高精度、低功耗芯片TDC-GP21在超声波热量表中的应用-
TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案
TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案前言：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。
而超声波热量表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TDC-GP2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集成度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。
这颗芯片采用QFN32管脚的封装形式，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内部结构上模拟控制部分将信号的发射接收的处理变得前所。
TDC_GP2在热表中的应用新的超声波热表解决方案
Stop Enable Generator
TDC
ALU
Time_Val1 28 Time_Val2 28 Time_Val3 28 Time_Val4 28
SO SI
SCK SSN
Config Register 4-Wire SPI-Interface
TStart TStop
T 上游＝ Toffset +
L
C + V * cosθ
T 下游＝ Toffset +
L
C − V * cosθ
*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＝
L
−
L
＝ 2VL cosθ
C + V * cosθ C − V * cosθ C 2 − V 2 cos2 θ
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。
High-speed unit Start Stop
dynam ic value m em ory
coarse counter
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 ≈ 2VL cosθ C2
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:
V = C 2ΔT 2L cosθ
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
data post processing
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现作者：陈晔王立辉来源：《机电信息》 2015年第24期陈晔王立辉（海南大学，海南儋州571700）摘要：介绍了一款基于高精度时间测量芯片TDC�GP21的超声波式热量表的具体设计。
热量表中热水流量采用超声波时差法原理进行测量，超声波换能器采用V型安装方式。
利用低功耗MSP430单片机的休眠模式等方法，大幅降低了测量系统的功耗。
关键词：TDC�GP21；超声波；热量表；流量；温度0引言供热取暖逐步采用分户计量模式，需要安装热量的检测仪表。
本文针对小口径流量测量，选择采用超声波时差法原理。
1测量原理热量表的三大构件是：流量传感器、温度传感器和热量计算器。
工作原理：流量传感器负责检测出当载热流体流经热交换系统时的流量；配对的两支温度探头测量出进水和回水管道的温度；热量计算器计算出系统释放的热量。
1.1热量计量2硬件设计2.1TDC�GP21芯片流量检测采用德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC�GP21来完成［5］，原理是逻辑门电路延迟信号的传输。
集成电路工艺精确地决定非门的传输时间，求出传输通过非门的个数，进而得出时间间隔。
TDC�GP21芯片内部集成了一个以PICOSTRAIN为基础的测温单元，测量原理是基于电容充放电法，每次测量电流都很小，大大降低了功耗。
2.2MSP430F449基于低功耗的考虑，选择MSP430F449超低功耗单片机作为主控芯片，其带有FLASH存储器［6］。
2.3外围电路（1）超声波换能器。
采用以PPS材料作为外壳的压电超声波换能器［7］。
PPS外壳超声波换能器参数如下：中心频率——1MHz；带宽——39.5%；灵敏度——21dB；Qm——4.9；余震——7.68μs；外壳材质——PPS；导线末端处理——镀锡；导线外被材质——PVC；导线屏蔽层——Y。
（2）超声波换能器安装方式。
采用V型安装方式，此方式传播量程较长，信号散射损失小，精度高。
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现背景与概述在家庭、公寓、办公楼等大量建筑物中，热能消耗占据了非常大的比例，因此监测和控制热量的消耗和分配是非常重要的。
根据热量的测量方法不同，传统的低功耗热量表通常采用机械式、电子式、电离式等测量方法，这些方法在测量准确度、实时性以及维护成本等方面存在问题。
为了满足现代低功耗热量测量对精度和实时性的要求，本文提出了一款基于TDC-GP21芯片的低功耗热量表设计与实现。
TDC-GP21芯片介绍TDC-GP21芯片是一款集成了时间数字转换器和计数器模块的高性能低功耗芯片。
TDC-GP21最大的特点是能够实现高精度的计时并提高测量精度。
其内部时钟频率高达1GHz，最高能够计数到1.024秒，并提供了 SPI 接口驱动，能够和 MCU系统集成。
基于TDC-GP21芯片的低功耗热量表，通过对芯片的时间计数和测量，能够实现对热量的高精度计量和追踪。
低功耗热量表整体设计一款基于TDC-GP21的低功耗热量表，主要由传感器、计算模块、显示模块和MCU等模块组成。
