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《北京遇到西雅圖》成就了一段美好的愛(ài)情，而當時(shí)間數字轉換器TDC-GP22遇到超低功耗ARM CortexM3 MCU又會(huì )產(chǎn)生怎樣的火花呢？答案是：可成就傳統機械水表向智能超聲波水表技術(shù)的飛躍！模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）聽(tīng)得多了，時(shí)間數字轉換器（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模商用階段呢？ 好奇心總是會(huì )驅使我們去探索事物的本質(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)現智能測量的重要武器 “當智能電表在電力系統中如火如荼地發(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。這一方面因為全球水資源的短缺迫使政府重視節水和水量控制，另一方面也源于現代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展成熟使得智能水表的實(shí)現成為可能�！笔缽娤冗M(jìn)公司華南區技術(shù)主管陳剛先生強調說(shuō)，“能滿(mǎn)足階梯計價(jià)的智能式水表將會(huì )成為建設節水型社會(huì )一大利器！” 水表技術(shù)的創(chuàng )新發(fā)展是實(shí)現用水智能測量的重要武器。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(guò)檢測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計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實(shí)。 圖1. 超聲波時(shí)差法測量原理示意圖。 與傳統機械式水表相比較，精度高、可靠性好、量程比寬、壽命長(cháng)、無(wú)活動(dòng)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：超聲波回波測量穩定可靠； ● 量程比寬：始動(dòng)流量非常�。�2Lh），微小變化可以獲知； ● 壽命長(cháng)：盡管測量速度很快，但可以擁有非常長(cháng)的使用壽命； ● 無(wú)活動(dòng)部件：不影響流體特性，測量性能更加優(yōu)越； ● 更換非常靈活：更換非常簡(jiǎn)單，無(wú)需斷管網(wǎng)。 有研究數據顯示，在歐洲以及世界一些地區：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(zhù)名的表計公司在歐洲的項目開(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，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(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”國家標準已經(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可和采用�；氐轿恼麻_(kāi)頭提到的時(shí)間數字轉換器TDC-GP22，它是Acam公司利用純數字化CMOS技術(shù)生產(chǎn)的時(shí)間數字轉換器，能將時(shí)間間隔的測量量化到22ps的精度，可以說(shuō)天生就肩負了推動(dòng)智能超聲波技術(shù)變革的使命。 圖2. TDC-GP22——智能超聲波水表應用的高集成度測量芯片。 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)，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?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。到了2011年初其TDC-GP21芯片問(wèn)世，專(zhuān)門(mén)針對超聲波熱量電路設計。有了前面這些階段的技術(shù)驗證和市場(chǎng)積累，2011年底，Acam專(zhuān)門(mén)為水表特定的功能更強大的芯片TDC-GP22正式進(jìn)入市場(chǎng)。 原理及性能 如上圖3所示為T(mén)DC-GP22的內部結構原理圖，時(shí)間數字轉換器TDC即為芯片TDC-GP22的技術(shù)核心，它利用信號通過(guò)邏輯門(mén)的絕對時(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)間測量單元TDC，其分辨率達到22ps，這就為時(shí)差法流量計的應用提供了基本的測量保障，從而實(shí)現高精度、大量程比的設計。 圖3. TDC-GP22內部結構原理圖。 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（0.3psk）； 提供針對超聲波水表所需要的完整的模擬前端：內部集成斬波穩定的內部低噪聲比較器（比較器觸發(fā)offset范圍在±35mV）和低串擾模擬開(kāi)關(guān)，這就解決了客戶(hù)模擬部分設計的問(wèn)題，提高了系統測量質(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動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化了設計并降低了成本；高精度的時(shí)間測量，簡(jiǎn)潔的外部電路、集成的內部信號處理算法，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。 實(shí)現超聲波水表技術(shù)飛躍的三個(gè)重要功能 因TDC-GP22是在TDC-GP21的基礎上發(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11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)有關(guān)。 1. 智能第一個(gè)回波檢測功能，使得時(shí)間窗口設置不再受時(shí)差變化影響，從而實(shí)現精確的脈沖間隔測量，以及回流、空管識別和報警。 2. 第一波脈沖寬度測量功能（目前市面上僅TDC-GP22可以實(shí)現）：GP22的脈沖寬度測量可以幫助在水表應用中，檢測段內是否有氣泡影響，以及檢測管段內的長(cháng)期覆蓋物，給出報警信號。 3. 簡(jiǎn)化的多脈沖結果計算功能，TDC-GP22芯片將會(huì )自動(dòng)處理計算3個(gè)脈沖結果，并給出平均值。通過(guò)這種方式，簡(jiǎn)化了整個(gè)測量的流程，測量的結果完全由TDC-GP22自動(dòng)完成，MCU僅需直接讀結果，節省單片機資源，并滿(mǎn)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(guò)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(guān)重要的功耗問(wèn)題還沒(méi)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(gè)系統的功耗提出了苛刻的要求，也一直制約著(zhù)超聲波水表的發(fā)展。 下圖4為世強開(kāi)發(fā)的低功耗超聲波滴水表方案的系統框圖，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。世強的方案具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：1、量程比：1125；2、平均功耗：30uA；3、始動(dòng)流量：2Lh；4、單節3.6V鋰電池可工作6+1年；5、接口輸出：紅外，M-BUS。 圖4. 世強推出的低功耗超聲波水表方案實(shí)物圖和系統框圖。 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持續工作下）），但是當TDC-GP22遇到基于A(yíng)RM CortexM3的超低功耗Silicon Labs EFM32TG840Fxx系列MCU，在功耗表現上就表現得更加完美了，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。 由于系統中控制器通常是耗電大戶(hù)，所以要降低整個(gè)系統的功耗，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。 圖5. Silicon Labs公司EFM32TG840Fxx系列MCU的特點(diǎn)匯總。 EFM32系列MCU在活動(dòng)模式下執行來(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、UARTSPIIIC接口、外部總線(xiàn)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(shí)器。EFM32的獨特的“peripheral reflex system(周邊反射系統)”（PRS）可與標準的32位ARM總線(xiàn)并行，PRS可使EFM32外設自主運行和交流，無(wú)需CPU干預，可延長(cháng)CPU睡眠時(shí)間并節省大量能源。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內核的EFM32系列MCU產(chǎn)品，內核強大的運算能力減少MCU工作狀態(tài)時(shí)間，150μAMHz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(shí)EFM32系列MCU的高集成度，進(jìn)一步降低客戶(hù)的系統成本。 本文小結 TDC-GP22超聲芯片的高集成度使得外圍電路的設計更加簡(jiǎn)單，低功耗高性能的MCU極大延長(cháng)了電池續航時(shí)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(shù)支持），無(wú)疑為水表企業(yè)更快地搶占創(chuàng )新先機做好了鋪墊開(kāi)發(fā)和上市。 超聲波智能表時(shí)代已來(lái)，您準備好了么？ |
