上下游都可以一次获得三个结果，如果希望计算所有3个结果，请进一步与世强电讯公司工程师联络。

 

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。