其中传感器和计算模块为核心部件，负责实现热量的测量和计算，而显示模块则用于显示热量数据，MCU则作为控制模块，控制整个系统的运行和处理。
传感器传感器是整个热量表测量的核心部分，负责实时监测水流量和温度的变化。
本文选择热能传感器作为测量传感器。
计算模块计算模块实际上就是基于TDC-GP21芯片的计数器模块。
该模块负责测定冷热水进出口的时间差，并通过这个差值计算出每秒钟的冷热水体积。
通过脉冲的计数和时间计数，计算出流量。
显示模块显示模块主要是将计算模块得到的热量数据实时显示给用户。
本文选择了一块4位7段数码管模块作为显示模块。
这种模块在价格上比LCD显示屏等其他显示模块便宜，且比较简单。
这种模块有较低的功耗，并且可以实时显示正在测量的数据。
MCUMCU控制模块负责控制显示模块的输出，从传感器提取数据，并处理和转换数据以便于实时显示。
高精度时间数字转换器在超声波流量计量中的应用
高精度时间数字转换器在超声波流量计量中的应用目前市场上先进的超声波流量计都采用高精度时间转换器即TDC-GP2 芯片，该芯片内部通过特殊的设计和布线方法来保证每个门电路的时间延迟严格一致，但这个时间延迟是会随供电电压和温度而变化的，因此TDC-GP2 设计了一个参考时钟用来对门电路的延时进行校准，同时这个参考时钟也会在被测时间较长时介入时间丈量。
TDC-GP2的高精度时间丈量原理其中Toffset 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。
每个门电路的传输延时典型值是65ps，TDC 核心丈量单元通过计数在STOP 脉冲到来之前START 信号通过的门电路个数来获得START 与STOP 信号之间的时间距离。
时差法超声波流量丈量的枢纽是对超声波传播时间的丈量，德国ACAM 公司的时间数字转换芯片TDC-GP2 提供典型值65ps 的时间分辨率，丈量范围从0 到4ms。
前言。
相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，明显降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。
因为顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的Toffset 是一样的。
超声波流量计的丈量原理相对于使用传统丈量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的长处：它不会改变流体的活动状态，分歧错误流体产生附加阻力；它可适应多种管径的流体丈量，不会因管径的不同增加仪表本钱；它的换能器可设计成夹装式，可作移动性丈量。
TDC-GP2作为高精度的时间丈量芯片，不但集成了时间丈量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度丈量功能。
如图3 所示，TDC 核心丈量单元只丈量TFC1 和TFC2，而TCC 则通过数参考时钟的周期数来完成丈量，待测时间TSS 便可通过如下计算获得：如图2 所示，TDC 核心丈量单元对START 和STOP 脉冲之间的时间距离进行丈量。
顺、逆流传播的时间差为：如图1 所示，超声波在静止流体中的传播速度用C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：以使用较多的时差法超声波流量计为例，通过分别丈量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。
TDC-GP21在激光测距中的应用
的分辨率 ， 能 够 以较 高的 精 度 获得 准 确 的 脉 冲往 返 时 间 ， 从 而 能 够 更 为 准 确 地 计 算 出 实 际距 离。 详 细 论 述 了硬 件 电路 中 ，
Ｔ ＤＣ — ＧＰ ２ １的 外 围电路 以 及 工 作 方 式 ， 以及 其 内部 的误 差校 验 方 式 。 在 实 际设 计 与 实现 过 程 中 ， 针 对 不 同量 程 ， 设 置 不 同的 闽值 比 较 电压 能 较 精 确 的 测 量 出 时 间 间 隔 。
周期的个数来得出时间间隔 ， 为 了达 到 较 高 的精 度 ， 对 硬 件 电路 有极 高 的 要求 ， 不 易 实 现 且 增 加 了设 计 成 本 Ｊ 。 Ｔ Ｄ Ｃ— ＧＰ ２ １ 作 为 Ａ ＣＡ Ｍ公 司 Ｔ Ｄ Ｃ— ＧＰ ２的 下一 代 时 间数 字转 换 器 产 品 ， 因 其 良好 的性 能 ， 为 测 量激 光 脉 冲往返 时 间 提供 了 一个 较好 的解决 方 案 。 该 芯片 应 用 电路 简 单 ， 且 时 间测 量 的精 度 满 足实 际应 用 中 的需 求 。
《 工业控制计算机｝ ２ ０ １ ７年 第 ３ Ｏ卷 第 ６期
１ ２ ７
Ｔ Ｄ Ｃ — Ｇ Ｐ ２ １ 在激光测距中的应用
Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｔ ＤＣ－ＧＰ２ １ ｉ ｎ Ｐｕ ｌ ｓ ｅ ｄ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ Ｒａ ｎ ｇｉ ｎ ｇ
脉冲式激光测距方案。
保 证 。 实 际 工 作 过 程 中 的测 量 精 度 取 决 于 内部 电流 信 号 通 过 单 个逻 辑 门 的传 播 时 间 。
ＴＤＣ ＧＰ ２ １ 具有 两个测量范 围 ， 其 中测 量 范 围 １的 时 间 测
TDC-GP21在超声波热量表中的应用
TDC-GP21在超声波热量表中的应用前言相对于使用传统机械式的测量方法，超声波测量技术提供了一种无阻碍式的测量方法。
在这种技术的支持下，我们设计出的新一代超声波热量表没有了活动部件、电路更加的紧凑简单、功耗更低、精度更高。
而为超声波热量表市场量身定做的TDC-GP21 必将为你提供一个完美的解决方案。
