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TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案
来源：本站整理
作者：秩名日 09:05
[导读] 从2009年开始，中国北方供热改革已经真正的迈开了脚步，在未来的几年当中，北方各地将会加快对于供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重
&从2009年开始，中国北方供热改革已经真正的迈开了脚步，在未来的几年当中，北方各地将会加快对于供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重点工作。而由于其测量方式无接触部件，低压降和低能量消耗而且测量高精度，正在逐渐取代机械式的热量表，成为北方供热供暖热计量方案的首选。应用德国acam公司的第一代产品实现的超声波热量表已经在市场被广泛的应用，而且由于其集成度高，测量性能好功耗低的优势，受到广大的热量表公司的认可。而今，acam公司进一步推出了针对超声波热量表的高级成度TDC-GP21，在性能质量，功耗及其他各个方面将全面超越TDC-GP2，成为超声波热量表的首选。
TDC-GP21介绍：
在2010年的11月底，德国acam公司在原有的基础上，又专门针对超声波热量表的一些特性，进行了更深入的研究和改进，最终推出了新一代针对超声波热量表所设计的的芯片TDC-GP21。这颗芯片为QFN32管脚的封装形式。这颗芯片而除了具备了TDC-GP2的功能以外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，比如模拟开关，以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器，以及内部集成了温度测量所需施密特触发器，使超声波热量表的设计开发非常简单，大大降低材料和人工成本，并且将测量质量和功耗提升到了一个前所未有的等级，实现了更高集成度，更低功耗，更高精度的超声波热量表方案。TDC-GP21所能够实现的性能，是TDC-GP2所无法达到的。
TDC-GP21内部结构图
上图中绿色部分，为专门针对热量表所集成的单元。模拟控制部分将信号的发射接收的处理变得前所未有的简单，模拟信号和整个流程控制直接由这个部分来处理和自动操作，而且斩波稳定比较器可以保证测量的质量; 温度部分集成了施密特触发器，直接接上温度传感器和参考电阻就可以进行高精度的测量，测量的性能远远超过热量表所需的要求; 7x32的eeprom单元可以让客户存储整表的一些ID信息以及配置寄存器的信息。
管脚信号输出功能
除了上图中的额外增加的模块外，acam公司还针对超声波热量表的特性在GP21内部进行了一些超声波必要信号在其管脚Fire_in和En_start的输出，这些输出信号，可以帮助客户深入分析了解超声波信号以及GP21的一些特性。下面是一些示波器的截图。
除了以上输出的信号外，还可以在EN_start管脚输出4k的晶振时钟，在Fire_In管脚上输出32k的低功耗晶振时钟，那么所输出的具体信号的是由寄存器配置所决定，详细设置请参考TDC-GP21的用户手册。通过这些信号的输出，可以帮助可以详细的分析了解TDC-GP21的超声波测量特性，帮助客户在超声波热量表开发过程中克服很多困难。
一个应用TDC-GP21设计完整热量表示非常简单的，下面是一个超声波热量表原理图的例子：
如上图所示，给我们最直观的印象就是，整个测量系统所需要的外部元器件非常少，整个结构很紧凑，除了所必需的简单单片机以及超声波换能器和温度传感器外，外部仅需要2对RC阻容，2个晶振，和一些旁路去藕电阻电容。时间测量上游，下游信号的发射接收以及信号的处理，温度测量等完全在TDC-GP21芯片内部完成，单片机仅需读取TDC-GP21的测量数据，将时间测量结果以及温度测量结果进行热量的转换计算即可。
在单片机方面，MSP430不再是最好的选择，像Silabs的单片机，Renesas的单片机系列等都可以完全适合热量表的应用。由于GP21的测量低功耗以及完全自动的超声波上下游测量，另外通过GP21的管脚可以提供给出一个超低功耗的32k晶振源，可以直接将这个晶振源提供给单片机。GP21本身的测量功耗是否非常低的，在每秒钟一次上下游飞行时间测量的情况下，测量功耗仅为大约2uA左右。
TDC-GP21应用内部比较器测量效果：
为了验证TDC-GP21的性能，我们应用acam GP21演示系统及威海天罡管段进行了零点稳定性测试，应用GP21内部比较器，每次测量3个脉冲，8次平均后的结果，2.5小时无停止，GP21测量功耗大概为14 uA。GP21在每秒钟一次上下游的时间测量功耗仅为大约2uA：
从上图可以看到，上游下游时差零点测量非常稳定，由于应用TDC-GP21内部斩波稳定比较器，时差结果几乎不随时间及温度漂移。
TDC-GP21应用内部自动上下游时间测量的典型流程：
Power on Reset， Reg0-Reg6 settings
