节能方案之：高性价比智能超声波水表设计

节能方案之：高性价比智能超声波水表设计

来源：ictry样片申请网

“北京遇到西雅图”成就了一段美好的爱情，而当时间数字转换器TDC-GP22遇到超低功耗ARM CortexM3 MCU又会产生怎样的火花呢？答案是：可成就传统机械水表向智能超声波水表技术的飞跃！模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）听的多了，时间数字转换器（TDC——Timer Digital Converter）是什么原理的器件？为什么是ARM CortexM3，而不是M0、M4? 还有，超声波水表这种创新产品形式是否到了大规模商用阶段呢？

好奇心总是会驱使我们去探索事物的本质，想知道智能超声波水表有何突破创新之处？TDC-GP22在其中起到何种关键作用，ARM CortexM3 MCU如何在超低功耗突破方面再助一臂之力？本文将介绍TDC-GP22在智能超声波水表中起到何种关键作用，ARM CortexM3 MCU如何在超低功耗突破方面再助一臂之力？

水表技术的创新发展是实现智能测量的重要武器

“当智能电表在电力系统中如火如荼地发展之时，水表也在朝向智能化、全电子的方向快速发展。这一方面因为全球水资源的短缺迫使政府重视节水和水量控制，另一方面也源于现代工业技术的发展成熟使得智能水表的实现成为可能。”世强先进公司华南区技术主管陈刚先生强调说，“能满足阶梯计价的智能式水表将会成为建设节水型社会一大利器！”

水表技术的创新发展是实现用水智能测量的重要武器。超声波水表是采用超声波时差原理，采用工业级电子元器件制造而成的全电子水表。利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过检测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的这种间接测量方法——超声波测量，使智能水表变为现实。

图1. 超声波时差法测量原理示意图。

与传统机械式水表相比较，精度高、可靠性好、量程比宽、寿命长、无活动部件、任意角度安装、更换非常灵活等都是超声波水表所具有的重要优势：

·精度高：测量的分辨率高；

·可靠性好：超声波回波测量稳定可靠；

·量程比宽：始动流量非常小（< 2 L/h），微小变化可以获知；

·寿命长：尽管测量速度很快，但可以拥有非常长的使用寿命；

·无活动部件：不影响流体特性，测量性能更加优越；

·更换非常灵活：更换非常简单，无需断管网。

有研究数据显示，在欧洲以及世界一些地区：大口径工业水表和小口径民用水表，都已经开始朝超声波方向发展。欧洲一些著名的表计公司在欧洲的项目开发工作中已经开始或者已经量产，超声波水表潜力巨大(市场潜力：>10Mio./年)。

在中国，超声波测量方式已经在热量表和流量计当中得到普遍的应用和验证。由于超声波方式的优势，以及测量超声波电路的不断发展和完善，智能水表也将向这种方式发展。国家住建部标准定额司相关单位委托行业领军企业牵头组织起草的“超声波水表”国家标准已经基本完成。

超声波水表革命的关键部件——TDC-GP22

德国Acam公司的测量芯片在超声波测量上已得到普遍认可和采用。回到文章开头提到的时间数字转换器TDC-GP22，它是Acam公司利用纯数字化CMOS 技术生产的时间数字转换器，能将时间间隔的测量量化到22ps 的精度，可以说天生就肩负了推动智能超声波技术变革的使命。

图2. TDC-GP22——智能超声波水表应用的高集成度测量芯片。

其实，Acam公司的第一颗TDC芯片TDC-GP1早在1996年就已经投入市场，在超声波流量计中得到了广泛的应用。该公司在2005年推出了高性价比的TDC-GP2芯片，在超

声波热量表市场中建立了良好的基础。到了2011年初其TDC-GP21芯片问世，专门针对超声波热量电路设计。有了前面这些阶段的技术验证和市场积累，2011年底，Acam专门为水表特定的功能更强大的芯片TDC-GP22正式进入市场。