关键字：TDC-GP21，时间数字转换器，超声波流量计，热量表，时间测量，低功耗超声波热量表的测量原理以使用较多的时差法超声波热能量表为例，通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。
再分别测出进出水的温度，通过求得差值获得温度系数。
将流量值和温度系数带入公式即可获得单位热量。
如图1 所示，超声波在静止流体中的传播速度用C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：其中包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。
由于顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的是一样的。
顺、逆流传播的时间差为：由此得到流体流速V 和瞬时流量Q 的计算公式（K 为流速分布修正系数）：再通过K 系数法，我们就可以得出热量E：德国ACAM 公司针对超声波热量表市场新推出的TDC-GP21 TDC-GP21 是德国ACAM 公司在TDC-GP2 的基础上发展的新一代产品。
除了具有TDC-GP2 所具有的高精度时间测量，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外，它还集成了施密特触发器，斩波稳定的内部比较器和模拟开关等特殊功能模块，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22ps 的精度，给超声波热量表的时差测量提供了一个完美的解决方案。
1、TDC-GP21 的技术核心——时间数字转换器（TDC）TDC—即时间数字转换器(Time-to-Digital Converter)，。
TDC_GP21中文数据手册
3
Time-to-Digital-Converter
TDC-GP21
4
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
TDC-GP21
1
概述
TDC-GP21为TDC-GP2的下一代升级产品.这颗芯片提供了对于TDC-GP2的管脚完全兼容的功能,
0.06
0.04
0,02% < 0.01%
0.012 0.0082
单位 Bit dB
%/V %/10 K
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
1-1
2-1 2-2 2-3 2-6 2-7 2-8
3-1 3-11 3-13 3-14
4-1 4-7 4-14 4-16
5-1 5-4 5-7 5-7
6-1
7-1
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
如果应用tdcgp21的模拟部分那么一个超声波热量表的典型测量功耗可以下降到22ua11特性测量范围2?单通道90ps典型精度?双精度模式45ps四精度模式22ps?测量范围500ns到4ms?2xclkhs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32khz振荡器500na?时钟标定单元?7x32位eeprom温度测量单元?2或4个传感器?pt500pt1000或者更高?集成的施密特触发器?应用外部施密特触发器为16位有效精度对于铂电阻来说0004c分辨率应用内部集成低噪声施密特触发器为17
TDC - GP21在超声波热量表中的应用
TDC - GP21在超声波热量表中的应用
梅彦平;张明君;王延平;李占英
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2012(000)002
【摘要】介绍了基于增强型高精度时间数字转换芯片TDC - GP21的超声波热量表的具体设计方案.流量测量采用超声波时差法原理,利用MSP430F4152单片机控制TDC - GP21进行超声波传播时间和流体温度差的测量,提高了系统的测量精度,大幅降低了系统的功耗和成本.通过流量标定,系统测量结果可达热量表行业标准2级表要求.
【总页数】3页(P37-39)
【作者】梅彦平;张明君;王延平;李占英
【作者单位】大连理工大学城市学院,辽宁大连116600;大连理工大学城市学院,辽宁大连116600;大连理工大学城市学院,辽宁大连116600;大连理工大学城市学院,辽宁大连116600
【正文语种】中文
【中图分类】TH81
【相关文献】
1.新型智能NB-IoT超声波热量表在供热计量中的应用 [J], 费战波;刘胜利;关保东;王保超;
2.智能IC卡干电池超声波热量表在供热分户计量中的应用 [J], 关保东;刘胜利
3.TDC-GP22在高精度超声波热量表中的应用 [J], 田海军;刘炜明;刘炜正;刘薇
4.应用TDC—GP21的户用超声波热量表设计 [J], 阮越广
5.时间数字转换技术在超声波热量表设计中的应用 [J], 张秀艳;崔永俊;张彬彬因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
TDC-GP21在激光测距中的应用
TDC-GP21在激光测距中的应用
陈超;叶桦;陈晓涛
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2017(30)6
【摘要】脉冲式激光测距,原理明晰,结构简洁,其测量精度主要取决于时间测量模块的精度,提高时间测量的精度,有利于提高测量距离的精度.以TDC-GP21作为时间测量芯片,该芯片利用逻辑门的延迟来实现高精度的时间测量,具有极高的分辨率,能够以较高的精度获得准确的脉冲往返时间,从而能够更为准确地计算出实际距离.详细论述了硬件电路中,TDC-GP21的外围电路以及工作方式,以及其内部的误差校验方式.在实际设计与实现过程中,针对不同量程,设置不同的阈值比较电压能较精确的测量出时间间隔.
