一、簡易多波形信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)發(fā)生器在電子實(shí)驗(yàn)中作為信號(hào)源，通常用得多的是正弦波、三角波、方波以及用作觸發(fā)信號(hào)的脈沖波。本次制作的是能產(chǎn)生九種波形的信號(hào)發(fā)生器。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)是簡單易制、工作可靠、信號(hào)頻率在音頻范圍連續(xù)可調(diào)，即20Hz～20KHz，輸出信號(hào)電壓能與TTL電平兼容。

　　電路中采用了兩塊CMOS數(shù)字集成電路74C04（內(nèi)含六個(gè)反相器）和74C14（內(nèi)含六個(gè)帶施密特電路的反相器）。

　　電路見圖1，由反相器IC1的a、b、c三個(gè)并連，和電阻W1+R1、電容C1、C2、C3構(gòu)成振蕩器以產(chǎn)生三角波，振蕩頻率計(jì)算公式為f=1/1.7RC。振蕩頻率分為×10、×100、×1k三段、用開關(guān)K2改變接入的電容量粗調(diào)頻率，由電位器W1細(xì)調(diào)20~200Hz、200~2kHz、2k~20kHz，覆蓋音頻頻段。三角波經(jīng)射極跟隨器T2輸出，約3VP-P。此三角波經(jīng)施密特觸發(fā)器IC2a整形為方波，再經(jīng)IC2b~f并聯(lián)輸出（多個(gè)門電路并聯(lián)以提高驅(qū)動(dòng)能力），其電平兼容TTL。IC1d、IC1e~f構(gòu)成兩級(jí)線性放大器，用于將三角波整形為模擬正弦波，原理是利用放大器飽和將三角波的尖端限幅為圓形，再經(jīng)射極跟隨器T1輸出，約6.5VP-P。當(dāng)波形選擇開關(guān)K3將電阻R2和二極管D1或D2接入電路時(shí)，輸出的方波被整流為正電壓或負(fù)電壓加到三角波發(fā)生器的輸入端，構(gòu)成壓控振蕩器（VCO），從而獲得極性不同的鋸齒波或脈沖波，脈沖寬度取決于電阻R2和積分電容的大小。如此構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的多波形信號(hào)發(fā)生器，開關(guān)K3是波形選擇開關(guān)，其位置與波形的關(guān)系見附表。

　　積分電容C1、C2、C3選用溫度特性好的薄膜電容，容量值要求準(zhǔn)確，每組電容器由兩個(gè)電容器并聯(lián)以得到需要的數(shù)值，需用數(shù)字萬用表的電容檔精選，才能保證三條頻率刻度的—致性。電容C4、C5一定要用無極性電容，可用兩個(gè)4.7μ有極性電介電容同極性串連代替。電容C6、C7用鉭電介。圖1中未注明電壓的電容器均選用50V。頻率細(xì)調(diào)電位器W1選用金屬殼全密封碳膜電位器，最好選用阻值變化為線性（即型號(hào)后綴帶有“X”）的。開關(guān)K2、K3選用小型—刀三位波段開關(guān)。9V直流穩(wěn)壓電源選用小電流的三端穩(wěn)壓集成電路78L09。六施密特觸發(fā)器74C14也可用HEF40106直接代換。

　　由于采用低耗電的C-MOS電路，本機(jī)也可用9V積層電地供電。

　　電路制作完成后需要調(diào)整的只有正弦波形。有示波器時(shí)可在示波器監(jiān)視下調(diào)整微調(diào)電阻W2、W3，使波形最接近正弦波；無示波器時(shí)，可將正弦波輸出接到家用音頻功放的輸入端，頻率調(diào)整到數(shù)百周，調(diào)W2、W3使聲音最悅耳即可。

　　制作難點(diǎn)是面板上的頻率刻度盤的繪制及校準(zhǔn)。下面詳細(xì)介紹：

　　讀數(shù)標(biāo)尺的制作：

　　讀數(shù)標(biāo)尺與頻率細(xì)調(diào)電位器W1的旋鈕為—體。選擇一塊無劃痕的透明板（如薄有機(jī)玻璃板或CD盒蓋），接圖2裁取—塊，其長度以面板能容納的半徑為限（長些為好），作為標(biāo)尺，經(jīng)過圓心用針尖刻一直線槽，在槽中涂上紅色墨水，形成一條紅線，作為讀數(shù)標(biāo)線；用502膠水或AB雙管膠將標(biāo)尺與旋鈕底面對(duì)接粘合。