原理及性能

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。

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 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ictry样片申请上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？

本文来源：ictry样片申请网（https://www.wendangku.net/doc/f519211701.html,）

超声波水表使用手册

超声波水表使用手册

感谢选用TPP-70SW系列超声波水表。 TPP-70SW系列超声波水表是基于超声波时差法原理设计而成的性能卓越的超声波测流产品。 本公司对TPP-70SW系列超声波水表拥有完整的、独立的知识产权。 使用过程中如有任何问题，欢迎来电来函。

执行标准： 生产标准：中华人民共和国国家标准GB/T778-2007《封闭满管道中水流量的测量，饮用冷水水表和热水水表》 检定标准：中华人民共和国国家计量检定规程JJG162-2009《冷水水表》 重要提示： 1、使用前请详尽阅读使用手册，并妥善保管使用手册，以备查阅； 2、本产品为精密测量仪器，在安装与使用过程中尽量远离干扰源，选择合理的安装位置，并避免严重撞击、碰撞； 3、本产品出厂前均经过严格的质量检测，严禁非规范性操作或私自拆卸，否则后果自负； 4、显示图案、提示等均为窗口操作提示，并不能作为产品检定依据； 5、产品检定，请选择符合国家计量要求，正规的流量检定装置，并严格按照规范操作； 6、TPP-70SW会不定期进行升级，产品实际功能与本手册不一致时，请以实际产品为准或向厂家咨询； 7、出现错误提示时，请及时联系厂家或经销商，否则会造成流量损失。

一、产品特点： 专门用于小区分户或其它场所的小口径用水的精准计量； 最小可测流速仅为0.003m/s,真正实现滴水计量； 可实现正反流量的双向计量； 双行同屏显示，完整的提示功能，方便查询、诊断； 机身可自由近360度旋转，方便用户查阅； 小体积微功耗设计，实际使用寿命10年以上； 优良的线性度，在满量程范围内，线性一致，无须多点校正；完美的软件扩展功能，可满足不同用户的定制要求； 多种计量单位可选，满足不同国家的用户需求； 二、产品外形尺寸

超声波水表要点详解

超声波水表要点详解 水表相信大家都不陌生，它记录通过记录显示我们日常用水量计算水费支出。但是传统的水表由于计算的精确性及本身质量经不起外界考验正被逐渐淘汰。与此同时，很多现代的高质量水表面世，其中就包括超声波水表，你了解超声波水表吗？接下来跟着小编一起看看吧。 一、什么是超声波水表？ 超声波水表是通过检测超声波声束在水中顺流逆流传播时因速度发生变化而产生的时差，分析处理得出水的流速从而进一步积算出水的流量的一种新式水表。 具有优秀的小流量检测能力，能解决众多传统水表的问题，更加适合水费梯度收费，更加适合水资源的节约和合理利用，具有广阔的市场和使用前景。

二、超声波水表检定规程是怎样的? 1、组成和现状 目前有效版本的水表检定规程为JJGl62-1985《水表及其试验装置》、JJG258—1988《水平螺翼式水表》、JJG585—1989《高压水表》和JJG686—1990《热水表》。四个规程中以JJGl62—1985《水表及其试验装置》具有代表性，与84版的水表国家标准GB778—1984《公称口径15～40mm旋翼式冷水水表》内容协调一致，但由于起草年份较早又因故未能及时修订，在术语、符号和个别技术参数等方面已与其它水表技术文件不一致。水表国家标准于1996年等效或等同采用了国际标准进行了修订。带电子装置水表等新品种的不断出现也增加了现有的水表技术法规修改和补充的必要性。