【总页数】3页(P127-128,130)
【作者】陈超;叶桦;陈晓涛
【作者单位】东南大学自动化学院,江苏南京210096;东南大学自动化学院,江苏南京210096;东南大学自动化学院,江苏南京210096
【正文语种】中文
【相关文献】
1.便携式激光测距仪在架空电力线路测距中的应用 [J], 张慧兵
2.二氧化碳激光器在激光测距机中的应用研究 [J], 赵宇
3.风冷免调固体激光器在军用激光测距机中的应用 [J], 张兴民
4.免调试固体激光器在军用激光测距系统中的应用 [J], 程勇;王晓兵;孙斌
5.大气对532nm激光影响在漫反射激光测距中的应用 [J], 翟东升;伏红林;熊耀恒因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
TDC-GP21在超声波传播时间测量中的应用
图 １ 超 声 波 传 播 时 间 测 量 逻 辑 图
值 时的过零点 。 到首次 过零点 之间 的时间 间隔在 系统校 准
方 案采 用 Ｓ Ｔ Ｍ ３ ２ Ｆ １ ０ ３单 片 机 为主控 制 芯 片， Ｔ Ｄ Ｃ—Ｇ Ｐ ２ １ 高精度 计时芯片作 为超声 波传播 时 间测量 芯片 。系统 总框 图
ｚ ｅ ｒ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｅ ｎ ｈ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ， ａ ｎ ｄ ａ ｚ ｅ ｒ ｏ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ — ｔ ｏ ・ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌｉ ａ ｚ ｅ ｄ
１ １ ６ ０ ２ ３ ） （ 大 连理 工大 学电子科 学与技术 学院 ， 辽宁大连
摘要 ： 在超 声波应用中， 超 声波传播 时 间的测 量精度 非常 关键 。提 出了基 于 Ｓ Ｔ Ｍ ３ ２ Ｆ １ ０ ３单 片机和 Ｔ Ｄ Ｃ—Ｇ Ｐ ２ １芯 片 的超声 波传播时 间测量方案和一种提 高过零点检测精 度的测量原 理及 高信噪 比过零点选择 比较 电路 。 系统 实现 的 时间
０ 引 言
通过超声波传播 时间测 量厚度 、 距离、 流量 等应 用越 来越 广泛 ， 对超声波传播时 间测 量 的精 度要 求也 达到 了 ｎ ｓ 级 甚至
激励信号 阙值 电压
ｎ ｎ ｎ
ｐ ｓ 级。目 前 高精度时 间测量 方法 有电子计 数法 、 模 拟 内插 法 ，
时间线延迟法 （ Ｔ Ｄ Ｃ） 、 游标 法 、 幅度 一时间转换法 （ ｒ ｒ Ｖ ｃ ） 等… 。
新型无线低功耗超声波热能表的应用前景
新型无线低功耗超声波热能表的应用前景随着新能源集中供热系统的兴起分户计量计费制度开始实施，热能表计费计量方式的需求得到广泛应用。
针对传统热能表价格高昂、电路结构复杂、工作不可靠、测量精度差、采用有线式数据传输组网工作复杂等问题，系统利用ACMA公司生产的TDC-GP21高精度时间测量芯片作为热量测量器件、SI4432进行无线组网连接、STM8L152超低功耗单片机作为本系统的核心处理器，设计了一种新型无线低功耗超声波热能表。
该系统具有价格低廉、硬件结构设计简单、工作稳定可靠、测量精度高、无线组网容易等特点。
为新能源集中供热系统的分户计费仪表的研究提供了一定的参考价值。
随着新能源技术的发展，实现分户热量检测计费越来越重要，超声波热能表则作为新能源应用中必不可少的流量检测与热能计费工具。
超声波热能表不仅克服了传统涡轮式热能表受水质、流速、和水温等影响而导致无法精确测量、工作不稳定和工作寿命短等关键性问题。
超声波热能表是工业检测控制与生活环境中最为常用的一种流量与热量检测计量设备。
广泛应用于新能源、生活计量计费等控制环境中。
在热能表的实际应用中仪表的长期稳定可靠与低功耗和成本以及多设备组网连接方便等因素成为决定产品性能与质量的关键性因素。
因此根据这些特点设计了一款价格低廉、硬件结构设计简单、工作稳定可靠、测量精度高、低功耗的易组网无线超声波热能表。
本文设计了一种基于TDC-GP21和低功耗微控制器的低成本高精度无线超声波热能表测量电路系统，实现对水流量、热量、数据的远程发送功能，同时利用无线通信方式进行组网方便多设备的同时监测与使用，系统还加入设备部件故障报警提示，满足对故障的发现、排除的基本要求，整个无线超声波热能表具有测量精度高、远程实时传输、现场显示、使用时间长等优点。
实际运行结果表明：基于TDC-GP21的无线超声波热能表具有使用功耗极低，便携独立供电，测量精度高，工作稳定可靠等特点可直接应用在新能源中，以及需要进行热量、流量测量等其他场合进行使用，具有较高的推广价值及应用前景。
低功耗超声波热量表的设计与实现
低功耗超声波热量表的设计与实现郭银景;任现勇;郭登岭;刘志文【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2012(27)10【摘要】该文设计了一种低功耗高精度的超声波热量表.热量表采用MSP430作为MCU,使用时间测量芯片TDC-GP21来测量超声波前向和后向传播时间,利用热敏电阻PT1000测量进水口和出水口处温度.文中从硬件设计入手,探讨了热量表的组成原理,并基于该硬件设计了热量计算软件.实际测试结果表明,该热量表具有较高的计量精度和良好的稳定性.%The paper presents a design of low power high precision ultrasonic heat meters. The MSP430 was used as MCU of the heat meter,the time measurement chip TDC-GP21,a Time-to- Digital converter,was used to measure the ultrasonic upstream propagation time and downstream propagation time,the PT1000,a platinum thermistor,was used to measure the water temperature at inlet and outlet.lt starts with hardware design after investigating the principle of ultrasonic heat meters,and completes software programming based on the hardware design. Moreover,the accuracy and stability of the ultrasonic heat meters in paper can be verified by the actual test results.