　　刻度校準(zhǔn)：

　　用AUTOCAD或CAXA制圖軟件，作一直徑約100mm的圓（直徑大些，繪圖時(shí)易于估計(jì)小數(shù)），點(diǎn)擊“等分弧”，將圓周分為100等分，打印兩份（當(dāng)然也可手工用圓規(guī)和量角器完成此工作）。將其中一份按標(biāo)尺長度為半徑裁剪—個(gè)圓，臨時(shí)粘合到面板上W1位置。將帶標(biāo)尺的旋鈕固定到W1軸上，根據(jù)標(biāo)線確定W1旋轉(zhuǎn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，一般電位器旋轉(zhuǎn)范圍為0~253度，在繪制的等分圓周上約0~70.4格。

　　打開發(fā)生器電源，讓其工作一段時(shí)間預(yù)熱穩(wěn)定。將頻率粗調(diào)開關(guān)K2置“×100擋”、波形選擇開關(guān)K3置“1”檔，在方波輸出端接上數(shù)字萬用表的“測頻率檔”，從“0”開始旋轉(zhuǎn)W1，在頻率的整數(shù)位記下標(biāo)線指示的刻度值（如1KHz，17.3格等）并列出表格；在K3的另外兩擋位重復(fù)上面工作。

　　繪制頻率刻度：

　　利用上面測繪的三個(gè)刻度表，在繪圖軟件窗口畫出各刻度線。如果無條件使用計(jì)算機(jī)繪圖，可利用繪制的等分圓周圖和透明直尺手工繪制出三條頻率刻度。

　　將繪制的刻度盤粘合到面板上相應(yīng)位置。在K3的各檔位測試一遍刻度與輸出頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果電容C1、C2、C3的數(shù)值準(zhǔn)確的話，各檔刻度與輸出頻率基本吻合，完全能滿足業(yè)余使用的要求。至此，這臺(tái)多波形發(fā)生器就完成了。

二、基于AMR技術(shù)的智能水表方案

　　隨著人類社會(huì)不斷的發(fā)展，作為不可替代的自然資源--水資源也開始面臨著種種問題和危機(jī)。人口的增長、工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，使得人類對(duì)水的需求逐年增加。無序的開發(fā)和環(huán)境的污染更加重了水資源的危機(jī)。曾經(jīng)的藍(lán)色星球也變得越來越饑渴。各國政府和組織都相繼制定政策和法規(guī)力圖建立節(jié)水型社會(huì)體系。一系列的節(jié)水措施給水表制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來機(jī)遇，同時(shí)也提出了挑戰(zhàn)。

　　目前國內(nèi)水表的種類很多，按照測量原理可以分為速度式水表和容積式水表，按照結(jié)構(gòu)和技術(shù)可分為純機(jī)械式，帶電子裝置的混合式和全固態(tài)電子式水表。因?yàn)槌杀镜脑?，純機(jī)械式和混合式占據(jù)了國內(nèi)水表市場的絕大多數(shù)。但隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，也日益暴露出很多問題：

　　始動(dòng)流量大，也就是靈敏度差

　　漏損率高

　　穩(wěn)定性差

　　性能低，量程比小，特別是小流量精度差

　　功耗高，使用壽命短等

　　2008年，我國從水資源管理的實(shí)際需求出發(fā)，并考慮與國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌，全面提升水表產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，發(fā)布了等同采用ISO4064－2005 《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》的GB/T 778－2007國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水表流量值和量程比重新做了規(guī)定。傳統(tǒng)的機(jī)械式水表往往因?yàn)橄到y(tǒng)材料、機(jī)械加工等原因，大多量程比不高，要實(shí)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)要求的更高量程比的水表，往往需要非常長的設(shè)計(jì)、測試和標(biāo)定周期，往往造成更多的資金、人員和時(shí)間的投入。而新的計(jì)量技術(shù)例如超聲波和電磁感應(yīng)等往往因?yàn)槠骷⑸a(chǎn)成本等因素只能適用于特殊的場合，無法大規(guī)模的應(yīng)用于普通電子水表中。