2、改动趋势 考虑到热水表的检定装置、方法与冷水水表有着较大的区别，热水表的检定规程仍单独制定。我国新的水表国家检定规程等效采用国际建议R49—1：2000(E)，已完成修订工作。按照全国流量容量计量技术委员会1998年制定的流量规程体系表，JJGl62—1985中“水表试验装置”的相关要求和检定方法内容归人JJGl64—2000《液体流量标准装置》中进行表达，新的水表检定规程的修订将包括JJGl62—1985中的“水表”部分、JJG258—1988《水平螺翼式水表》和JJG585—1989《高压水表》。考虑到热水表的检定装置、方法与冷水水表有着较大的区别，热水表的检定规程仍单独制定。

浅析超声波水表流量校准方法

浅析超声波水表流量校准方法 超声波水表以其高准确度、低始动流量、压损小、量程比宽等特点迅速在供水行业中得到广泛使用，随着超声测流技术的不断进步，超声波水表的技术也在不断发展。尤其在2013年超声波水表国家标准制定完成后，各个公司更是掀起了超声波水表研发热潮。超声波水表研发入门容易，但是一个公司从研发到量产高质量符合国家标准的超声波水表需要较长的研发周期。 本文主要介绍深圳市世强先进科技有限公司技术中心超声波水表研发团队根据长期摸索，如何实现超声波水表流量校准的。 1、世强超声波水表方案框图 EFM32G840F64+GP22超声波水表方案功耗低，外围元器件少，友好的软件开发环境等优势使该方案逐渐成为国内超声波水表研发的主流方案。目前国内已经有十几家水表公司采用这个方案。结构框图见图1。 图1 超声波水表结构框图 2、超声波水表流量校准方法 以校准一个流量点为例进行介绍。 首先实验获得批量生产样表的基础数据。 以20口径超声波水表为例，校准2500升/小时流量点，每10秒钟约走水6.94升。

实验获得在约2500升/小时流速时，飞行时间差为2微秒，这样，在这次批量生产的表中预设一组数据：2微秒，6.94升。然后开始生产校准，约2500升/小时的流速，校准用水大约65升左右，耗时约94秒。校准过程中，EFM32G840F64每10秒钟累计流量增加6.94升，直到校准完成，不足10秒按百分比累计流量。在校准过程中，EFM32G840F64也一直在计算飞行时间差的平均值。 校准过程结束后，EFM32G840F64首先记下平均飞行时间差，这个时间差就是这块表在约2500升/小时流速时的平均飞行时间差（实际的水流速度可能不是2500升/小时，因为很难精确的调到这个流速，再者流速一直在抖动，但是飞行时间差和流速是局部线性的，允许有偏差）。EFM32G840F64再通过串口从上位机得到实际累计了多少流量，实际标准流量除以EFM32G840F64校准时间内累计的流量，这个比例系数乘以6.94，就是这块表在约2500升/小时的流速时每10秒实际应该累计的流量。 至此，得到了约2500升/小时流速时的一组实际数据：实际飞行时间差，实际每10秒累计流量。再一次测试这个流速下的数据时，以这组数据为准，超声波水表精度就已经很高了。 3、结论 世强技术中心超声波水表研发团队在充分利用EFM32G840F64和GP22芯片性能优势的基础上，经过近5年的实验，成功开发出低功耗超声波滴水表。 应用这种校准方法，客户在量产的过程中，超声波水表校准完成后，再进行复测，合格率高达98%以上。