【总页数】5页(P8-12)【作者】郭银景;任现勇;郭登岭;刘志文【作者单位】山东科技大学信息与电气工程学院,青岛266590;山东科技大学信息与电气工程学院,青岛266590;中国石油冀东油田公司南堡油田公司,唐山063200;山东科技大学信息与电气工程学院,青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TH702【相关文献】1.智能超低功耗超声波热量表 [J], 李微2.低功耗高精度超声波热量表的设计与实现 [J], 高正中;郭金建;李世光;桑志峰;姚秀勇3.基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计 [J], 高正中;谭冲;赵联成;李凯旋;魏宁宁4.超声波热量表低功耗设计研究 [J], 阮越广5.基于STM32L152的低功耗超声波热量表的设计 [J], 刘振凯;姚骏;张露露;金裕坚;楼承云因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于TDC-GP21的超声波热量计量装置的设计
基于TDC-GP21的超声波热量计量装置的设计
孙敏
【期刊名称】《西安交通工程学院学术研究》
【年(卷),期】2022(7)2
【摘要】为解决目前供热采暖计量的问题,本文介绍了一-种高精度、低功耗、低成本的超声波热量计量装置的设计。
该装置以超低功耗单片机MSP430F4152为主控制器,采用高性能时间数字转换芯片TDC-GP21,利用时差法测量原理进行管道介质顺流、逆流时间的测量,并对进回水温度进行采集,通过CPU进行瞬时流量以及累积热量的计算,最终进行重要参数的显示、存储和远传。
相较于传统的热量计量装置,该装置在保证测量精度的基础上,避免了机械式结构零部件阻塞、老化的风险,提高了产品的使用寿命,同时由于其功耗低、生产工艺简单的特点,设计开发成本也远低于电磁式计量装置。
该装置除适用于民用采暖系统,还可广泛应用于石油、化工、电力等工业领域。
【总页数】5页(P47-51)
【作者】孙敏
【作者单位】西安交通工程学院机械与电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP873
【相关文献】
1.基于TDC-GP21的超声波液体流量测试系统设计
2.TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案
3.超声波旋涡热量表流量计量原理及优化设计
4.一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
5.一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
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一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
２ 硬件设计
（ ４ ）
顺流传播时间 ：
ｔ １一 Ｌ／ （ ｃ＋ ｖ ｓ ｉ ｎ ０ ）
２ ． １ Ｔ Ｄ Ｃ ＿ Ｇ Ｐ ２ １ 芯 片
逆流传播时间 ：
ｔ ２ 一Ｌ ／ （ ｃ —ｖ ｓ ｉ ｎ ０ ） （ ５ ）
流量 检 测 采用 德 国 Ａ Ｃ ＡＭ 公 司 的 时 间 数 字 转 换 芯 片
进 行测 量 ， 超声 波换 能器采 用 Ｖ 型安装 方式 。利 用低 功耗 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ 单 片机 的休 眠模 式等 方法 ， 大幅 降低 了测量 系统 的功 耗 。
关 键词 ： Ｔ Ｄ Ｃ — Ｇ Ｐ ２ １ ； 超 声波 ； 热量 表 ； 流量 ； 温度
０ 引 言
供 热取 暖逐 步采 用 分 户 计 量 模 式 ， 需 要 安 装 热 量 的 检 测 仪
Ｑ — Ｃｐ Ｏ ｒ ｐ ￣ ｑ 一 Ｃｐ ｜ ０ ｑ （ ２ ）
可 得 迭代 函数 为 ：
ｔ 汁 一ｔ ＋［ Ｒ ～Ｒ 。 （ １ ＋Ａ ＋Ｂ ｔ ） ］ ／ Ｒ ｏ （ Ａ＋ ２ ＆ ）（ １ ５ ） 式 中， ｔ 为温度值（ 第ｉ 次迭代 ） 。 采用的阻值测量方法原理 ： 不同阻值 的电阻连接 同一容值
Ｂ一 一５ ． ７ ７ ５ ×１ ０ ＿ ７ ／ ℃。
式中， Ｏ ｒ 、 为人 、 出 口水 温（ ℃） ； 为定压 比热容 ［ Ｊ ／ （ ｋ ｇ・ ℃） ］ ；
ｇ ｍ 为 热 水质 量 流量 （ ｋ ｇ ／ ｈ ） 。
由式（ １ ３ ） 对 铂 热 电阻 进 行 分 段 非 线 性 校 正 ， 可得 ：
ＴＤ Ｃ － ＧＰ ２ １ 来完成 ］ ， 原理是 逻辑 门电路延迟 信号 的传输 。集 成 电路工艺精确地决 定非 门的传输 时间 ， 求 出传输通过 非 门的
TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用
万方数据 万方数据２００９年第１期仪表技术·６１·从图４超声波接收波形来看，可以得到起振以后正弦波个数，各个正弦波的大致起止时间ｒ。
一ｒ。
，ｒ。
，一ｒ。
：。
ｙ。
和矿。
确定了接收波形的峰值范围，以此来确定两次收发过程波形的一致性，这给判断该次测量的可靠性提供依据。
根据两次过零点波形，分别对两次过比较阈值点时间的可靠性进行判断，确定ｒ．，～乙、瓦。
一叱各自对应过零点的位置。
在过零点波形分析中，要考虑在过零点处可能存在的噪声干扰引起的误触发波形。
根据第一个有效波形的上升过程和下降过程中两个比较阈值计算出的时间Ｌ。
，ｒ。
，％，ｒ。
：可以推算出对应正弦波的表达式Ｖ＝ａｓｉｎ（２矽＋９）。
求解出ｙ＝０时的时间便是所求的过零点疋．的值。
控制发送换能器反向发射超声波，同样也是发射相同的波形２次，根据以上的过程再做一次，求出在反向发射超声波时接收波在相同位置过零点的时间ｒ出的值。
ｒ。
一ｒ：。
的绝对值便是正反向超声波的时间差。
根据公式秒＝｝寻·÷笔便可以求出流体的流速，乘ｓｌｎ，￡仃上管道截面积就能算出流量了，公式为：ｑ。
＝∥·Ａ＝１ｒ·Ｄ２／４·秽＝Ｋ·砂式子中Ａ为管径节面积；Ｖ为流体流速；ｑ，为体积流量；Ｄ为管道内径。
４结束语超声波时间测量是超声波流量计当中的一个很重要的环节，因为超声波顺流和逆流的时差十分微小，测量时间的精度要求很高，测量时间的精度又直接影响到了流量计的精度，因此时间间隔测量在整个超声波流量计系统中占有非常重要的地位。