　　如何在保持現(xiàn)有基表設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更高計(jì)量參數(shù)的水表也現(xiàn)實(shí)地?cái)[在水表行業(yè)面前。EPSON結(jié)合自身電子元器件特點(diǎn)和感檢測技術(shù)，最新推出了完整的超低功耗電子水表解決方案，很好的解決了以上種種問題。該方案仍然采用普通的速度式水表基表部分，取消了傳統(tǒng)計(jì)數(shù)齒輪和磁簧開關(guān)等易損部件，采用了非接觸式各向異性磁阻傳感器（AMR）來檢測葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大大提高了流量檢測的靈敏度；在軟件補(bǔ)償算法的配合下，計(jì)量特性有了實(shí)質(zhì)性的提高；使得高量程比、高精度的電子水表成為可能。

　　Energy Saving作為EPSON電子元器件的最重要的設(shè)計(jì)理念，也體現(xiàn)在這款電子水表方案中。無論是專用處理器和各向異性磁阻傳感器（AMR）都采用低功耗設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)，特別針對(duì)電池供電系統(tǒng)。

　　方案框圖如圖所示：

　　水量檢測通過安裝在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的磁鐵隨著水流旋轉(zhuǎn)，在周邊產(chǎn)生方向周期性變化的磁場，放置在磁鐵上方的各向異性磁阻傳感器（AMR sensor）將磁場變化信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，交由專用處理器進(jìn)行計(jì)量、錯(cuò)誤檢測等處理、并將結(jié)果通過液晶或脈沖輸出。

　　除了一般流量統(tǒng)計(jì)外，專用處理器還支持多種檢測模式，例如瞬時(shí)流速、滴漏檢測，水流倒轉(zhuǎn)等附加功能，為流量的實(shí)時(shí)檢測、實(shí)時(shí)控制提供了便利。水流方向的設(shè)置，即使水表倒裝，也可以正常統(tǒng)計(jì)反轉(zhuǎn)流量； 檢測周期的設(shè)置，讓開發(fā)者有更靈活的檢測精度和功耗管理的選擇。

　　AMR傳感器一般由硅或玻璃基板上覆以鐵磁體合金材料的薄膜構(gòu)成。薄膜電阻值隨著外加磁場的強(qiáng)度和方向而變化，因此被稱為各向異性磁阻傳感器（Anisotropic Magnet Resistance），當(dāng)外界磁場方向垂直于電流方向時(shí)（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場方向平行于電流方向時(shí)，電阻變化最?。桓鶕?jù)這個(gè)特性，將磁場方向轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓M(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最終由微處理器來分析處理。

　　相比于目前傳統(tǒng)的電子水表，EPSON的電子水表方案具有如下明顯的優(yōu)勢(shì)：

　　流量測量性能/功能提高

　　方案中采用的一顆AMR傳感器芯片采用小型的SOP8封裝，內(nèi)部集成了兩組全橋 磁阻網(wǎng)絡(luò)，互呈45度角放置， AB兩相輸出為相位差90度的正弦/余弦信號(hào)，每一相都采用差分輸出方式（+Sine， -Sine， +Cosine， - Cosine），這有助于消除同相噪聲帶來的誤差，

　　決定水表計(jì)量精度主要有兩個(gè)主要因素：

　?。保畟鞲衅鳒?zhǔn)確感應(yīng)基表葉輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)

　　２．每一圈流過的水量

　　由于采用磁阻檢測計(jì)量，減少了傳統(tǒng)電子水表必需的多個(gè)計(jì)數(shù)齒輪，簡化了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)，減小了葉輪的負(fù)載，對(duì)小流速水流提高了檢測靈敏度，提升了水表始動(dòng)流量檢測的性能；A，B輸出連續(xù)的波形，根據(jù)相位差最小可以檢測到葉輪1/8周的轉(zhuǎn)動(dòng)，并依據(jù)特定相位差的時(shí)間序列可以用于水流方向的檢測和計(jì)量，對(duì)于葉輪抖動(dòng)或其它因素造成的異常時(shí)間序列可以予以篩除，提高了圈數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，特別是小水流情況下的測量精準(zhǔn)度。