超声波水表培训总结及预结问题

一、培训总结 1、水表 超声波水表严格安装GB/T 778-2007标准及JJG 162-2009冷水水表检定规程制定，各种技术参数均满足标准要求。这是一种计量水流量的计量仪表，主要用于水费收取。 流量计多用于工业检测控制，水表多用于水的计量贸易；我公司水表产品T3-1也可用于工业控制。 超声波水表的工作原理： 在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算出流量。超声波在水中的传播速度为1440m/s，这是一种能量高，有方向性，穿透力强，稳定的光速。时差原理：利用一对或多对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波。 精度保证：采用双声道，管道分层独立测量，充分满足流体力学，每秒1次为一个测量周期，每个周期两个声道分别采集128次数据。制作及出厂前，采用全自动标定台，多点标定折线系数标定，保证测量精度。满足标准高区5%，低区2% 。 2、水表的相关知识点 流量：流过水表的实际水体积与该体积流过水表的所用时间之商。 最大允许误差：GB/T778的本部分允许的水表相对示值误差的极限值。（误差计算公式：（实际值-测量值）/实际值） 始动流量：水表开始计量的最小流量（精度不做要求）。 最小流量Q1：要求水表示值在符合最大允许误差的的最低流量。 分界流量Q2：Q3与Q1之间，将流量划分为低区和高区，Q2：Q1=1.6。 常用流量Q3：额定工作条件下的最大流量。在此流量下水表应能正常工作，而且误差符合最大允许要求。 过载流量Q4：短时间应该符合国标要求，随后在额定条件下能保持计量特性的最大流量。Q4：Q3=1.25。 量程比：最大测量围和最小测量围之比，用字母R表示，R=Q3：Q1。量程比越大，水表的测量围就越大。按照GB/T778-2007，量程比是确定的，通常，水表的量程比为：25、40、63、80、100、160、200。 最大允许误差：低区的最大允许误差 水温在额定工作条件规定围以时，以最小流量（Q1）与分界流量（Q2）（不包括Q2）之间的流量排出的体积的最大允许误差为±5%。 高区的最大允许误差 以分界流量（Q2）（包括Q2）与过载流量（Q4）之间的流量排出的体积的最大允许误差；——水温≤30℃时为2%； ——水温＞30℃时为±3%。 3、道盛的双声道超声波水表 1、性能优势 1）、始动流量低，可避免小流量不计量，增加水费收入。 2）、测量精度高，是水费收入准确的可靠保证。 3）、量程比宽，适用不同用水量的各种用户，也适用于用水高低峰明显较大的用户。 4）、通讯方便，输出信号种类多，方便网络监控，计算机管理，提高工作效率。 5）、无阻流元件，适用于多种水质，可长期保证测量精度，整机可靠性高。 6）、自带电池供电，至少适用寿命6年，整体及各个部件全部IP68处理，使用长久。 7）、可通过手抄器直接读取水表信息，无需人工下井抄表。 8）、压力损耗低，仅10kPa，工作环境要求低。

超声水表说明书-中性

超声波水表 使 用 说 明 书

二、特点 1、欠电压报警。 2、自动数据纠错技术。 3、温度传感器断路和短路报警。 4、流量传感器故障报警。 5、高清晰度宽温度型LCD 显示。 6、量程比宽。 7、一节锂电池供电可确保使用6+1年以上。 8、具备光电接口，采用红外抄表工具可以实现现场抄表。 9、具备M-BUS 通信接口。 三、使用方法 1、本表采用菜单操作方式对表的工作状态及显示内容按需要可通过面板上的操作按键进行操作。 操作与显示由4份菜单组成 表示长按按键大于2S 框内分别为 1) 主菜单 即正常使用时的状况 2) 故障菜单【E 】 3) 信息菜单【I 】 4) 检测程序【F 】 平时待机状态时显示屏关闭，短按按键可以将电路板从待机状态唤醒，显示屏亮，进入主菜单，主菜单直接用累积流量表示。如上图所示，长按可切换菜单目录，找到需要查看的菜单，再按照各菜单的操作图，查阅相关的内容。超过3分钟不操作，显示屏自动回到主菜单页面（检测菜单【F 】下各项除外），且屏幕关闭。 主菜单 xxxxx.xxx m 3 【E 】 【I 】 【F 】

主菜单 短按小于2秒 长按大于2秒 累积 流量 XXXXX.XXX m 3 流量 XX.XXX m 3/h ℃ XX.XX 累积 XXXXXXXX h DN20 X.X.X.X.X.XXX 瞬时流量 工作时间 规格 全屏显示 水温

