基于CortexM3的TDC-GP22在智能超聲波水表中的應(yīng)用
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好奇心總是會驅(qū)使我們?nèi)ヌ剿魇挛锏谋举|(zhì)，想知道智能超聲波水表有何突破創(chuàng)新之處？TDC-GP22在其中起到何種關(guān)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(guān)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(shù)的創(chuàng)新發(fā)展是實(shí)現(xiàn)智能測量的重要武器
“當(dāng)智能電表在電力系統(tǒng)中如火如荼地發(fā)展之時(shí)，水表也在朝向智能化、全電子的方向快速發(fā)展。這一方面因?yàn)槿蛩Y源的短缺迫使政府重視節(jié)水和水量控制，另一方面也源于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展成熟使得智能水表的實(shí)現(xiàn)成為可能?！笔缽?qiáng)先進(jìn)公司華南區(qū)技術(shù)主管陳剛先生強(qiáng)調(diào)說，“能滿足階梯計(jì)價(jià)的智能式水表將會成為建設(shè)節(jié)水型社會一大利器！”
水表技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展是實(shí)現(xiàn)用水智能測量的重要武器。超聲波水表是采用超聲波時(shí)差原理，采用工業(yè)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(shí)）收發(fā)超聲波，通過檢測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量的這種間接測量方法——超聲波測量，使智能水表變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
圖1. 超聲波時(shí)差法測量原理示意圖
●精度高：測量的分辨率高；
●可靠性好：超聲波回波測量穩(wěn)定可靠；
●量程比寬：始動流量非常?。?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，測量性能更加優(yōu)越；
●更換非常靈活：更換非常簡單，無需斷管網(wǎng)。
有研究數(shù)據(jù)顯示，在歐洲以及世界一些地區(qū)：大口徑工業(yè)水表和小口徑民用水表，都已經(jīng)開始朝超聲波方向發(fā)展。歐洲一些著名的表計(jì)公司在歐洲的項(xiàng)目開發(fā)工作中已經(jīng)開始或者已經(jīng)量產(chǎn)，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(jīng)在熱量表和流量計(jì)當(dāng)中得到普遍的應(yīng)用和驗(yàn)證。由于超聲波方式的優(yōu)勢，以及測量超聲波電路的不斷發(fā)展和完善，智能水表也將向這種方式發(fā)展。國家住建部標(biāo)準(zhǔn)定額司相關(guān)單位委托行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)牽頭組織起草的“超聲波水表”國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本完成。
超聲波水表革命的關(guān)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(rèn)可和采用?；氐轿恼麻_頭提到的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22，它是Acam公司利用純數(shù)字化CMOS 技術(shù)生產(chǎn)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能將時(shí)間間隔的測量量化到22ps 的精度，可以說天生就肩負(fù)了推動智能超聲波技術(shù)變革的使命。
圖2. TDC-GP22——智能超聲波水表應(yīng)用的高集成度測量芯片
原理及性能
圖3. TDC-GP22內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖
TDC-GP22的重要特性還包括：
●溫度測量精度（2mk rms）；
●TOF飛行時(shí)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(nèi)部集成斬波穩(wěn)定的內(nèi)部低噪聲比較器（比較器觸發(fā)offset范圍在±35 mV）和低串?dāng)_模擬開關(guān)，這就解決了客戶模擬部分設(shè)計(jì)的問題， 提高了系統(tǒng)測量質(zhì)量。
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