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“北京遇到西雅圖”成就了一段美好的愛情，而當時間數字轉換器TDC-GP22遇到超低功耗ARM CortexM3 MCU又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武器 “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。這一方面因為全球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。”世強先進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武器。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�。�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。國家住建部標準定額司相關單位委托行業領軍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�；氐轿恼麻_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公司的第一顆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絕對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（ 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： 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的獨特的“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獨特的低功耗外設，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？ |
