ACAM时间数字转换芯片 TDC-GP2, 超声波燃气表的最佳选择

一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现作者：陈晔王立辉来源：《机电信息》 2015年第24期陈晔王立辉（海南大学，海南儋州571700）摘要：介绍了一款基于高精度时间测量芯片TDC�GP21的超声波式热量表的具体设计。

热量表中热水流量采用超声波时差法原理进行测量，超声波换能器采用V型安装方式。

利用低功耗MSP430单片机的休眠模式等方法，大幅降低了测量系统的功耗。

关键词：TDC�GP21；超声波；热量表；流量；温度0引言供热取暖逐步采用分户计量模式，需要安装热量的检测仪表。

本文针对小口径流量测量，选择采用超声波时差法原理。

1测量原理热量表的三大构件是：流量传感器、温度传感器和热量计算器。

工作原理：流量传感器负责检测出当载热流体流经热交换系统时的流量；配对的两支温度探头测量出进水和回水管道的温度；热量计算器计算出系统释放的热量。

1.1热量计量2硬件设计2.1TDC�GP21芯片流量检测采用德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC�GP21来完成［5］，原理是逻辑门电路延迟信号的传输。

集成电路工艺精确地决定非门的传输时间，求出传输通过非门的个数，进而得出时间间隔。

TDC�GP21芯片内部集成了一个以PICOSTRAIN为基础的测温单元，测量原理是基于电容充放电法，每次测量电流都很小，大大降低了功耗。

2.2MSP430F449基于低功耗的考虑，选择MSP430F449超低功耗单片机作为主控芯片，其带有FLASH存储器［6］。

2.3外围电路（1）超声波换能器。

采用以PPS材料作为外壳的压电超声波换能器［7］。

PPS外壳超声波换能器参数如下：中心频率——1MHz；带宽——39.5%；灵敏度——21dB；Qm——4.9；余震——7.68μs；外壳材质——PPS；导线末端处理——镀锡；导线外被材质——PVC；导线屏蔽层——Y。

（2）超声波换能器安装方式。

采用V型安装方式，此方式传播量程较长，信号散射损失小，精度高。

TDC-GP2在时差法(TOF)脉冲式激光测距中的应用摘要：在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量（time of flight measurement）成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。

德国acam 公司设计的时间数字转换芯片TDC-GP2为激光测距的时间测量提供了完美的解决方法。

本文着重介绍了应用TDC-GP2 在设计激光测距电路当中的优势，以及在应用中给出一些建议和提出了需要注意的一些问题。

1. 概述在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。

在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。

因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。

由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。

例如要测量1 公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。

德国acam 公司的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。

2. TDC-GP2 激光测距原理TDC-GP2 的激光测距基本原理如图1 所示：图1：TDC-GP2 激光测距原理激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。

一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。

那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。

在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。

TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案从2009年开始，中国北方供热改革已经真正的迈开了脚步，在未来的几年当中，北方各地将会加快对于供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重点工作。

而超声波热量表由于其测量方式无接触部件，低压降和低能量消耗而且测量高精度，正在逐渐取代机械式的热量表，成为北方供热供暖热计量方案的首选。

应用德国a cam公司的第一代产品TDC-GP2实现的超声波热量表已经在市场被广泛的应用，而且由于其集成度高，测量性能好功耗低的优势，受到广大的热量表公司的认可。

而今，acam公司进一步推出了针对超声波热量表的高级成度TDC-GP21，在性能质量，功耗及其他各个方面将全面超越TDC-GP2，成为超声波热量表的首选。

TDC-GP21介绍：在2010年的11月底，德国acam公司在原有的基础上，又专门针对超声波热量表的一些特性，进行了更深入的研究和改进，最终推出了新一代针对超声波热量表所设计的的芯片T DC-GP21。

这颗芯片为QFN32管脚的封装形式。

这颗芯片而除了具备了TDC-GP2的功能以外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，比如模拟开关，以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器，以及内部集成了温度测量所需施密特触发器，使超声波热量表的设计开发非常简单，大大降低材料和人工成本，并且将测量质量和功耗提升到了一个前所未有的等级，实现了更高集成度，更低功耗，更高精度的超声波热量表方案。

TDC-GP21所能够实现的性能，是TDC-GP2所无法达到的。

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TDC-GP21内部结构图上图中绿色部分，为专门针对热量表所集成的单元。

基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计摘要：基于新型的高速时间数字转换芯片TDC-GP22，利用时差法测量原理，设计了一款高精度低功耗的超声波热量表。

为提高测量精度，采用W反射式超声波热量表基表实现流量的测量；为实现低功耗，采用MSP430系列单片机作为主控芯片，实现对外围电路的控制及数据处理。

TDC-GP22的测量单元主要完成超声波传输时间和进、出口温度的测量。

在A类环境下对多组热量表的测试结果表明：该热量表准确度高，流量误差能控制在1%以内，静态工作电流≤9 μA，性能稳定，具有广阔的应用前景。

关键词：TDC-GP22；超声波热量表；低功耗；高精度；W反射式0 引言按照建设节约型社会的要求，冬季取暖实行热能计量收费变得越来越普遍，因此以超声波热量表为代表的热量计量产品普及率会越来越高。

