基于CortexM3的TDC-GP22在智能超聲波水表中的應用

 當時間數字轉換器TDC-GP22遇到超低功耗ARM CortexM3 MCU會產生怎樣的火花呢？答案是：可成就傳統機械水表向智能超聲波水表技術的飛躍！模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）聽的多了，時間數字轉換器（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，超聲波水表這種創新產品形式是否到了大規模商用階段呢？ 

好奇心總是會驅使我們去探索事物的本質，想知道智能超聲波水表有何突破創新之處？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？ 

水表技術的創新發展是實現智能測量的重要 

“當智能電表在電力系統中如火如荼地發展之時，水表也在朝向智能化、全電子的方向快速發展。這一方面因為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技術的發展成熟使得智能水表的實現成為可能。”世強*公司華南區技術主管陳剛先生強調說，“能滿足階梯計價的智能式水表將會成為建設節水型社會一大利器！” 

水表技術的創新發展是實現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）收發超聲波，通過檢測超聲波在介質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，使智能水表變為現實。

 
圖1. 超聲波時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、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：始動流量非常小（< 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。 

有研究數據顯示，在歐洲以及世界一些地區：大口徑工業水表和小口徑民用水表，都已經開始朝超聲波方向發展。歐洲一些的表計公司在歐洲的項目開發工作中已經開始或者已經量產，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勢，以及測量超聲波電路的不斷發展和完善，智能水表也將向這種方式發展。國家標準定額司相關單位委托企業牽頭組織起草的“超聲波水表”國家標準已經基本完成。 

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。回到文章開頭提到的時間數字轉換器TDC-GP22，它是Acam公司利用純數字化CMOS 技術生產的時間數字轉換器，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內部結構原理圖

如上圖3所示為TDC-GP22的內部結構原理圖，時間數字轉換器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：內部集成斬波穩定的內部低噪聲比較器（比較器觸發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， 提高了系統測量質量。 

TDC-GP22的脈沖發生器在小管徑的流量測量中可直接驅動超聲波換能器，無需另外增加驅動芯片，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）： 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期覆蓋物，給出報警信號。 

3. 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，測量的結果由TDC-GP22自動完成，MCU僅需直接讀結果，節省單片機資源，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勢已經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，這對整個系統的功耗提出了苛刻的要求，也一直制約著超聲波水表的發展。

下圖4為世強開發的低功耗超聲波滴水表方案的系統框圖，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框圖

其實，TDC-GP22已經具備了非常低的功耗特性，（靜態電流：<0.1uA@85℃；休眠電流：1uA（32K持續工作下）），但是當TDC-GP22遇到基于ARM CortexM3的超低功耗Silicon Labs EFM32TG840Fxx系列MCU，在功耗表現上就表現得更加了，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。 

由于系統中控制器通常是耗電大戶，所以要降低整個系統的功耗，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)”（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睡眠時間并節省大量能源。此外EFM32系列產品還集成了LCD控制器、RTC、LESENCE接口、AES模塊等。 

基于Cortex-M3內核的EFM32系列MCU產品，內核強大的運算能力減少MCU工作狀態時間，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單，低功耗高性能的MCU極大延長了電池續航時間。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），無疑為水表企業更快地搶占創新先機做好了鋪墊開發和上市。 

超聲波智能表時代已來，您準備好了么？