前言：

從2009年開(kāi)始，中國北方供熱改革已經(jīng)真正的邁開(kāi)了腳步，在未來(lái)的幾年當中，北方各地將會(huì )加快對于供熱計量方面的改革力度，按熱量計價(jià)收費將會(huì )成為今后北方供熱供暖方面的一個(gè)重點(diǎn)工作。而超聲波熱量表由于其測量方式無(wú)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。應用德國acam公司的第一代產(chǎn)品TDC-GP2實(shí)現的超聲波熱量表已經(jīng)在市場(chǎng)被廣泛的應用，而且由于其集成度高，測量性能好功耗低的優(yōu)勢，受到廣大的熱量表公司的認可。而今，acam公司進(jìn)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(gè)方面將全面超越TDC-GP2，成為超聲波熱量表的首選。

TDC-GP21介紹：

在2010年的11月底，德國acam公司在原有的基礎上，又專(zhuān)門(mén)針對超聲波熱量表的一些特性，進(jìn)行了更深入的研究和改進(jìn)，最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(kāi)關(guān)，以及低噪聲斬波穩定（自動(dòng)進(jìn)行溫度電壓校正）模擬信號比較器，以及內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計開(kāi)發(fā)非常簡(jiǎn)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(gè)前所未有的等級，實(shí)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(shí)現的性能，是TDC-GP2所無(wú)法達到的。

TDC-GP21內部結構圖

上圖中綠色部分，為專(zhuān)門(mén)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(jiǎn)單，模擬信號和整個(gè)流程控制直接由這個(gè)部分來(lái)處理和自動(dòng)操作，而且斬波穩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(jìn)行高精度的測量，測量的性能遠遠超過(guò)熱量表所需的要求;

7x32的eeprom單元可以讓客戶(hù)存儲整表的一些ID信息以及配置寄存器的信息。

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(jìn)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(hù)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(shí)鐘，在Fire_In管腳上輸出32k的低功耗晶振時(shí)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(hù)手冊。通過(guò)這些信號的輸出，可以幫助客戶(hù)詳細的分析了解TDC-GP21的超聲波測量特性，幫助客戶(hù)在超聲波熱量表開(kāi)發(fā)過(guò)程中克服很多困難。

一個(gè)應用TDC-GP21設計完整熱量表是非常簡(jiǎn)單的，下面是一個(gè)超聲波熱量表原理圖的例子：

如上圖所示，給我們最直觀(guān)的印象就是，整個(gè)測量系統所需要的外部元器件非常少，整個(gè)結構很緊湊，除了所必需的簡(jiǎn)單單片機以及超聲波換能器和溫度傳感器外，外部?jì)H需要2對RC阻容，2個(gè)晶振，和一些旁路去藕電阻電容。時(shí)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芯片內部完成，單片機僅需讀取TDC-GP21的測量數據，將時(shí)間測量結果以及溫度測量結果進(jìn)行熱量的轉換計算即可。

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用。由于GP21的測量低功耗以及完全自動(dòng)的超聲波上下游測量，另外通過(guò)GP21的管腳可以提供給出一個(gè)超低功耗的32k晶振源，可以直接將這個(gè)晶振源提供給單片機。

TDC-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acam GP21演示系統及威海天罡管段進(jìn)行了零點(diǎn)穩定性測試，應用GP21內部比較器，每次測量3個(gè)脈沖，8次平均后的結果，2.5小時(shí)無(wú)停止，GP21測量功耗大概為14 μA：

從上圖可以看到，上游下游時(shí)差零點(diǎn)測量非常穩定，由于應用TDC-GP21內部斬波穩定比較器，時(shí)差結果幾乎不隨時(shí)間及溫度漂移。

當然每個(gè)通道最多可以進(jìn)行接受3個(gè)脈沖，每次上下游都可以一次獲得三個(gè)結果，如果希望計算所有3個(gè)結果，請進(jìn)一步與世強電訊工程師聯(lián)絡(luò )。

總結：

TDC-GP21這顆專(zhuān)門(mén)為超聲波熱量表測量所設計的高集成度芯片，將會(huì )使超聲波熱量表的設計進(jìn)一步簡(jiǎn)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計的完美方案。