基于CortexM3的TDC-GP22在智能超声波水表中的应用

图3. TDC-GP22内部结构原理图。

如上图3所示为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。并且这个高精度的时间测量单元TDC，其分辨率达到22ps，这就为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障，从而实现高精度、大量程比的设计。

TDC-GP22的重要特性还包括：

●温度测量精度（2mk rms）；

●TOF飞行时差的温漂（<0.3ps/k）；

●提供针对超声波水表所需要的完整的模拟前端：内部集成斩波稳定的内部低噪声比较器（比较器触发offset范围在±35 mV）和低串扰模拟开关，这就解决了客户模拟部分设计的问题， 提高了系统测量质量。

TDC-GP22的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能器，无需另外增加驱动芯片，简化了设计并降低了成本；高精度的时间测量，简洁的外部电路、集成的内部信号处理算法，超低的整体功耗测量特性使得其非常适合于超声波水表的应用。

实现超声波水表技术飞跃的三个重要功能

因TDC-GP22是在TDC-GP21的基础上发展而来，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除了具备TDC-GP21的所有特性外，还增加了三个重要的功能。之所以说TDC-GP22是超声波水表电路的革命，正是与这三个新增的重要功能紧密相关有关。

1.        智能第一个回波检测功能，使得时间窗口设置不再受时差变化影响，从而实现精确的脉冲间隔测量，以及回流、空管识别和报警。

2.        第一波脉冲宽度测量功能（目前市面上仅TDC-GP22可以实现）： GP22的脉冲宽度测量可以帮助在水表应用中，检测段内是否有气泡影响，以及检测管段内的长期覆盖物，给出报警信号。

3.        简化的多脉冲结果计算功能，TDC-GP22芯片将会自动处理计算3个脉冲结果，并给出平均值。通过这种方式，简化了整个测量的流程，测量的结果完全由TDC-GP22自动完成，MCU仅需直接读结果，节省单片机资源，并满足水表测量速度要求。

EFM32TG840Fxx助力超声波水表突破功耗瓶颈

通过上面的讲述，我们对于TDC-GP22适用于超声波水表的性能优势已经有了比较深入的认识，但是对于在电子智能水表应用中至关重要的功耗问题还没有提及。水表应用的标准要求水表的电池至少6年不能更换，这对整个系统的功耗提出了苛刻的要求，也一直制约着超声波水表的发展。

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

其实，TDC-GP22已经具备了非常低的功耗特性，（静态电流：<0.1uA@85℃；休眠电流：1uA（32K持续工作下）），但是当TDC-GP22遇到基于ARM CortexM3的超低功耗Silicon Labs EFM32TG840Fxx系列MCU，在功耗表现上就表现得更加完美了，这正是世强推出图4超声波水表方案最初的器件选择考量因素。

由于系统中控制器通常是耗电大户，所以要降低整个系统的功耗，超低功耗的MCU是必需的。EFM32系列MCU是Silicon Labs公司推出的超低功耗ARM，该系列产品只有现有8位、16位、32位MCU的四分之一功耗，并且具有丰富的外设接口。EFM32TG840是属于EFM32系列MCU中的 Tiny Gecko系列产品。

图5. Silicon Labs公司EFM32TG840Fxx系列MCU的特点汇总。

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。芯片的休眠模式唤醒时间低于2μs，供电电压范围可达1.8～3.8V。

外设方面EFM32除了提供基本的AD模块、DA模块、模拟比较器、UART/SPI/IIC接口、外部总线接口等，还提供了特色的低功耗的外设，包括低功耗的UART和定时器。EFM32的独特的“peripheral reflex system(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睡眠时间并节省大量能源。此外EFM32系列产品还集成了LCD控制器、RTC、LESENCE接口、AES模块等。

基于Cortex-M3内核的EFM32系列MCU产品，内核强大的运算能力减少MCU工作状态时间，150μA/MHz的超低运行功耗，配合EMF32独特的低功耗外设，超声波水表的电池8年不用更换将成为可能。同时EFM32系列MCU的高集成度，进一步降低客户的系统成本。

本文小结

TDC-GP22超声芯片的高集成度使得外围电路的设计更加简单，低功耗高性能的MCU极大延长了电池续航时间。加上世强可提供超声波水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），无疑为水表企业更快地抢占创新先机做好了铺垫开发和上市。

超声波智能表时代已来，您准备好了么？

关键字：CortexM3  时间数字转换器  TDC-GP22  超声波水表

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