ＴＤＣ—ＧＰ２是一款高精度的时间测量芯片，它具有６５ｐｓ量级的时间间隔测量精度。
在超声波流量计时间测量系统中运用ＴＤＣ—ＧＰ２大大提高了超声波流量计的测量精度。
本文为实现ＴＤＣ—ＧＰ２在超声波流量计时间测量中的应用提供了一个技术方案，在实际流量测量中，还存在流量管道气泡杂质等影响，从而影响流量测量的精度，这是有待改进的。
基于TDC-GP21的激光测距设计
随着科学技术的快速发展，激光将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，激光波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，无庸置疑，未来的激光波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
若要距离分辨率 ≤30cm，则要求 ≤2×10-9s，即要求时标脉冲的频率最低为500MHz。距离测量的精度主要取决于发射激光脉冲的上升沿、接收通道的带宽、探测器的信噪比、时间间隔测量的分辨率等因素有关。
TOF（飞行时间）测距系统构成相对简单，因而获得了普遍的应用。军用的作用距离大于1km的测距机基本上全都是基于TOF的。当前，采用精密的时间间隔测量方法，脉冲飞行时间激光测距的单次测量精度可以达到厘米量级。为获得更高精度，可以采取多次测量平均的方法，但是这需要更长的测量时间，从而限制了它的应用范围。自触发脉冲飞行时间激光测距法，其原理利用激光接收单元的输出信号自行控制激光发射单元，进而触发激光脉冲向测距目标发射，即激光接收单元接收到激光脉冲之后，去触发激光发射单元产生下一个激光脉冲。激光脉冲的发射和接收是循环相关的。经过多个脉冲后，接收的这一周期信号经过周期测量再除以接收的周期数，从单个周期得到距离。实际上是对测量结果进行多次平均，从而提高精度。分析其原理可知，这种方法仅对静止目标有效，而且为了获得由距离而产生的测距周期信号，激光器会长时间的处于发射状态，就效率而言是相对较低的，同时，这也限制了触发脉冲飞行时间激光测距法只能在低功率激光器件上运用，从而其应用仅限于室内的短距离测量。
TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案
TDC-GP21完美适合超声波热量表的解决方案
朱登科
【期刊名称】《供热制冷》
【年(卷),期】2011(000)008
【摘要】从2009年开始,中国北方供热计量改革才真正进入快速推进时期。
未来几年,北方各地将加快供热计量改革的力度,按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的重点工作。
而超声波热量表由于其测量方式无接触部件、低压降、低能耗、高精度测量等优势,正在逐渐取代机械式热量表成为北方供热供暖计量方案的首选。
【总页数】2页(P32-33)
【作者】朱登科
【作者单位】德国acam公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU832.1
【相关文献】
1.基于TDC-GP21的超声波液体流量测试系统设计 [J], 任仁良;阮洪业
2.一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现 [J], 陈晔;王立辉
3.超声波时差法与TDC-GP21的风速风向传感器设计 [J], 丰颖; 张德胜
4.一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现 [J], 陈晔;王立辉
5.TDC-GP21的新型无线低功耗超声波热能表 [J], 余秋军;王梓龙;杜娟;金启刚
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嵌入式设计 低功耗超声波热量表的设计 精品
毕业设计（论文）低功耗超声波热量表的设计院别控制工程学院专业名称测控技术与仪器班级学号学生姓名指导教师超声波低功耗热量表摘要超声波热量表可实现非接触精确计量，非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关并且测量结果不受水质影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题，在诸如水量、热量等计量中有着广泛的应用。
本文设计一种用于城镇小区户用超声波热量表，主控芯片采用MSP430系列微功耗单片机，流量侦测采用超声波专用流量收发侦测芯片TDC-GP2芯片，外接超声波发射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发；依据时差法通过测量时差，得出热载体流速；再扩展相应的接口电路，经由单片机，通过编程对流速度处理实现流量的采集与处理。
进水与回水管道加装铂电阻温度传感器，通过测量进水与回水温度差及流量，根据K系数法或焓值差法计算出热量。
最后，利用M-Bus总线实现热量等数据的收发，然后通过lcd将热量显示在屏幕上。
关键字：超声波，低功耗，MSP430,TDC-GP2.Ultrasonic low power consumption heat meterAbstractNon-contact ultrasonic heat meter can achieve accurate measurement, non-contact flow measurement, instrumentation cost essentially nothing to do with the measured pipe diameter size and measurement results from water quality impacts, can be made of non-contact measuring instruments and portable, it can solve other types meters are difficult to measure corrosive, non-conductive, radioactive and explosive media flow measurement problems, such as water, heat, etc. has been widely used in the measurement.This design method for urban residential household ultrasonic heat meter, master chip power microcontroller MSP430 series, dedicated