国外热量表利用其先进的技术、可靠的质量等优势占据欧洲大部分市场，但其价格昂贵，在我国难以推广应用。

目前国内市场上所设计的超声波热量表存在着功耗大、精度低等问题[1]。

针对上述问题，利用时差法原理，基于Acam公司的专用热量表设计的功能更强大的计时芯片GP22，设计了一款符合我国国情的高精度低功耗超声波热量表。

所设计热量表是利用一对配对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波信号，通过计时芯片TDC_GP22测量出超声波在水中顺流和逆流的传播时间差来测量管道内的水速，再通过流速计算出水的流量。

设计完成后在A类环境[2]条件下对多组热量表进行了测试。

1 超声波热量表的测量原理1.1 超声波热量表的热量计量数学模型超声波热量表是在超声波流量计的基础上添加温度传感器实现温度的测量，通过测出管道内水流量和供、回水温差来计算用户所消耗的热量。

水流经过热交换系统时，依据流量传感器测出的流量和温度传感器测出的供水温度、回水温度，以及TDC-GP22测出水流经过的时间，再通过CPU的计算就可以得到用户实际消耗的热量。

高精度时间数字转换器在超声波流量计量中的应用目前市场上先进的超声波流量计都采用高精度时间转换器即TDC-GP2 芯片，该芯片内部通过特殊的设计和布线方法来保证每个门电路的时间延迟严格一致，但这个时间延迟是会随供电电压和温度而变化的，因此TDC-GP2 设计了一个参考时钟用来对门电路的延时进行校准，同时这个参考时钟也会在被测时间较长时介入时间丈量。

TDC-GP2的高精度时间丈量原理其中Toffset 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。

每个门电路的传输延时典型值是65ps，TDC 核心丈量单元通过计数在STOP 脉冲到来之前START 信号通过的门电路个数来获得START 与STOP 信号之间的时间距离。

时差法超声波流量丈量的枢纽是对超声波传播时间的丈量，德国ACAM 公司的时间数字转换芯片TDC-GP2 提供典型值65ps 的时间分辨率，丈量范围从0 到4ms。

前言。

相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，明显降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。

因为顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的Toffset 是一样的。

超声波流量计的丈量原理相对于使用传统丈量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的长处：它不会改变流体的活动状态，分歧错误流体产生附加阻力；它可适应多种管径的流体丈量，不会因管径的不同增加仪表本钱；它的换能器可设计成夹装式，可作移动性丈量。

TDC-GP2作为高精度的时间丈量芯片，不但集成了时间丈量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度丈量功能。

如图3 所示，TDC 核心丈量单元只丈量TFC1 和TFC2，而TCC 则通过数参考时钟的周期数来完成丈量，待测时间TSS 便可通过如下计算获得：如图2 所示，TDC 核心丈量单元对START 和STOP 脉冲之间的时间距离进行丈量。

顺、逆流传播的时间差为：如图1 所示，超声波在静止流体中的传播速度用C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：以使用较多的时差法超声波流量计为例，通过分别丈量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。

TDC-GP21在超声波热量表中的应用前言相对于使用传统机械式的测量方法，超声波测量技术提供了一种无阻碍式的测量方法。

在这种技术的支持下，我们设计出的新一代超声波热量表没有了活动部件、电路更加的紧凑简单、功耗更低、精度更高。

而为超声波热量表市场量身定做的TDC-GP21 必将为你提供一个完美的解决方案。

关键字：TDC-GP21，时间数字转换器，超声波流量计，热量表，时间测量，低功耗超声波热量表的测量原理以使用较多的时差法超声波热能量表为例，通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。

再分别测出进出水的温度，通过求得差值获得温度系数。

将流量值和温度系数带入公式即可获得单位热量。

如图1 所示，超声波在静止流体中的传播速度用C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：其中包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。

由于顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的是一样的。

顺、逆流传播的时间差为：由此得到流体流速V 和瞬时流量Q 的计算公式（K 为流速分布修正系数）：再通过K 系数法，我们就可以得出热量E：德国ACAM 公司针对超声波热量表市场新推出的TDC-GP21 TDC-GP21 是德国ACAM 公司在TDC-GP2 的基础上发展的新一代产品。

除了具有TDC-GP2 所具有的高精度时间测量，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控制等功能外，它还集成了施密特触发器，斩波稳定的内部比较器和模拟开关等特殊功能模块，使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。

这款芯片利用现代化的纯数字化CMOS 技术，将时间间隔的测量量化到22ps 的精度，给超声波热量表的时差测量提供了一个完美的解决方案。

1、TDC-GP21 的技术核心——时间数字转换器（TDC）TDC—即时间数字转换器(Time-to-Digital Converter)，。