TDC-GP2高精度低功耗芯片在热表中的应用—新的超声波热表解决方案
TDC-GP2新的超声波热表解决方案
1. 概述
超声波用于气体和液体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量/热量计也开始普及起来。本文着重介绍了由德国ACAM公司设计生产的高精度时间测量芯片TDC-GP2 在超声波时差法流量/热量测量系统设计中所具备的重要功能，以及其在超声波时差测量上非常显著的优势。
2. 超声波热表测量原理
超声波热量表（Ultrasonic Heat meter）是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法，如图1 所示。
流体速度 V 流体速度 V流体方向流体方向T下游T上游θLD
顺流换能器逆流换能器
图1：超声波时差法原理示意图
在图1 中我们看到有两个换能器，顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流时间为T 上游,逆流时间为T 下游,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ，流体的流动速度为V。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L 长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表
示：
T 上游＝C V *cosθToffset L++T
下游＝C V *cosθToffset L−+
*其中C 为声音在水中传播的速度。
那么顺流时间和逆流时间的时间差为：
ΔT = T 上游- T 下游＝*cosθ C V *cosθLC VL−−+＝θθ2 2 cos22 cosC VVL−
为了简化计算，我们可以假设流体的速度相对于声波在流体中传播的速度是非常微小的，那么我们
可以将上式简化为：
ΔT ≈ 22 cosCVL θ
从而我们得到流体的速度与传播时间差的一个线性公式为:
2 cosθ2LV C T Δ=
需要特别强调的一点是V 是流体沿着管道中心线的线速度，考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分
布情况，我们还需要加一个流速（分布）修正系数K。那么瞬时流量的公式为：
Q = K *D *V4*π 2
求得瞬时流量后，那么在超声热量表中，热量的积分计算采用欧洲流行的K 系数法:设测得进水管的水温为T1，出水管水温为T2，则进出水的温度差为△T，利用流量传感器对供水管道的瞬时热水流量 Q 进行计量，经过一定时间的累计，便得到用户消耗的热量值，其数学表达式为：
式中，E 为热交换系统输出热量，单位J;t 为流量累积时间，单位h; K 为热焙修正系数，单位J/ m3;
Q 为瞬时热水流量， 单位m3/h; △T 为进出水的温度差，单位℃。
这样我们就可以通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量，进而获得消耗的热量了 。
在测量流体流量的过程中，有一些因素对于测量精度有很大影响，因此这些问题需要引起注意：
1． 加工精度及温度变化对机械尺寸的影响。声路角 、管道直径D、声程L 等机械参数的加工精度、温度稳定性对流量的测量有直接的影响。在测量过程中，它们会随着温度的变化而变化。这种误差可以通过精密加工，合理选材以及合理的结构设计使影响减到最小。
2． 温度变化对流速的影响。超声波的传播速度随流体的温度的升高而升高，因而会给测量带来误差。流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿方法通过测量流体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自动补偿。
3． 流体中介质以及添加剂对超声波传播速度的影响。因为超声波在不同介质中的传播速度是不同的，微量添加剂例如某些溶解盐的含量都会对声波速度造成影响，因此在设计超声波流量计时，要对于流体的成分有比较正确的分析。
4． 电子元器件的性能，精度，稳定情况以及电路板的布线等等对于测量结果也是有重大影响的，因此在设计流量测量时要考虑这些情况的影响。
3. TDC-GP2 在超声波热表中的优势
TDC-GP2 是德国ACAM 公司TDC 系列的新一代产品。它具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。TDC-GP2 具有高精度时间测量，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，这些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65ps 的精度，给超声波流量计的时差测量提供了完美的解决方案。
3.1 什么是TDC?
在介绍 TDC-GP2 的优点之前,首先让我们来看看到底什么是TDC。TDC 即时间数字转换器，它是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔。
coarse
counter
dynamic value m emory
Start
Stop
data post processing
High-speed unit
用另一句话来讲，就是说它计算了在一定的时间间隔内有多少个反向器被通过，在被测时间间隔内信号通过了多少个反向器。上图说明了这种TDC 的操作原理。非常智慧的电路设计， 担保器件和在芯片上的特殊的布线方法使精确而相等的逻辑门时间延迟成为了现实。测量结果的精度非常严格的依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。 测量精度从40 皮秒到100 皮秒可以通过简单的测量内核以及现代化的CMOS 技术轻松达到。传播延迟本身是与温度和供电电压有关的。因此测量值必须要校准。校准是通过测量一个和两个参考时钟的周期完成的。
3.2 TDC-GP2 的时差测量精度
上面介绍了什么TDC,接下来让我们来了解一下TDC-GP2 这款芯片。下图为TDC-GP2 芯片内部原理图 ：
Fire1
Fire2
Fire-pulse
Generator
Stop2
Stop1
Start
EN_Start
EN_Stop2
EN_Stop1 TDC
ALU
Time_Val1
Time_Val4
Time_Val3
Time_Val2 28
28
28
28
4-Wire SPI-Interface
SCK
SI
SSN
SO
INTN
Config Register
ControlUnit
Clock Control
incl. Clock-Cal.
