引言
我國北方的供熱改革自2009年邁出了第一步以來，現(xiàn)在已經(jīng)真正走上了正軌，預(yù)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首選。德國acam公司的第一代產(chǎn)品TDC-GP2，已經(jīng)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(yōu)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(zhì)量，功耗及其他各個方面將全面超越TDC-GP2，將會取代第一代而成為超聲波熱量表的首選。
1 TDC-GP21的簡介
在2010年的11月底，德國acam公司在原有的基礎(chǔ)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(shè)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(guān)，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(nèi)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(shè)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(zhì)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?qū)崿F(xiàn)的性能，是TDC-GP2所無法達到的。
1.1 TDC-GP21內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)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。
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(nèi)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是由寄存器配置所決定，詳細設(shè)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(fā)過程中克服很多困難。
一個應(yīng)用TDC-GP21設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)果以及溫度測量結(jié)果進行熱量的轉(zhuǎn)換計算即可。
在單片機方面，MSP430不再是最好的選擇，像Silicon Labs的單片機，Renesas的單片機系列等都可以完全適合熱量表的應(yīng)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。
1.3 TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部比較器測量效果
為了驗證TDC-GP21的性能，我們應(yīng)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(yīng)用GP21內(nèi)部比較器，每次測量3個脈沖，8次平均后的結(jié)果，2.5小時無停止，GP21測量功耗大概為14 uA：
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(yīng)用TDC-GP21內(nèi)部斬波穩(wěn)定比較器，時差結(jié)果幾乎不隨時間及溫度漂移。
TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部自動上下游時間測量的典型流程：
Power on Reset， Reg0-Reg6 settings
Whileloop：
1. send Reg1 ALU計算（0x8121xxxx） ; 為了每一次計算都寫入結(jié)果寄存器0 會有中斷， 但是這個中斷不需要關(guān)心
2.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中斷會自動恢復(fù)
3.send opcodestart_TOF_restart ; 發(fā)送自動上下游測量命令
4.wait INTN ; 判斷是否收到中斷
5.read 結(jié)果寄存器reg0 ; 從結(jié)果寄存器0中讀上游時間測量結(jié)果
6.send reg1 ALU計算（0x8121xxxx） ; 下游測量將結(jié)果也寫到結(jié)果寄存器0中，也會有中斷，不用關(guān)心這個中斷
7.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中斷會自動恢復(fù)
8. wait INTN ; 判斷是否收到中斷
9. read結(jié)果寄存器reg0 ; 從結(jié)果寄存器0中讀下游時間測量結(jié)果
End Loop
2 總結(jié)
TDC-GP21這顆專門為超聲波熱量表測量所設(shè)計的高集成度芯片，將會使超聲波熱量表的設(shè)計進一步簡化，降低整體成本，而其高質(zhì)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(shè)計的完美方案。由此，我們可以期待迎來新超聲波熱量表的時代。