TDC-GP22在智能超声波水表中起到何种关键作用 

模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)听的多了，时间数字转换器(TDC——TimerDigitalConverter)是哪些原理的元件?为何是ARMCortexM3，而不是M0、M4?还有，超声波电表这些创新产品方式是否到了大规模商用阶段呢?本文将介绍TDC-GP22在智能超声波电表中起到何种关键作用，ARMCortexM3MCU怎样在超低帧率突破方面再助一臂之力?

超声波电表概述

当智能水表在电力系统中如火如荼地发展时，电表也在朝智能化、全电子化的方向快速发展。这一方面由于全球水资源的匮乏敦促政府注重节水和水量控制，另一方面也始于现代工业技术的成熟发展促使智能电表的实现成为可能。能满足阶梯计价的智能式电表将会成为建设节水型社会一大神器!

电表技术的创新发展是实现用水智能检测的重要装备。超声波电表是采用超声波时差原理，采用工业级电子元元件制造而成的全电子电表。这些超声波检测是借助一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过测量超声波在介质中的顺水和逆流传播时间差来间接检测流体的流速，再通过流速来估算流量。

图1超声波时差法检测原理示意图

与传统机械式电表相比较，超声波电表精度高、可靠性好、量程比宽、寿命长、无活动部件、任意角度安装、更换十分灵活等重要优势：

精度高：检测的码率高;

可靠性好：超声波杂波检测稳定可靠;

阻值比宽：始动流量十分小(<2L/h)，微小变化可以得知;

寿命长：虽然检测速率很快，但可以拥有特别长的使用寿命;

无活动部件：不影响流体特点，检测性能愈发优越;

更换十分灵活：更换十分简单，无需断管网。

有研究数据显示，在亚洲以及世界一些地区：大口径工业电表和小口径民用电表，都早已开始朝超声波方向发展。法国一些知名的表计公司在亚洲的项目开发工作中早已开始或则早已量产，超声波电表潜力巨大(市场潜力：>10Mio./年)。

在中国，超声波检测方法早已在热量表和流量计当中得到普遍的应用和验证。因为超声波方法的优势超声波水表，以及检测超声波电路的不断发展和建立，智能电表也将向这些方法发展。国家工信部标准定额司相关单位委托行业领军企业牵头组织起草的“超声波电表”国家标准早已基本完成。

超声波电表关键技术

关键部件——TDC-GP22

日本Acam公司的检测芯片在超声波检测上已得到普遍认可和采用。回到文章开头提及的时间数字转换器TDC-GP22，它是Acam公司借助纯数字化CMOS技术生产的时间数字转换器，能将时间间隔的检测量化到22ps的精度，可以说天生就担负了促进智能超声波技术变迁的使命。

图2TDC-GP22——智能超声波电表应用的高集成度检测芯片

虽然，Acam公司的第一颗TDC芯片TDC-GP1早在1996年就早已投入市场，并在超声波流量计中得到了广泛的应用。该公司在2005年推出了高性价比的TDC-GP2芯片，在超声波热量表市场中构建了良好的基础。2011年初其专门针对超声波热量电路设计的TDC-GP21芯片问世。有了后面这种阶段的技术验证和市场积累，2011年末，Acam专门为电表特定的功能更强悍的芯片TDC-GP22即将步入市场。

原理及性能

图3TDC-GP22内部结构原理图

图3为TDC-GP22的内部结构原理图，时间数字转换器TDC即为芯片TDC-GP22的技术核心，它借助讯号通过逻辑门的绝对时间延后来精确量化时间间隔。而且这个高精度的时间检测单元TDC，其帧率达到22ps，这就为时差法流量计的应用提供了基本的检测保障，进而实现高精度、大量程比的设计。

TDC-GP22的重要特点还包括：

●温度检测精度(2mkrms);

●TOF飞行时差的温漂(

●提供针对超声波电表所须要的完整的模拟后端：内部集成移相稳定的内部低噪音比较器(比较器触发offset范围在±35mV)和低杂讯模拟开关，这就解决了顾客模拟部份设计的问题，提升了系统检测质量。