traffic flow detection using ultrasonic transceiver chip TDC-GP2 chip detection, external ultrasonic transmitter and receiver probe, along countercurrent flow with ultrasonic transceiver; basis by measuring the time difference difference method, draw heat carrier flow; further extend the corresponding interface circuit via microcontroller, programmable convection speed processing to achieve traffic acquisition and processing. Inlet and return pipe installation platinum resistance temperature sensor by measuring the water and return water temperature difference and the flow, according to the K-factor method or the enthalpy difference method to calculate the heat. Finally, the use of M-Bus data bus transceiver to achieve heat, etc., and then the heat through the lcd display on the screen.Keyword：ultrasonic wave，low power,MSP430,TDC-GP2.目录摘要 (I)目录 (III)1绪论 (1)1.1课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法 (1)1.1.1 研究的背景与意义 (1)1.1.2 国内外发展现状 (2)1.1.3 课题的研究内容 (5)2 流量温度热量测量 (6)2.1功能要求 (6)2.2系统构成 (6)2.3设计要求 (7)2.4流量测量 (7)2.4.1时差法超声波流量测量的基本原理 (7)2.4.2时差法超声波流量测量的特点 (10)2.4.3影响时差法测量精度的主要因素 (11)2.5超声波传播时间测量的实现 (11)2.5.1 TDC-GP2简介 (11)2.5.2 TDC-GP2时间测量的工作原理 (13)2.5.3 TDC-GP2的低功耗 (14)2.6温度测量 (14)2.6.1热电阻测温原理及实现 (15)2.6.2应用TDC-GP2测温 (18)2.6.3应用TDC-GP2测温的影响因素 (19)2.7热量测量 (19)3硬件电路设计 (22)3.1硬件设计综述 (22)3.2系统硬件结构设计及工作流程 (22)3.3单片机选型 (23)3.3.1单片机选型的要求 (24)3.3.2单片机的介绍 (25)3.4超声波流量测量模块 (25)3.5温度采集模块 (27)3.6LCD显示模块 (29)3.7键盘输入模块 (29)3.8时钟电路 (30)3.9微处理器与TDC-GP2的接口 (31)3.10M-BUS通信总线 (31)4软件电路设计 (33)4.1MSP430的编程语言和编译环境 (33)4.2软件的总体构成 (33)4.3系统主流程图 (34)4.4初始化模块 (35)4.5计算子程序 (38)4.6中断程序 (39)4.7时差测量模块 (39)4.7.1流量测量 (40)4.7.2 温度测量 (41)4.8键盘及显示模块 (42)结论与展望 (45)参考文献 (47)附录A 微控制电路原理图 (48)附录B 流量和温度采集电路原理图 (49)1绪论1.1 课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法1.1.1 研究的背景与意义热量表是测量、计算、并显示热交换系统所释放或吸收的热量量值的仪表。
浅议高精度定时器在新型超声波热能表中的应用
浅议高精度定时器在新型超声波热能表中的应用【摘要】热能表是用来检测热量的装置，通过流量和温度两种传感器分别测得热载体的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算才能得到热量值。
热量属于过程量，传统的测量方法对于过程计量本身就存在较大的难度，而且存在测量误差大，修正因素多等问题，因此很难完成温度的高精度测量，并且许多热量表的功耗很大，无法满足电池长期驱动的要求，限制了热表的应用。
对此，本文利用超声波的测量原理，根据时差法进行液体流速的计算，应用德国ACAM公司生产的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1实现了一种新型的超声波热计量表，并且在计量过程中充分考虑并解决了存在的非线性校正和温度补偿问题。
【关键词】超声波热能表；TDC-GP1；非线性校正；温度补偿１．超声波计量原理与TDC-GP1芯片时差法超声波热量检测是利用超声波在液体中顺流和逆流传输速度不同的原理实现液体流速计量的。
由液体流速计算公式可知，液体速度测量可以通过测量超声波在液体中逆向传输与顺向传输的时间差来间接测得。
由于超声波在液体中的传输速度很快，而且超声波热量计两个换能器之间的距离比较短，当液体低流速流动时超声波在液体中逆向传输与顺向传输的时差很小，这就要求定时器具有较高的时间分辨率。
德国ACAM公司生产的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1，可以提供两通道250ps或单通道125ps分辨率的时间间隔测量。
TPC-GP1具有两个检测通道，每个通道各有4个15位长度的数据寄存器，用于记录每个停止脉冲与开始脉冲之间的时间间隔。
内部还有8个无符号结果寄存器或4个有符号数据寄存器，通过16位字长数据运算器的计算，不仅可以把各个停止脉冲与开始脉冲的时间间隔存入数据寄存器，还可以把同一通道或不同通道的任意两个脉冲的时间间隔时间存入数据寄存器。
另外TDC-GP1具有RLC测量功能，可以直接把被测元件参数转换成与之参数对应的时间间隔，笔者所介绍的热量表正是应用TDG-GP1的特点制成的高精度、低功耗的超声波热量表。
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TDC-GP21 在超声波热量表中的应用方案
