Простота и точность - ультразвуковой измеритель потока TDC-GP30-F01

Популярность бесконтактных ультразвуковых счетчиков потребления (воды, газа, тепла и т. д.) постоянно растет. При создании таких измерителей перед разработчиком стоит вопрос о выборе элементной базы. Это непростая задача, так как на рынке электронных компонентов существует значительное количество разнообразных специализированных микросхем. В таких условиях важным фактором выбора становится простота использования конкретной ИС. Новый измеритель потока и температуры TDC-GP30-F01 от компании ams требует всего нескольких внешних компонентов. Он отличается наличием интегрированных драйверов ультразвуковых трансдьюсеров, драйверов датчиков температуры, 32-битным процессором и встроенной фирменной библиотекой измерения потока, температуры и напряжения.

Рис. 1.	Решения для ультразвукового измерения скорости потока от ams.

Основными потенциальными преимуществами ультразвуковых счетчиков над механическими аналогами являются: больший срок службы (из-за отсутствия механических подвижных крыльчаток), минимальное снижение точности измерения при длительной эксплуатации, малые габариты, высокая энергетическая эффективность (возможность работы более 10 лет от одного элемента питания).

Принцип работы ультразвукового счетчика достаточно прост. Он основывается на измерении времени распространения ультразвука в потоке жидкости. Простейшая измерительная система, представленная на Рис. 2, состоит из двух ультразвуковых трансдьюсеров, отражателей (рефлекторов) ультразвука, трубы известного сечения. Определение скорости потока производится за два шага. На первом этапе измеряется время распространения прямого излучения. При этом первый трансдьюсер (US_UP) выступает в качестве излучателя, а второй трансдьюсер (US_DOWN) в качестве приемника. На втором этапе трансдьюсеры меняются ролями, и происходит замер времени распространения обратного ультразвукового излучения. Зная разность времени распространения прямого и обратного излучения, а также длину пути, можно определить скорость потока. Используя известное сечение трубы, легко определить и объем потока с помощью интегрирования результатов измерения.

Рис. 2.	Принцип ультразвукового измерения скорости потока.

Для создания счетчика тепла потребуется дополнительно пара датчиков температуры. Один из них размещается на входе отопительной системы и используется для измерения температуры входного потока жидкости. Второй датчик ставится на выходе и предоставляет данные о температуре выходного потока. Вычислив объем потока и снижение температуры при теплообмене, без труда можно определить объем отданного тепла.

Из вышесказанного можно сделать вывод о необходимом минимальном перечне компонентов в электронной измерительной части счетчика: пара драйверов трансдьюсеров, пара драйверов для датчиков температуры, схема тактирования и питания, цифровой таймер, микропроцессор для обработки результатов измерений. Как видно, схема оказывается достаточно сложной. Однако жизнь разработчику может упростить использование интегральных решений. Одним из них является микросхема TDC-GP30-F01 от компании acam (входит в состав ams AG).

TDC-GP30-F01 – готовое решение со встроенными драйверами трансдьюсеров, драйверами датчиков температуры, 32-битным вычислительным микропроцессорным ядром, системой тактирования и питания. При этом ключевой особенностью микросхемы является интегрированная фирменная библиотека обработки потока измеренных данных и формирования выходных данных потока, температуры, напряжения питания. Высокая степень интеграции позволяет уместить все перечисленные блоки в миниатюрных корпусах QFN32 и QFN40.

Рис. 3.	Блок схема TDC-GP30-F01.

Использование TDC-GP30-F01 позволит разработчикам максимально упростить электронную схему, которая кроме микросхемы потребует только датчиков, несколько пассивных компонентов и элемент питания.

В простейшем случае, когда не требуется отображение показаний счетчика и используется портативный считыватель, внешний процессор вообще не потребуется. Он будет необходим только для управления ЖК-дисплеем, например, для бытовых счетчиков. Если же будет использоваться беспроводное считывание информации, то внешний контроллер будет обеспечивать функцию радиообмена.

Более того, TDC-GP30-F01 имеет импульсный выход, что позволяет применять его в качестве прямой замены в уже существующих схемах измерителей с барабанным счетчиком.

Взаимодействие с внешним микроконтроллером или считывателем показаний осуществляется с помощью стандартных интерфейсов SPI или UART.

TDC-GP30-F01 отличается высокой точностью измерений. Частота выборок составляет от 8 до 80 Гц. Это позволяет легко обеспечить точность вплоть до 0.5 л/час!

Еще одним достоинством TDC-GP30-F01 является и минимальное потребление. Например, при минимальной частоте опроса 8 Гц ток потребления составит 8.5 мкА, что позволит работать до 20 лет от одной литиевой AA батарейки.

Для быстрого ознакомления с возможностями микросхемы следует воспользоваться отладочным набором GP30-DEV-KIT (Рис. 4). Его основным элементом является отладочная плата GP30-DEMO-PCB, которая включает микросхему TDC-GP30, необходимые пассивные компоненты, площадки для подключения датчиков, разъем для подключения преобразователя USB-SPI/UART (PICOPROG V3.0).

Преобразователь PICOPROG V3.0 используется для связи с ПК и также входит в комплект поставки отладочного набора.

С помощью поставляемого прикладного ПО разработчику легко убедиться в достоинствах новой микросхемы TDC-GP30-F01.

Рис. 4.	GP30-DEV-KIT.

Характеристики микросхемы TDC-GP30-F01:

• вычислительное ядро: 32-битный процессор;
• встроенная память: 4 Кбайт ОЗУ, 4 Кбайт ПЗУ;
• встроенные библиотеки: измерение напряжения, потока, температуры;
• частота измерений: 8…80 Гц;
• коммуникационные интерфейсы: SPI, UART;
• импульсный выход для барабанных счетчиков: есть;
• число входов/ выхода: 6;
• диапазон рабочих температур: -40…+125 °C;
• корпус: QFN32, QFN40.

Состав ознакомительного набора GP30-DEV-KIT:

• Демонстрационная плата GP30-DEMO-PCB на базе микросхемы TDC-GP30-F01;
• PICOPROGV3.0 – преобразователь интерфейсов USB-SPI/UART;
• USB-кабель;
• CD-диск с ПО, драйверами, примерами, документацией.

Посмотреть подробные характеристики ультразвуковых измерителей потока от AMS