Whileloop：
1. send Reg1 ALU计算（0x8121xxxx） ; 为了每一次计算都写入结果寄存器0 会有中断， 但是这个中断不需要关心
2.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中断会自动恢复
3.send opcodestart_TOF_ 发送自动上下游测量命令
4.wait INTN ; 判断是否收到中断
5.read 结果寄存器reg0 ; 从结果寄存器0中读上游时间测量结果
6.send reg1 ALU计算（0x8121xxxx） ; 下游测量将结果也写到结果寄存器0中，也会有中断，不用关心这个中断
7.Init TDC 0x70 ; 初始化，上面的中断会自动恢复
8. wait INTN ; 判断是否收到中断
9. read结果寄存器reg0 ; 从结果寄存器0中读下游时间测量结果
当然每个通道最多可以进行接受3个脉冲，每次上下游都可以一次获得三个结果，如果希望计算所有3个结果，请进一步与世强电讯公司工程师联络。
TDC-GP21这颗专门为超声波热量表测量所设计的高集成度芯片，将会使超声波热量表的设计进一步简化，降低整体成本，而其高质量的测量性能以及超低的测量功耗，必将成为继TDC-GP2之后成为超声波热量表设计的完美方案。
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TDC-GP21 详细说明
TDC-GP21为acam公司TDC-GP2的下一代升级产品。它提供了与 TDC-GP2 pin-to-pin管脚完全兼容的功能，另外还对一些性能进行了提高，增加了很多扩展的功能。模拟部分如斩波稳定比较器以及模拟开关元件的集成使整个超声波热表电路的设计更加简化和紧凑。 同时，测量质量也被提高，测量功耗将会被降低。另外对于脉冲发生器发射脉冲个数有进一步的扩展，而且内部集成了一个32k低功耗晶振驱动。温度测量单元则集成了施密特触发器，使测量更加简单。总之，TDC-GP21由于其高集成度和低价格完美的适合于超声波热量表和流量计的应用。主要特性测量范围 2? 单通道90ps典型精度 ? 双精度模式 45 ps, 四精度模式 22 ps ? 测量范围 500 ns 到 4 ms ? 2 x CLKHS 脉冲最小间隔 最多可以接受3个脉冲 ? 3个脉冲每个都可以设定精准的时间窗口,窗口精确度达10ns.? 模拟输入部分? 斩波稳定低噪声比较器 ? 2个模拟开关作为输入选择 ?
外部电路仅需要2个电阻和2个电容特殊功能?
脉冲产生器, 可以产生最多127个脉冲 ?
可以选则上升沿 和/或 下降沿敏感 ?
通过窗口功能精确接受stop脉冲 ?
低功耗 32 kHz 振荡器 (500 nA) ?
时钟标定单元 ?
7x32 位 EEPROM温度测量单元?
2 或 4 个传感器 ?
PT100/PT500/PT1000 或者更高 ?
集成的施密特触发器 ?
高温度测量精度: 16 位有效精度 (应用箔电阻0.004 °C 精度) ?
超低电流功耗 (0.08 μA 当每30秒测量一次时)测量范围 1?
双通道典型精度 90 ps ?
单通道双精度 45 ps ?
测量范围 3.5 ns (0 ns) 到 2.5 μs ?
20 ns 最小脉冲间隔, 最多接受4个脉冲综述?
4-线制SPI接口 ?
测量范围1当中最高可以测量每秒钟一百万次 ?
I/O 电压 2.5 V 到 3.6 V ?
核心电压 2.5 V 到 3.6 V ?
温度范围 C 40 °C 到 +125 °C ?
QFN 32 封装规格测量精度：典型90ps,在双精度模式45ps（在测量范围1和范围2），在四精度模式为22ps（仅在测量范围2） 最大测量频率： 可达最高1百万次时间测量每秒 供电电压： 2.5V到3.6V工作温度： -40 °C 到 125 °C静态电流： < 0.1 μAINL: < 0.1 LSBDNL: < 0.8 LSB 时间数字转换器TDC-GP21的评估系统无论您是刚刚接触acam公司的TDC-GP21产品，还是准备建立一个完整测量原型，GP21评估系统可以帮助您成功的完成对于TDC-GP21芯片的了解和评估，可以让您更加迅速的将芯片应用在您自己的应用当中。
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&文件名称: tdc-gp21-spi& & [
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&&所属分类:
&&开发工具: Visual C++
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&详细说明：spi通信，tdc-gp21的spi通信程序-spi communication, tdc-gp21 spi communication program
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