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基于CortexM3的TDC-GP22在智能超聲波水表中的應用

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公司名稱淮安雷爾達儀表有限公司
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更新時間2021/12/9 15:58:06
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淮安市雷爾達儀表有限公司是專業(yè)從事儀器儀表設計制造專業(yè)公司。公司座落在堯帝故里荷鄉(xiāng)金湖，北依周總理故鄉(xiāng)-淮安，東臨京滬高速，西靠寧連高速，鹽金線貫穿境內(nèi)，地理位置得天獨厚，交通十分方便、快捷。
      淮安市雷爾達儀表有限公司是一家集科研生產(chǎn)測控成套工程于一體的綜合型*實體，是國家溫度、壓力、流量、物位儀器儀表重要生產(chǎn)基地。公司擁有技術干部20名，其中碩士研究生2名、中高級工程師7名，工程技術人員占公司總?cè)藬?shù)的20%，平均年齡33.4歲，有著豐富的設計、實踐經(jīng)驗的中青年干部，組成了現(xiàn)有的隊伍，為公司的發(fā)展壯大奠定了良好的基礎。
      公司通過廣泛地收集國內(nèi)外較早科技信息，積極與大專院校、科研院所及科技開發(fā)中心合作，在研制的同時引進各種*技術，逐步形成了設計、制造、銷售和現(xiàn)場施工、技術服務等一整套完善的服務體系。其主導產(chǎn)品有壓力儀表、溫度儀表、流量計、智能數(shù)顯表、無低記錄儀、閥門、電線電纜等.公司的產(chǎn)品以良好的性能、完善的售后服務、合理的價格受到廣大用戶的歡迎和認可，也受到有關專家和現(xiàn)場技術人員的好評和關注。
      公司的宗旨是：創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，服務回報社會。將服務放在*位始終是我公司的經(jīng)營理念，在多年的經(jīng)營中我們?yōu)閮x表的售后服務和維修已經(jīng)形成一套完整的體系，在全國多數(shù)城市設有辦事處。在工作中我們都始終堅持不論是不是我們的產(chǎn)品只要用戶需要我們都在*時間趕到現(xiàn)場協(xié)助解決問題?？傊窗彩欣谞栠_儀表有限公司是敢負責任，敢打硬仗的隊伍，技術力量雄厚，生產(chǎn)設備*，檢測手段齊全，并制定了科學合理的生產(chǎn)工藝，健全的質(zhì)量保證體系，以滿足顧客的需求，持續(xù)改進并實現(xiàn)顧客的持續(xù)滿意為公司的質(zhì)量方針。
      公司業(yè)績的取得源于客戶的厚愛，淮安市雷爾達儀表有限公司全體員工深悟此理，決心用誠實勤奮的工作，詮釋“用人品鑄產(chǎn)品，以質(zhì)量謀生存、依信譽拓展市場，靠服務贏得顧客"的企業(yè)宗旨。期盼著在與各界友人的合作中涉取營養(yǎng)，得到啟迪，我們愿與廣大客戶真誠合作，共創(chuàng)美好未來！

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當時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22遇到超低功耗ARMCortexM3MCU會產(chǎn)生怎樣的火花呢？答案是：可成就傳統(tǒng)機械水表向智能超聲波水表技術的飛躍！模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）聽的多了

基于CortexM3的TDC-GP22在智能超聲波水表中的應用產(chǎn)品信息

當時間數(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)機械水表向智能超聲波水表技術的飛躍！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？

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？

水表技術的創(chuàng)新發(fā)展是實現(xiàn)智能測量的重要

“當智能電表在電力系統(tǒng)中如火如荼地發(fā)展之時，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)技術的發(fā)展成熟使得智能水表的實現(xiàn)成為可能。”世強*公司華南區(qū)技術主管陳剛先生強調(diào)說，“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。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。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。

圖1. 超聲波時差法測量原理示意圖

與傳統(tǒng)機械式水表相比較，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。國家標準定額司相關單位委托企業(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_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。

圖2. TDC-GP22——智能超聲波水表應用的高集成度測量芯片

其實，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。到了2011年初其TDC-GP21芯片問世，專門針對超聲波熱量電路設計。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. 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。

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99%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有關。

1. 智能個回波檢測功能，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。

2. 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。

3. 簡化的多脈沖結(jié)果計算功能，TDC-GP22芯片將會自動處理計算3個脈沖結(jié)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(jié)果*由TDC-GP22自動完成，MCU僅需直接讀結(jié)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。

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Silicon Labs 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。

圖4. 世強推出的低功耗超聲波水表方案實物圖和系統(tǒng)框圖

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）），但是當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。

圖5. Silicon Labs 公司EFM32TG840Fxx系列MCU的特點匯總

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*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*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。

本文小結(jié)

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。

超聲波智能表時代已來，您準備好了么？