當(dāng)TDC-GP22遇到ARM CortexM3

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)聽(tīng)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?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?

超聲波水表概述

當(dāng)智能電表在電力系統(tǒng)中如火如荼地發(fā)展時(shí)，水表也在朝智能化、全電子化的方向快速發(fā)展。這一方面因?yàn)槿蛩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)的成熟發(fā)展使得智能水表的實(shí)現(xiàn)成為可能。能滿足階梯計(jì)價(jià)的智能式水表將會(huì)成為建設(shè)節(jié)水型社會(huì)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(cè)量的重要武器。超聲波水表是采用超聲波時(shí)差原理，采用工業(yè)級(jí)電子元器件制造而成的全電子水表。這種超聲波測(cè)量是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替(或同時(shí))收發(fā)超聲波，通過(guò)檢測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量。

與傳統(tǒng)機(jī)械式水表相比較，超聲波水表精度高、可靠性好、量程比寬、壽命長(zhǎng)、無(wú)活動(dòng)部件、任意角度安裝、更換非常靈活等重要優(yōu)勢(shì)：

l 精度高：測(cè)量的分辨率高;

l 可靠性好：超聲波回波測(cè)量穩(wěn)定可靠;

l 量程比寬：始動(dòng)流量非常小(< 2 L/h)，微小變化可以獲知;

l 壽命長(zhǎng)：盡管測(cè)量速度很快，但可以擁有非常長(zhǎng)的使用壽命;

l 無(wú)活動(dòng)部件：不影響流體特性，測(cè)量性能更加優(yōu)越;

l 更換非常靈活：更換非常簡(jiǎn)單，無(wú)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(kāi)始朝超聲波方向發(fā)展。歐洲一些著名的表計(jì)公司在歐洲的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)工作中已經(jīng)開(kāi)始或者已經(jīng)量產(chǎn)，超聲波水表潛力巨大(市場(chǎng)潛力：>10Mio./年)。

在中國(guó)，超聲波測(cè)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(shì)，以及測(cè)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(guó)家住建部標(biāo)準(zhǔn)定額司相關(guān)單位委托行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)牽頭組織起草的“超聲波水表”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本完成。

超聲波水表關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵部件——TDC-GP22

德國(guó)Acam公司的測(cè)量芯片在超聲波測(cè)量上已得到普遍認(rèn)可和采用。回到文章開(kāi)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(cè)量量化到22ps 的精度，可以說(shuō)天生就肩負(fù)了推動(dòng)智能超聲波技術(shù)變革的使命。

其實(shí)，Acam公司的第一顆TDC芯片TDC-GP1早在1996年就已經(jīng)投入市場(chǎng)，并在超聲波流量計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。該公司在2005年推出了高性?xún)r(jià)比的TDC-GP2芯片，在超聲波熱量表市場(chǎng)中建立了良好的基礎(chǔ)。2011年初其專(zhuān)門(mén)針對(duì)超聲波熱量電路設(shè)計(jì)的TDC-GP21芯片問(wèn)世。有了前面這些階段的技術(shù)驗(yàn)證和市場(chǎng)積累，2011年底，Acam專(zhuān)門(mén)為水表特定的功能更強(qiáng)大的芯片TDC-GP22正式進(jìn)入市場(chǎng)。

原理及性能

圖3為T(mén)DC-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(hào)通過(guò)邏輯門(mén)的絕對(duì)時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔。并且這個(gè)高精度的時(shí)間測(cè)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(cè)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(cè)量精度(2mk rms);

● TOF飛行時(shí)差的溫漂(<0.3ps/k);

● 提供針對(duì)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(kāi)關(guān)，這就解決了客戶(hù)模擬部分設(shè)計(jì)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)測(cè)量質(zhì)量。

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

三個(gè)重要功能

因TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，所以TDC-GP22的功能、管腳、寄存器與TDC-GP21可以100%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(shuō)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)。

● 智能第一個(gè)回波檢測(cè)功能。TDC-GP22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(cè)量，以及回流、空管識(shí)別和報(bào)警。

● 第一波脈沖寬度測(cè)量功能(目前市面上僅TDC-GP22可以實(shí)現(xiàn))。GP22的脈沖寬度測(cè)量可以幫助在水表應(yīng)用中，檢測(cè)段內(nèi)是否有氣泡影響，以及檢測(cè)管段內(nèi)的長(zhǎng)期覆蓋物，給出報(bào)警信號(hào)。

● 簡(jiǎn)化的多脈沖結(jié)果計(jì)算功能。TDC-GP22芯片將會(huì)自動(dòng)處理計(jì)算3個(gè)脈沖結(jié)果，并給出平均值。通過(guò)這種方式，簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)量的流程，測(cè)量的結(jié)果完全由TDC-GP22自動(dòng)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(cè)量速度要求。

EFM32TG840Fxx助力超聲波水表突破功耗瓶頸

通過(guò)上面的講述，我們對(duì)于TDC-GP22適用于超聲波水表的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)有了比較深入的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)于在電子智能水表應(yīng)用中至關(guān)重要的功耗問(wèn)題還沒(méi)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(duì)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。[!--empirenews.page--]

下圖4為世強(qiáng)開(kāi)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(shì)：1、量程比：1:125;2、平均功耗： < 30 uA;3、始動(dòng)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。

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))，不過(guò)當(dāng)TDC-GP22遇到基于ARM CortexM3的超低功耗EFM32TG840Fxx系列MCU，在功耗表現(xiàn)上就表現(xiàn)得更加完美了，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(hù)，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。

EFM32系列MCU在活動(dòng)模式下執(zhí)行來(lái)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的獨(dú)特的“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(wú)需CPU干預(yù)，可延長(zhǎng)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M(fèi)CU工作狀態(tài)時(shí)間，150μA/MHz的超低運(yùn)行功耗，配合EMF32獨(dú)特的低功耗外設(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(hù)的系統(tǒng)成本。

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(jiǎn)單，低功耗高性能的MCU極大延長(zhǎng)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(wú)疑為水表企業(yè)更快地?fù)屨紕?chuàng)新先機(jī)做好了鋪墊開(kāi)發(fā)和上市。