模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)聽的多了，時間數(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
當智能電表在電力系統(tǒng)中如火如荼地發(fā)展時，水表也在朝智能化、全電子化的方向快速發(fā)展。這一方面因為全球水資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)技術的成熟發(fā)展使得智能水表的實現(xiàn)成為可能。能滿足階梯計價的智能式水表將會成為建設節(jié)水型社會一大利器!
水表技術的創(chuàng)新發(fā)展是實現(xiàn)用水智能測量的重要武器。超聲波水表是采用超聲波時差原理，采用工業(yè)級電子元器件制造而成的全電子水表。這種超聲波測量是利用一對超聲波換能器相向交替(或同時)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間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量。
與傳統(tǒng)機械式水表相比較，超聲波水表精度高、可靠性好、量程比寬、壽命長、無活動部件、任意角度安裝、更換非常靈活等重要優(yōu)勢：
l 精度高：測量的分辨率高;
l 可靠性好：超聲波回波測量穩(wěn)定可靠;
l 量程比寬：始動流量非常小(< 2 L/h)，微小變化可以獲知;
l 壽命長：盡管測量速度很快，但可以擁有非常長的使用壽命;
l 無活動部件：不影響流體特性，測量性能更加優(yōu)越;
l 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。歐洲一些著名的表計公司在歐洲的項目開發(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)在熱量表和流量計當中得到普遍的應用和驗證。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。國家住建部標準定額司相關單位委托行業(yè)領軍企業(yè)牽頭組織起草的“超聲波水表”國家標準已經(jīng)基本完成。
超聲波水表關鍵技術
關鍵部件——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可和采用。回到文章開頭提到的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22，它是Acam公司利用純數(shù)字化CMOS 技術生產(chǎn)的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能將時間間隔的測量量化到22ps 的精度，可以說天生就肩負了推動智能超聲波技術變革的使命。
其實，Acam公司的第一顆TDC芯片TDC-GP1早在1996年就已經(jīng)投入市場，并在超聲波流量計中得到了廣泛的應用。該公司在2005年推出了高性價比的TDC-GP2芯片，在超聲波熱量表市場中建立了良好的基礎。2011年初其專門針對超聲波熱量電路設計的TDC-GP21芯片問世。有了前面這些階段的技術驗證和市場積累，2011年底，Acam專門為水表特定的功能更強大的芯片TDC-GP22正式進入市場。
原理及性能
圖3為TDC-GP22的內(nèi)部結構原理圖，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC即為芯片TDC-GP22的技術核心，它利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。并且這個高精度的時間測量單元TDC，其分辨率達到22ps，這就為時差法流量計的應用提供了基本的測量保障，從而實現(xiàn)高精度、大量程比的設計。
TDC-GP22的重要特性還包括：
● 溫度測量精度(2mk rms);
● TOF飛行時差的溫漂(<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)和低串擾模擬開關，這就解決了客戶模擬部分設計的問題，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，簡化了設計并降低了成本;高精度的時間測量，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用。
三個重要功能
因TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎上發(fā)展而來，所以TDC-GP22的功能、管腳、寄存器與TDC-GP21可以100%兼容(可1:1進行替換)。TDC-GP22除了具備TDC-GP21的所有特性外，還增加了三個重要的功能。之所以說TDC-GP22是超聲波水表電路的革命，正是與這三個新增的重要功能緊密相關。
● 智能第一個回波檢測功能。TDC-GP22使得時間窗口設置不再受時差變化影響，從而實現(xiàn)精確的脈沖間隔測量，以及回流、空管識別和報警。
● 第一波脈沖寬度測量功能(目前市面上僅TDC-GP22可以實現(xiàn))。GP22的脈沖寬度測量可以幫助在水表應用中，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，給出報警信號。
● 簡化的多脈沖結果計算功能。TDC-GP22芯片將會自動處理計算3個脈沖結果，并給出平均值。通過這種方式，簡化了整個測量的流程，測量的結果完全由TDC-GP22自動完成，MCU僅需直接讀結果，節(jié)省單片機資源，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)有了比較深入的認識，但是對于在電子智能水表應用中至關重要的功耗問題還沒有提及。水表應用的標準要求水表的電池至少6年不能更換，這對整個系統(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。世強的方案具有如下特點和優(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。
其實，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))，不過當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在活動模式下執(zhí)行來自Flash的實際代碼時耗電量為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間低于2μs，供電電壓范圍可達1.8～3.8V。
外設方面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，包括低功耗的UART和定時器。EFM32的獨特的“peripheral reflex system(周邊反射系統(tǒng))”(PRS)可與標準的32 位ARM 總線并行，PRS 可使EFM32外設自主運行和交流，無需CPU干預，可延長CPU睡眠時間并節(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)核強大的運算能力減少MCU工作狀態(tài)時間，150μA/MHz的超低運行功耗，配合EMF32獨特的低功耗外設，超聲波水表的電池8年不用更換將成為可能。同時EFM32系列MCU的高集成度，進一步降低客戶的系統(tǒng)成本。
小結
TDC-GP22超聲芯片的高集成度使得外圍電路的設計更加簡單，低功耗高性能的MCU極大延長了電池續(xù)航時間。加上世強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、技術支持)，無疑為水表企業(yè)更快地搶占創(chuàng)新先機做好了鋪墊開發(fā)和上市。
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