Temperature
Unit
PT1
PT4
PT3
PT2
SenseT
LoadT
to all units
TStart
TStop
4 MHz Ceramic
Resonator
32.768 kHz
Oszillator
TDC-GP2
RSTN
to all units
Stop Enable
Generator
Fire_In
从上图可可以看到GP2 内部集成了非常多的适用于超声波流量/热量测量的功能，那么我们首先从测量精度来了解一下TDC-GP2 的优势 。
TDC-GP2 的单次时间间隔测量的典型精度为65ps,也就是说内部通过1 个逻辑门的时间被确定在大约65ps。那么假设被测管径100mm,流量为70 l/min，以及下面的给出的参数：
v = 0.1485 m/s
L = 0.1414 m
C0 = 1500 m/s
Δt ≈ 13.2 ns
以GP2 的65ps 精度测量所获得的测量精度将可以优于0.5%。TDC-GP2 有非常好的数据统计特性。
它的内部集成了一个噪声单元，这个噪声单元的主要目的就是为了在多次采样取平均值的时候可以最大限度的消除噪声。由于我们知道，量化误差通过普通平均的方法是没有办法消除的，因为最小的量化阶越已经固定，平均只能最高达到最小量化阶越的精度。那么通过这个噪声单元的引入，使平均后的精度能够甚至低于量化阶越的精度成为可能。
通过多次平均测量数据可以使在测量很小流量（例如0.5 l/min）的情况同样可以得到非常好的精度。
下面的图给出了TDC-GP2 在不同温度范围情况下所测量的精度落点。
这个图为应用TDC-GP2 开发的实际超声波流量测量系统所测得，从图中我们看出，在大流量的情况下，在任何温度范围情况下测量的精度都可以保证在1%之内，那么在小流量的情况下，测量精度在2.5%以内。
3.2 TDC-GP2 测量的节能优势
Fine Count 1 Fine Count 2
Cal1
Cal2
Start
Stop
Ref.
Clock
Runtime
High-speed Unit
Coarse Count
Time = Tref x ClkHSDivx (Cc + (Fc1 - Fc2)/(Cal2 - Cal1)
TDC-GP2 的一个非常大的优势就是超低的电流消耗。这个优势要归功于TDC 的革新的测量方法，因为GP2 将测量以脉冲的形式来进行，而且尤其在超声波测量中，要用到测量范围2 的时候，如上图所示TDC 的核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量start 信号上升沿到下一个参考时钟上升沿和stop 信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则由数才考时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。在超声波热表的设计中，由于应用TDC-GP2 进行设计，大大的降低了系统的功耗，可以使用小号的锂电池来代替通常使用的大号D 号电池。让我们下面来具体看一看TDC-GP2 测量系统的各部分功耗：
a. 时间测量
32.768kHz:由微处理器提供，小于0.5 μA。
4 MHz: 低电状态为 0 μA，激活状态为 270μA。
TDC:非激活状态为< 150nA，高速单元激活期间为 15ms, 每秒钟进行两次测量（顺/逆流），总的电流消耗< 2 μA。
b.温度测量
进行一次四个端口的完整的测量的电流消耗小于 2.5μAs。 通常是 30 秒测量一次温度，这样的话平均电流大约为0.085 μA。这比其他的流量计方案的电流消耗的 1/50 还要小。
c.静电流
由于目前的(芯片)充分利用了 0.35μm 的制作技术，所以静电流小于 150nA。
d.整个系统的电流消耗测量单元（包括TDC、模拟电路部分、传感器）的整个电流主要由模拟电路部分决定，在3-5μA 的范围之内。 如果采用低功耗的微处理器（如TI 公司的MSP430 系列），则整台设备的平均电流消耗可以降至10-15μA。 一节 AA 型号的锂亚硫酰氯电池，可以使整个系统工作十年。采用低成本的 3V CR2450 电池组，也可以使用六年。
3.3 TDC-GP2 的stop 通道脉冲窗口使能功能
TDC-GP2 内部有一个非常适合超声波流量测量的stop 通道窗口使能功能，如下图所示：