　　一般來說，水表在不同流速下的誤差是不同的（高流速誤差小、低流速誤差大），該方案由于可以測量水表當(dāng)前的流速，可以通過對(duì)不同流速的誤差進(jìn)行軟件修正和補(bǔ)償，由于涉水部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件簡單，測量的重復(fù)性好，配合計(jì)量標(biāo)定過程，在機(jī)械結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測的準(zhǔn)確度等級(jí)。

　　另外方案還可以支持多種滴漏，水流反向等檢測功能，為遠(yuǎn)程控制提供了必要的技術(shù)手段。

　　系統(tǒng)簡單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統(tǒng)的機(jī)械部分外，系統(tǒng)主要的元器件為專用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專為流量檢測設(shè)計(jì)的S1C17M01 內(nèi)部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數(shù)計(jì)數(shù)器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級(jí)輸出，減少了以往多個(gè)外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅(qū)動(dòng)器，定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓檢測，R/F轉(zhuǎn)換器，多種串行接口等，可以方便的連接段碼液晶，溫度傳感器，外部存儲(chǔ)，通信模塊等器件。

　　因?yàn)椴捎梅墙佑|的磁場檢測技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機(jī)械/磁簧開關(guān)使用壽命和抗震動(dòng)和碰撞的問題；將兩個(gè)全橋磁阻電路集成于一體，避免的分離模式下器件組裝的一致性問題；采用普通的鐵氧體材料的磁鐵，使用壽命得到了保證等等，所有這些都大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了開發(fā)和制造成本。

　　極低的系統(tǒng)功耗和電源管理更適合電池供電系統(tǒng)

　　不同與電表的設(shè)計(jì)，水表往往因?yàn)榄h(huán)境的限制，無法采用有源供電的方式。如何降低整機(jī)功耗，使用盡可能小的電池保證6－8年的使用壽命也一直困擾著水表的設(shè)計(jì)者。憑借著多年在低功耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，EPSOＮ從一開始就關(guān)注方案整體的功耗，特別設(shè)計(jì)的專用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統(tǒng)整體工作電流在40rps轉(zhuǎn)速的情況下僅為6.5uA， 無水流時(shí)系統(tǒng)工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內(nèi)），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設(shè)計(jì)者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設(shè)計(jì)支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測軟硬件參考設(shè)計(jì)。包括累計(jì)流量，瞬間流量，過大流量檢測，逆流檢測，滴漏檢測，未使用檢測，電壓檢測，脈沖輸出等基本功能，用戶簡單設(shè)置幾個(gè)參數(shù)就可以完成，并可以以此為基礎(chǔ)定制出更多更復(fù)雜的計(jì)量功能。

　　該方案還可以應(yīng)用于其他流量檢測的場合，例如氣表、熱量表中。如果對(duì)該方案感興趣，需要更詳細(xì)的產(chǎn)品和方案信息，請(qǐng)聯(lián)系EPSON各地分公司電子元器件部門。

三、基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表

　　隨著生活質(zhì)量的提高人們對(duì)于居住舒適度的要求，我國北方地區(qū)的樓宇建設(shè)都將普遍推廣熱量表到戶，用于冬天的暖氣供應(yīng)。自從2009年起，我國北方進(jìn)行了供熱改革，至今已卓見成效。預(yù)計(jì)未來幾年按熱量計(jì)費(fèi)將是北方供暖改革的重要方向。而熱量表更是供熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它負(fù)責(zé)熱量的計(jì)算、記錄和數(shù)據(jù)傳送工作。超聲波熱量表由于其測量方式無接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優(yōu)勢(shì)，所以它正在逐漸取代機(jī)械式的熱量表，成為北方供熱供暖計(jì)量方案的首選。

　　基于Energymicro公司的32位Cortex-M3內(nèi)核的超低功耗微控制器EFM32與ACAM公司的高集成度TDC-GP21芯片推出的超聲波熱量表方案，能夠充分發(fā)揮EFM32的超低功耗與高運(yùn)算能力的特點(diǎn)及GP21高精度的測量能力，它將成為超聲波熱量表方案中的最優(yōu)之選。

　　系統(tǒng)框架

　　圖 1所示，超聲波熱量表包括超低功耗微控制器EFM32TG840F32、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP21（熱敏電阻PT1000、超聲波換能器）、LCD顯示液晶屏、操作按鍵、紅外通信電路及MBUS通信電路。整個(gè)系統(tǒng)由3.6V鋰電池供電，考慮到TDC-GP21的供電電壓將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