故障显示操作菜单【E 】 短按小于2秒 长按大于2秒 空管故障 发生日期(年月日) 【E 】 1 XX.XX.XX 报警 2 XX.XX.XX 报警 电池故障 发生日期(年月日) 3 XX.XX.XX 报警 逆流故障 发生日期(年月日) 4 XX.XX.XX 报警 超量程 发生日期(年月日) 水温故障 发生日期(年月日) 累积 1 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 2 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 3 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 4 XXXXXXX h 故障累积时间 累积 5 XXXXXXX h EE 故障 发生日期(年月日) 累积 6 XXXXXXX h 5 XX.XX.XX 报警 6 XX.XX.XX 报警 7 XX.XX.XX 报警 换能器故障 进水端 发生日期(年月日) 换能器故障 出水端 发生日期(年月日) 8 XX.XX.XX 报警 累积 7 XXXXXXX h 累积 8 XXXXXXX h

超声波水表培训总结及预结问题

，、培训总结 1、水表 超声波水表严格安装GB/T 778-2007标准及JJG 162-200舲水水表检定规程制定，各种技术参数均满足标准要求。这是一种计量水流量的计量仪表，主要用于水费收取。 流量计多用于工业检测控制，水表多用于水的计量贸易；我公司水表产品T3-1也可用于工业控制。 超声波水表的工作原理： 在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算出流量。 超声波在水中的传播速度为1440m/s，这是一种能量高，有方向性，穿透力 强，稳定的光速。 时差原理：利用一对或多对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波。 精度保证：采用双声道，管道分层独立测量，充分满足流体力学，每秒1次为一个测量周期，每个周期两个声道分别采集128次数据。制作及出厂前，采用全自动标定台，多点标定折线系数标定，保证测量精度。满足标准高区5%,低 区2%。 2、水表的相关知识点 流量：流过水表的实际水体积与该体积流过水表的所用时间之商。 最大允许误差：GB/T778的本部分允许的水表相对示值误差的极限值。（误差计算公式：（实际值-测量值）/实际值） 始动流量：水表开始计量的最小流量（精度不做要求）。 最小流量Q1 :要求水表示值在符合最大允许误差的的最低流量。

分界流量Q2: Q3与Q1之间，将流量划分为低区和高区，Q2: Q仁1 6。 常用流量Q3:额定工作条件下的最大流量。在此流量下水表应能正常工作，而且误差符合最大允许要求。 过载流量Q4：短时间内应该符合国标要求，随后在额定条件下能保持计量特性的最大流量。Q4：Q3=1 5。 量程比：最大测量范围和最小测量范围之比，用字母R表示，R=Q3: 1。量程比越大，水表的测量范围就越大。按照GB/T778-2007,量程比是确 定的，通常，水表的量程比为 5、 0、 3、 0、 0、 0、 0。 最大允许误差：低区的最大允许误差 水温在额定工作条件规定范围以内时，以最小流量（Q1）与分界流量 （Q2） （不包括Q2）之间的流量排出的体积的最大允许误差为士5%

WATER,METER(超声波水表)

CUTE series Ultrasonic water meter: Product Description: The ultrasonic watr meter is used to measure, storage and display the water flow, the wireless remote series with special function to adapt the complicated install surroundings and battery power supply, the advantage is data transimission stable, long communication distance and strong signal penetration, expand the wireless application. Product Features： 1. Comply with the national standard GB/T 778 , verification regulation 《JJG162-2009 cold water meter》and industrial standard《CJ/T 434-2013 ultrasonic water meter》; 2. The leading super high range ratio 400:1; 3. No moving parts, no attrition, the life cycle will not affect the measuring accuracy; 4. Low power consumption, the standby current less than 6uA; 5. With the MBUS, infrared and wireless interface, can be controlled by remote transmission and management; 6. Protection level: IP68，suitable for the indoor humid environment; 7. Can be horizonal and vertical installation easily