1 高精度测时芯片TDC-GP2
1.1 芯片简介
TDC-GP2是ACAM公司推出的新款时间数字转化器件。它具有高精度小封装低功耗的特点，尤其适合于低成本的工业应用领域。GP2具有高速脉冲发生器，停止信号使能，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。它有两个测量范围，可以使时间的测量精度达到ps级。TDC-GP2是32脚封装，它的核心电压为1.8～3.6V，输入输出电压为1.8～5.5V。通过4线的SPI可以和单片机相连，把TDC-GP2当作单片机的外围设备使用。此外，它还具有最大1MHz的连续数据输出率；时钟校准单元；精确停止脉冲使能窗口；上升沿/下降沿单独触发或者上升沿和下降沿同时触发等。
1.2 功能描述
（1）测量范围1
测量范围1的特点是：两个stop通道共用一个start通道，每个通道的典型分辨率50ps，最低有效位为65ps，间隔脉冲对的分辨能力15ns，每个stop通道都可以进行4次采样，测量范围是2ns～1.8ns，每个通道都可以选择上升沿或者下降沿触发，ENABLE引脚提供强大的stop信号使能功能可测量任意两个信号之间的时差。
（2）测量范围2
测量范围2的特点是：只有一个stop通道对应start通道，典型的分辨率为50ps，间隔脉冲对的分辨率为2×Tref，有3次采样能力，测量范围：2×Tref～4ms，可选上升/下降沿触发。
（3）脉冲发生器
触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列。高速振荡器频率用作基本频率，这个频率在内部被倍频，它还可以自由地除以因子2～15进行分频。可以产生1～15个脉冲序列，每个脉冲序列都可通过设置寄存器来调节其相位。通过发送代码Start_Cycle来激活触发脉冲发生器，触发脉冲发生器提供两个输出结果，Fire1和Fire2，每个输出在5V时的驱动能力是48mA。这两个输出的驱动能力可以同时增加到96mA。此外，每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍。输出管脚能被单独地设置为高阻态。
2 TDC-GP2外围的硬件设计
图1为TDC-GP2外围电路图，在整个TDC-GP2外围系统中，需要用到2个晶振。TDC-GP2首先需要一个2～8MHz的高速时钟进行校准用。在测量范围2中TDC-GP2还需要高速时钟信号作为时间测量单元的一部分。此外TDC-GP2需要一个32.768kHz的基准时钟来控制高速时钟和进行时钟校准用。
图1 TDC-GP2外围电路图
微控制器采用新华龙电子有限公司的C8051F410单片机，有32个引脚，是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU芯片。它的主要特性有：高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达50MIPS）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；真12位200ksps的24通道ADC，带模拟多路器；两个12位电流输出DAC；高精度可编程的24.5MHz内部振荡器；32KB的片内FLASH存储器；2304字节片内RAM；硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口等。
TDC-GP2与C8051F410的连接通过TDC-GP2上的SPI接口来实现。串行接口与4线SPI标准接口兼容，需要一个SerialSelectNot(SSN），不能作为3线接口使用。SSN-SPI从机选择，SCK-SPI时钟，SI-SPI数据输入，SO-SPI数据输出。如图2所示。
图2 TDC-GP2与C8051F410的连接原理图
3 超声波流量计时间测量部分设计方案
设计方案采用在同方向上多次发射及接收超声波，每次采用不同的比较阈值来确定接收波的起始点位置。首先是发送超声波过程一，由CPU控制发送换能器发射超声波，发射的波形为正弦波，频率为0.5MHz～1MHz。开启TDC精确计时，工作在方式2。开启CPU内部定时器计时。接收段开启AD转换，确定噪声幅值。启动过零比较，使用CPU定时器记录每个脉冲过零点的上升沿和下降沿的时间Taz1～Tazn。根据AD转换得到的噪声幅值，确定过程一的比较阈值Vda，并由DA输出到比较器。TDC及时记录每次过比较阈值Vda的时间。TDC在方式2只能记录4个时间数据Ta1～Ta4。
然后是发送超声波过程二，其过程与发送超声波过程一相同，但是记录下不同的数据。CPU定时器记录每个脉冲过零点的上升沿和下降沿的时间Tbz1～Tbzn，过程二的比较阈值为Vdb，TDC在方式2记录每次过比较阈值Vdb的4个时间数据Tb1～Tb4。
系统硬件结构如图3所示。Vina和Vinb接单片机内部的比较器，设定两个较高的电压值Va和Vb，用来确定两次收发过程波形的一致性。输入信号通过Vinc作过零比较，确定过零点时间Tz1～Tzn。输入信号通过Vind与比较阈值Vda或Vdb作比较，确定过比较阈值时间Tan和Tbn。
图3 时间测量模块硬件结构图
接收到超声波的波形如图4所示。
图4 超声波接收波形
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Taz1～Tazn，Tbz1～Tbzn。Va和Vb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Ta1～Ta4、Tb1～Tb4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Ta1，Tb1，Ta2，Tb2可以推算出对应正弦波的表达式V=asin（2πft+φ）。求解出V=0时的时间便是所求的过零点Tza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Tzb的值。Tza-Tzb的绝对值便是正反向超声波的时间差。根据公式便可以求出流体的流速，乘上管道截面积就能算出流量了，公式为：
式子中A为管径节面积；v为流体流速；qv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。
参考文献：
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