中心議題
*超聲波熱量表的設計方法
解決方案
*專為超聲波熱量表測量所設計TDC-GP2
從2009年開始，中國北方供熱改革已經真正的邁開了腳步,，在未來的幾年當中,，北方各地將會加快對于供熱計量方面的改革力度，按熱量計價收費將會成為今后北方供熱供暖方面的一個重點工作,。而超聲波熱量表由于其測量方式無接觸部件,，低壓降和低能量消耗而且測量高精度，正在逐漸取代機械式的熱量表,，成為北方供熱供暖熱計量方案的首選。應用德國acam公司的第一代產品TDC-GP2實現(xiàn)的超聲波熱量表已經在市場被廣泛的應用,，而且由于其集成度高,，測量性能好功耗低的優(yōu)勢,，受到廣大的熱量表公司的認可。而今,，acam公司進一步推出了針對超聲波熱量表的高級成度TDC-GP21,，在性能質量，功耗及其他各個方面將全面超越TDC-GP2,，成為超聲波熱量表的優(yōu)選,。
TDC-GP21介紹：
在2010年的11月底，德國acam公司在原有的基礎上,，又專門針對超聲波熱量表的一些特性,，進行了更深入的研究和改進，最終推出了新一代針對超聲波熱量表所設計的的芯片TDC-GP21,。這顆芯片為QFN32管腳的封裝形式,。這顆芯片而除了具備了TDC-GP2的功能以外，還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號處理模擬部分,，比如模擬開關,，以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動進行溫度電壓校正）模擬信號比較器，以及內部集成了溫度測量所需施密特觸發(fā)器,，使超聲波熱量表的設計開發(fā)非常簡單,，大大降低材料和人工成本，并且將測量質量和功耗提升到了一個前所未有的等級,，實現(xiàn)了更高集成度,，更低功耗，更高精度的超聲波熱量表方案,。TDC-GP21所能夠實現(xiàn)的性能,，是TDC-GP2所無法達到的。
TDC-GP21內部結構圖,。
上圖中綠色部分，為專門針對熱量表所集成的單元,。模擬控制部分將信號的發(fā)射接收的處理變得前所未有的簡單,，模擬信號和整個流程控制直接由這個部分來處理和自動操作，而且斬波穩(wěn)定比較器可以保證測量的質量; 溫度部分集成了施密特觸發(fā)器,，直接接上溫度傳感器和參考電阻就可以進行高精度的測量,，測量的性能遠遠超過熱量表所需的要求; 7x32的eeprom單元可以讓客戶存儲整表的一些ID信息以及配置寄存器的信息。
管腳信號輸出功能
除了上圖中的額外增加的模塊外,，acam公司還針對超聲波熱量表的特性在GP21內部進行了一些超聲波必要信號在其管腳Fire_in和En_start的輸出,，這些輸出信號，可以幫助客戶深入分析了解超聲波信號以及GP21的一些特性,。下面是一些示波器的截圖,。
除了以上輸出的信號外,，還可以在EN_start管腳輸出4k的晶振時鐘，在Fire_In管腳上輸出32k的低功耗晶振時鐘,，那么所輸出的具體信號的是由寄存器配置所決定,，詳細設置請參考TDC-GP21的用戶手冊。通過這些信號的輸出,，可以幫助可以詳細的分析了解TDC-GP21的超聲波測量特性,，幫助客戶在超聲波熱量表開發(fā)過程中克服很多困難。
一個應用TDC-GP21設計完整熱量表示非常簡單的,，下面是一個超聲波熱量表原理圖的例子：
如上圖所示,，給我們最直觀的印象就是，整個測量系統(tǒng)所需要的外部元器件非常少,，整個結構很緊湊,，除了所必需的簡單單片機以及超聲波換能器和溫度傳感器外，外部僅需要2對RC阻容,，2個晶振,，和一些旁路去藕電阻電容。時間測量上游,，下游信號的發(fā)射接收以及信號的處理,，溫度測量等完全在TDC-GP21芯片內部完成，單片機僅需讀取TDC-GP21的測量數(shù)據(jù),，將時間測量結果以及溫度測量結果進行熱量的轉換計算即可,。
在單片機方面，MSP430不再是最好的選擇,，像Silabs的單片機,，Renesas的單片機系列等都可以完全適合熱量表的應用。由于GP21的測量低功耗以及完全自動的超聲波上下游測量,，另外通過GP21的管腳可以提供給出一個超低功耗的32k晶振源,，可以直接將這個晶振源提供給單片機。GP21本身的測量功耗是否非常低的,，在每秒鐘一次上下游飛行時間測量的情況下,，測量功耗僅為大約2uA左右。
TDC-GP21應用內部比較器測量效果：
為了驗證TDC-GP21的性能,，我們應用acam GP21演示系統(tǒng)及威海天罡管段進行了零點穩(wěn)定性測試,，應用GP21內部比較器，每次測量3個脈沖,，8次平均后的結果,，2.5小時無停止，GP21測量功耗大概為14 uA。GP21在每秒鐘一次上下游的時間測量功耗僅為大約2uA：
從上圖可以看到,，上游下游時差零點測量非常穩(wěn)定,，由于應用TDC-GP21內部斬波穩(wěn)定比較器，時差結果幾乎不隨時間及溫度漂移,。
當然每個通道最多可以進行接受3個脈沖，每次上下游都可以一次獲得三個結果,，如果希望計算所有3個結果,，請進一步與世強電訊公司工程師聯(lián)絡。
總結：
TDC-GP21這顆專門為超聲波熱量表測量所設計的高集成度芯片,，將會使超聲波熱量表的設計進一步簡化,，降低整體成本，而其高質量的測量性能以及超低的測量功耗,，必將成為繼TDC-GP2之后成為超聲波熱量表設計的完美方案,。