TDC-GP2 在测量范围2 的情况下stop 通道最多可以接受3 个脉冲，芯片内部可以通过设置寄存器
2，3，4 的DELVALX 的相关位来分别给这3 个脉冲加上一个使能窗口。这个窗口的作用就是当在预期时间以外的干扰脉冲到达芯片通道的时候，芯片将不会把干扰波作为传感器的回波来进行测量，这样对于回波的零点确定提供了非常大的帮助，在设计接受回波电路部分的时候，大大简化了接收电路的处理过程。寄存器中的DELVALX 的格式为14 位整数部分，5 位小数部分，最小可以设置的延迟时间为：
最小延迟=DELVALX * Tref * ClkHSDiv，其中Tref 为参考时钟周期，ClkHSDiv 内部设置的分频因数。这个屏蔽窗口的精度可以达到10ns。
3.4 TDC-GP2 的脉冲产生器
GP2 内部集成了一个可以发送驱动超声波换能器的脉冲发生器。通过寄存器的设置对这个脉冲发生器产生脉冲的频率，以及相位进行设置。最多可以产生15 个脉冲。 脉冲发生器有两个输出口，fire1和fire2,这两个输出口分别具有48mA 的驱动能力，如果并行使用可以将驱动能力增加到96mA。对于小管径的流量测量来说，无需前端放大电路，可以直接用fire 输出脉冲驱动超声波换能器。这个脉冲发生器的内部结构图如下所示:
1
n
CLKHS
Pulse-Generator
CLKHS_DIV
1
0.5
frequency
doubling
1
m
FIRE#
ffireclk2 ffireclk1 Phaseshift
Fire-
Generator
DIS_PHASESHIFT
Fire1
Fire2
PHASE_FIRE
CONF_FIRE
3
16
时钟频率先通过一个分频器，然后输入内部脉冲发生器触发单元。在内部脉冲发生器单元中对分频后的时钟信号先进行倍频，然后调整相位，在对信号进行分频，最终将信号输出到芯片的fire1 和fire2 管脚。通过这个脉冲产生单元即可直接产生驱动换能器的频率信号。
3.5 TDC-GP2 的温度测量单元
在TDC-GP2 的内部集成了一个专门用来测量温度的模块，如下图所示：
TDC-GP2
PT1
PT2
PT3
PT4
33nF 74HC1G14
Rrefup
Rrefdown
2 x PT500 / PT1000
LoadT SenseT
θdown θup
GP2 内部有4 个温度测量端口，可以最多测量2 对传感器和参考电阻，也就是说在超声波热表的设计时，可以分别测量冷水和热水的温度。这个温度测量单元测量的精度可以达到16 位有效精度，相当于0.004°C 。实际上这个温度测量单元的原理是通过测量温度电阻传感器对参考电容的放电时间变化实现的，原理同样为时间测量，测量所需的传感器是PT500 以上电阻。在这里还要提一句的是进行一次完整的温度测量（2 个传感器，2 个基准），包括所有的计算在内，其功耗小于 2.5μAs。
如果每30 秒钟进行一次的温度测量（热量计的典型测量时间），平均电流消耗只有0.08μA。
3.6 测量超声波流量的典型原理图
逻辑单元
发射
顺流
逆流
接收
监测器
STOP STOP
上游时间
下游时间
相减
数据处理流量
换能器2 换能器1
上图显示了一个典型的信号处理的概念原理图。为了能够尽可能的保持零点流量时的时间延迟统一性，系统的接受和发射电路部分应该尽量保持绝对一致的关系。在换能器附近放置一个选择开关来选择换能器以保持电路相同，将会对测量非常有帮助。
4. 应用TDC-GP2 的超声波热表设计方案
下图为应用TDC-GP2 设计的超声波热表的简单原理图。
整个超声波测量系统通过单片机控制以及一些简单电路，就可以实现对于流量以及热量的测量，其中核心的时差测量以及温度测量都是由TDC-GP2 这个仅5mm见方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大优势外，TDC-GP2 的高集成度使整个热表的电路设计简单紧密。
5. 结束语
采用TDC-GP2 设计的超声波热表系统在提高测量精度的同时大大降低了功耗，是超声波流量计和超声波热表的最佳选择。应用此芯片开发的系统具有设计简单，测量精度高，成本低廉，使用方便的优点。已有厂商使用此芯片成功地进行了超声波热表的研发。实际应用结果表明，TDC-GP2 为超声波流量计及超声波热表的性能提供了保障。