TDC-GP22的脉冲发生器在小内径的流量检测中可直接驱动超声波换能器，无需另外降低驱动芯片，简化了设计并增加了成本;高精度的时间检测，简约的外部电路、集成的内部讯号处理算法，超低的整体帧率检测特点促使其特别适宜于超声波电表的应用。

三个重要功能

因TDC-GP22是在TDC-GP21的基础上发展而至，所以TDC-GP22的功能、管脚、寄存器与TDC-GP21可以100%兼容(可1:1进行替换)。TDC-GP22不仅具备TDC-GP21的所有特点外，还降低了三个重要的功能。之所以说TDC-GP22是超声波电表电路的革命，正是与这三个新增的重要功能紧密相关。

●智能第一个杂波检查功能。TDC-GP22致使时间窗口设置不再受时差变化影响，进而实现精确的脉冲间隔检测，以及回流、空管辨识和报案。

●第一波脉冲长度检测功能(目前市面上仅TDC-GP22可以实现)。GP22的脉冲长度检测可以帮助在电表应用中，测量段内是否有气泡影响，以及测量管段内的常年覆盖物，给出报案讯号。

●简化的多脉冲结果估算功能。TDC-GP22芯片将会手动处理估算3个脉冲结果，并给出平均值。通过这些方法，简化了整个检测的流程，检测的结果完全由TDC-GP22手动完成，MCU仅需直接读结果，节约单片机资源，并满足电表检测速率要求。

EFM32TG840Fxx推动超声波电表突破帧率困局

通过前面的述说，我们对于TDC-GP22适用于超声波电表的性能优势早已有了比较深入的认识，而且对于在电子智能电表应用中至关重要的帧率问题还没有提到。电表应用的标准要求电表的电瓶起码6年不能更换，这对整个系统的帧率提出了严苛的要求，也仍然阻碍着超声波电表的发展。

右图4为世强开发的低帧率超声波滴水表方案的系统框图，主要由3个部份组成：换能器、TDC-GP22以及以EFM32TG840Fxx为核心的控制电路部份。世强的方案具有如下特征和优势：1、量程比：1:125;2、平均帧率：<30uA;3、始动流量：<2L/h;4、单节3.6V锂电池可工作6+1年;5、接口输出：红外，M-BUS。

图4世强推出的低帧率超声波电表方案实物图和系统框图

虽然，TDC-GP22早已具备了特别低的帧率特点(静态电压：

因为系统中控制器一般是耗电大户，所以要增加整个系统的帧率，超低帧率的MCU是必需的。EFM32系列MCU是SiliconLabs公司推出的超低帧率ARM，该系列产品只有现有8位、16位、32位MCU的四分之一帧率，而且具有丰富的外设插口。EFM32TG840是属于EFM32系列MCU中的TinyGecko系列产品。

图5SiliconLabs公司EFM32TGxx系列MCU的特性汇总

EFM32系列MCU在活动模式下执行来自Flash的实际代码时耗电量为150μA，在深度睡眠模式下为900nA，在shutoff模式下为20nA。芯片的休眠模式唤起时间高于2μs，供电电流范围可达1.8～3.8V。

外设方面EFM32不仅提供基本的AD模块、DA模块、模拟比较器、UART/SPI/IIC插口、外部总线插口等，还提供了特色的低帧率的外设，包括低帧率的UART和定时器。EFM32的奇特的“peripheralreflexsystem(周边反射系统)”(PRS)可与标准的32位ARM总线并行，PRS可使EFM32外设自主运行和交流，无需CPU干预，可延长CPU睡眠时间并节约大量能源。据悉EFM32系列产品还集成了LCD控制器、RTC、LESENCE插口、AES模块等。

基于Cortex-M3内核的EFM32系列MCU产品超声波水表，内核强悍的运算能力降低MCU工作状态时间，150μA/MHz的超低运行帧率，配合EMF32奇特的低帧率外设，超声波电表的电瓶8年不用更换将成为可能。同时EFM32系列MCU的高集成度，进一步增加顾客的系统成本。

小结

TDC-GP22超声芯片的高集成度促使外围电路的设计愈发简单，低帧率高性能的MCU极大延长了电瓶续航时间。加上世强可提供超声波电表的一站式解决方案(包括完整可行的软件、原理图、PCB示例、技术支持)，无疑为电表企业更快地占据创新先机做好了铺垫开发和上市。