TDC-GP21 具有高精度的时间测量功能，分辨率达到 22ps，为时差法流量计的应用提供 了基本的测量保障；TDC-GP21 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；TDC-GP21 测量的低功耗特性使得流量计的整体功耗大幅降低， 为电池供电设备提供了优良的解决方案。 使用 TDC-GP21 的超声波流量计方案相对于使用分立元件或者 FPGA 的超声波流量计方 案，大大简化了硬件电路设计，只需搭配一颗低功耗 MCU，外加几个电阻电容就可完成控制 和时间测量回路的设计。该方案使电路设计得到简化的同时大大缩小了设备的 PCB 面积，使 设备的生产、维护也更加方便容易。
2、TDC-GP21 的特性
100% 功能 & 管脚 & 寄存器 与 TDC-GP2 兼容 (可 1:1 进行替换) 对于 TDC-GP2 的 bug 进行了纠正 增加了一些新的数字部分的功能 (最多可发 128 个驱动脉冲) 可选择精度最高可达 22ps 低功耗 32 kHz 晶振 (600nA) 更加高质量的温度测量单元 内部集成温度测量施密特触发器 超低静态功耗: 0.005 µ A (typ.) 整个测量流程由 GP21 控制，无须复杂单片机控制 可选择部分: 对于超声波热量表所需要的完整的模拟部分 内部集成斩波稳定的内部低噪声比较器(<1mV 漂移) 内部集成低串扰的模拟开关
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TDC-GP21 是德国 ACAM 公司在 TDC-GP2 的基础上发展的新一代产品。除了具有 TDC-GP2 所具有的高精度时间测量，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控 制等功能外， 它还集成了施密特触发器， 斩波稳定的内部比较器和模拟开关等特殊功能模块， 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 22ps 的精度，给超声波热量表的时差测量提供了一 个完美的解决方案。
结语
超声波原理的流量计将是未来流量计的发展方向，TDC-GP21 为超声波流量计提供了最 高集成度、最高测量精度、最低功耗的解决方案。基于测流量原理的户用超声波热量表在北 方城市开始大面积推广，TDC-GP21 已在其中得到了广泛应用。
世强电讯为以上方案提供：完整可行的软件、原理图、PCB 示例，技术支持。
高精度、低功耗芯片 TDC-GP21 在超声波热量表中的应用
——超声波热量表的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ美解决方案
陈刚 应用工程师 世强电讯
关键字：TDC-GP21，时间数字转换器，超声波流量计，热量表，时间测量，低功耗
前言
相对于使用传统机械式的测量方法，超声波测量技术提供了一种无阻碍式的测量方法。 在这种技术的支持下， 我们设计出的新一代超声波热量表没有了活动部件、电路更加的紧凑 简单、功耗更低、精度更高。而为超声波热量表市场量身定做的 TDC-GP21 必将为你提供一 个完美的解决方案。
图 2 显示了这种测量绝对时间 TDC 的主要构架。芯片上的智能电路结构、担保电路和 特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。 芯片能获得的最高测量精 度基本上由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间决定。 测量单元由 START 信号触发， 接收到 STOP 信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计 数器的计数值可以计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔， 测量范围可达 20 位。 在 3.3V 和 25 ℃时 ,GP21 的最小分辨率是 22ps。 温度和电压对门电路的传播延迟时间有很大 的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。
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TDC-GP21 还带有两路温度测量功能，可直接接 PT1000 或 PT500 热电阻进行温度测量， 这为热量表的应用提供了集成化的解决方案。
图 3：超声波热量表应用框图
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如图 1 所示， 超声波在静止流体中的传播速度用 C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别 为：
T顺流 Toffset L (C V * cos )
T逆流 Toffset L (C V * cos )
超声波热量表的测量原理
以使用较多的时差法超声波热能量表为例， 通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的 传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速， 进而得到对应的流量值。再分别测出进出水的温度，通过求得差值获得温度系数。将流量值 和温度系数带入公式即可获得单位热量。
由此得到流体流速 V 和瞬时流量 Q 的计算公式（K 为流速分布修正系数） ：
（ 3）
V T * C 2 ( 2 L * cos ) Q K * * D 2 * V 4
再通过 K 系数法，我们就可以得出热量 E：
（ 4） （ 5）
德国 ACAM 公司针对超声波热量表市场新推出的 TDC-GP21
致性，顺、逆流的 T offset 是一样的。顺、逆流传播的时间差为：
（ 1） （2）
其中 T offset 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。由于顺流和逆流路径的一
T T逆流 T顺流 2 VL * cos （C 2 - V 2 cos 2 ） 2 VL * cos C 2
1、TDC-GP21 的技术核心——时间数字转换器（TDC）
TDC—即时间数字转换器 (Time-to- Digital Converter) ， 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。
图 2 TDC 时间测量单元
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