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基于CortexM3的TDC-GP22在智能超声波水表中的应用

作者:时间:2013-12-04来源:网络收藏


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的应用。

是在TDC-GP21的基础上发展而来,所以的功能、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。

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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。

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图4. 世强推出的低功耗超声波水表方案实物图和系统框图

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 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。

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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。

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