淺析超聲波熱量表設計方法

　　我國北方的供熱改革自2009年邁出了*步以來，現在已經真正走上了正軌，預計在未來的幾年當中，北方各地也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。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。德國acam公司的*代產品TDC-GP2，已經得到市場的充分認可，因為其集成度高，測量性能好功耗低的優勢。而今，acam公司進一步推出了針對超聲波熱量表的高集成度TDC-GP21，在性能質量，功耗及其他各個方面將全面超越TDC-GP2，將會取代*代而成為超聲波熱量表的。
　　
　　1、TDC-GP21的簡介
　　
　　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，zui終推出了新一代針對超聲波熱量表所設計的的芯片TDC-GP21。這顆芯片采用QFN32管腳的封裝形式，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
　　
　　開關
　　
　　開關是zui常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設備、家用電器中都可以見到開關。
　　
　　以及低噪聲斬波穩定（自動進行溫度電壓校正）模擬信號比較器
　　
　　比較器
　　
　　比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。實際上也是增益非常高的運算放大器，可以放大輸入端很小的差分信號，并驅動輸出端切換到兩個輸出狀態中的一個。以至于無法穩定在中間放大區，再不跳到低電平，再不跳到高電平。　　
　　
        以及內部集成了溫度測量所需施密特觸發器，使超聲波熱量表的設計開發非常簡單，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的等級，實現了更高集成度，更低功耗，更高精度的超聲波熱量表方案。TDC-GP21所能夠實現的性能，是TDC-GP2所無法達到的。
　　
　　1.1TDC-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射接收的處理變得的簡單，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器，直接接上溫度傳感器
　　
　　傳感器
　　
　　凡是利用一定的物性（物理、化學、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理（模擬或數字）能力的系統”。傳感器是傳感系統的一個組成部分，它是被測量信號輸入的*道關口。
　　
　　電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。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。
　　
　　1.2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
　　
　　示波器
　　
　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。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
　　
　　晶振
　　
　　晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時鐘振蕩器的統稱。不過由于在消費類電子產品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。
　　
　　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，可以幫助客戶詳細的分析了解TDC-GP21的超聲波測量特性，幫助客戶在超聲波熱量表開發過程中克服很多困難。
　　
　　一個應用TDC-GP21設計完整熱量表是非常簡單的，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zui直觀的印象就是，整個測量系統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
　　
　　單片機
　　
　　單片機是單片微型計算機（Single-ChipMicrocomputer）的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）采用超大規模集成電路技術集成到一塊硅片上構成的微型計算機系統。[全文]
　　
　　以及超聲波換能器
　　
　　換能器
　　
　　換能器是進行聲能與其他形式的能量間轉換的器件，通常與相關的振動、輻射、散射和類比電路組成轉換系統，是決定整個系統性能的關鍵。[全文]
　　
　　和溫度傳感器
　　
　　溫度傳感器
　　
　　溫度壓力傳感器是由溫度敏感元件和檢測線路組成的。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來敏感被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達到測溫的目的。傳統的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導體溫度傳感器都是將溫度值經過一定的接口電路轉換后輸出模擬電壓或電流信號，利用這些電壓或電流信號即可進行測量控制。而將模擬溫度傳感器與數字轉換接口電路集成在一起，就成為具有數字輸出能力的數字溫度傳感器。隨著半導體技術的迅猛發展，半導體溫度傳感器與相應的轉換電路、接口電路以及各種其它功能電路逐漸集成在一起，形成了功能強大、、價廉的數字溫度傳感器。
　　
　　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，下游信號的發射接收以及信號的處理，溫度測量等*在TDC-GP21芯片內部完成，單片機僅需讀取TDC-GP21的測量數據，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不再是的選擇，像SiliconLabs的單片機，Renesas的單片機系列等都可以*適合熱量表的應用。由于GP21的測量低功耗以及*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。
　　
　　1.3TDC-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acamGP21演示系統及威海天罡管段進行了零點穩定性測試，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14uA：　　
　　從上圖可以看到，上游下游時差零點測量非常穩定，由于應用TDC-GP21內部斬波穩定比較器，時差結果幾乎不隨時間及溫度漂移。
　　
　　TDC-GP21應用內部自動上下游時間測量的典型流程：
　　
　　PoweronReset，Reg0-Reg6settings
　　
　　Whileloop：
　　
　　1.sendReg1ALU計算（0x8121xxxx）;為了每一次計算都寫入結果寄存器0會有中斷，但是這個中斷不需要關心
　　
　　2.InitTDC0x70;初始化，上面的中斷會自動恢復
　　
　　3.sendopcodestart_TOF_restart;發送自動上下游測量命令
　　
　　4.waitINTN;判斷是否收到中斷
　　
　　5.read結果寄存器reg0;從結果寄存器0中讀上游時間測量結果
　　
　　6.sendreg1ALU計算（0x8121xxxx）;下游測量將結果也寫到結果寄存器0中，也會有中斷，不用關心這個中斷
　　
　　7.InitTDC0x70;初始化，上面的中斷會自動恢復
　　
　　8.waitINTN;判斷是否收到中斷
　　
　　9.read結果寄存器reg0;從結果寄存器0中讀下游時間測量結果
　　
　　EndLoop
　　
　　2、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方案。由此，我們可以期待迎來新超聲波熱量表的時代。