　　圖 1 超聲波熱量表方案框圖

　　硬件設(shè)計(jì)

　　1、主控及顯示部分

　　超聲波主控MCU采用EFM32TG840F32，它是基于ARM公司的32位Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)而來，對(duì)比于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī)，它具有更高的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，EFM32TG840在執(zhí)行32位乘法運(yùn)算僅需4個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，32位除法運(yùn)算僅需8個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，而相應(yīng)熱表上運(yùn)用的16位單片機(jī)卻分別需要50和465個(gè)時(shí)鐘周期。而恰恰在時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21上采集得到的數(shù)據(jù)均是32位長度，因此在運(yùn)算和熱量計(jì)算時(shí)均是32位的數(shù)據(jù)運(yùn)算。可見，采用EFM32TG840可以讓超聲波熱量表有更好的運(yùn)算性能，從而使得整機(jī)可以縮短處在運(yùn)行計(jì)算狀態(tài)狀態(tài)，達(dá)到降低運(yùn)行功耗的效果。

　　EFM32TG840具有EM0-EM4共5種低功耗模式。在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可實(shí)現(xiàn)RTC運(yùn)行，LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能，而功耗僅需900你A。而且它具有靈活的喚醒方式和自主工作的PRS系統(tǒng)，可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART通信信號(hào)等等方式喚醒。

　　EFM32TG840集成了8×20段的LCD驅(qū)動(dòng)器，滿足直接驅(qū)動(dòng)超聲波熱量表液晶屏的需求，而功耗僅為550nA。EFM32TG840的LCD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成電壓升壓功能和對(duì)比度調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)部VCMP電壓比較器監(jiān)控VDD電壓，分等級(jí)開啟LCD升壓及對(duì)比度調(diào)節(jié)，達(dá)到LCD的現(xiàn)象效果良好，即使系統(tǒng)電池隨著使用時(shí)間增加出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象。

　　圖2 主控MCU及顯示電路（點(diǎn)擊查看大圖）

　　EFM32TG840的I/O可以設(shè)置為低功耗模式喚醒及GPIO中斷模式，因此外部操作按鈕可以在低功耗條件下實(shí)現(xiàn)交互控制動(dòng)作。

　　2、TDC-GP21超聲波采集部分

　　TDC-GP21是德國ACAM公司在2011年11月底推出的新一代專門針對(duì)超聲波熱量表檢測計(jì)量所用的數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器。TDC-GP21芯片采用QFN32封裝，除了具備TDC-GP2的功能外，還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號(hào)處理模擬部分，例如模擬開關(guān)以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動(dòng)進(jìn)行溫度電壓校正）模擬信號(hào)比較器。TDC-GP21溫度部分集成了施密特觸發(fā)器，可直接接上溫度傳感器和參考電阻，就可以進(jìn)行高精度的測量，測量的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱量表所需的要求。7x32bit的EEPROM單元，可用于存儲(chǔ)熱量表整表的ID信息及配置寄存器信息。

　　TDC-GP21需要兩個(gè)供電電壓，分別是核心電壓VCC和I/O電壓Vio，在本方案中采用了ACAM推薦的兩個(gè)供電電壓使用相同的電壓源進(jìn)行供電，并增加去耦雙通道濾波電路以達(dá)到降低系統(tǒng)噪聲的效果。其他部分電路例如換能器、PTC電阻的連接以及晶體的接法均采用原廠提供的官方參考電路進(jìn)行搭建。在時(shí)鐘方面TDC-GP21將輸出32.768KHz時(shí)鐘，為EFM32TG840F32提供低頻時(shí)鐘，可節(jié)省主控MCU的低頻晶振。

　　圖3 TDC-GP21電路圖（點(diǎn)擊查看大圖）

　　3、MBUS通信部分

　　超聲波熱量表通過MBUS（Meter Bus）總線通信進(jìn)行自動(dòng)抄表。現(xiàn)場的熱量表可通過MBUS將數(shù)據(jù)上傳到集中器，然后由集中器或再上一級(jí)集中器將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或無線GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓┡?a target="_blank">中心的后臺(tái)，進(jìn)行計(jì)費(fèi)及管理。本方案中采用TI公司的MBUS芯片為TSS721A。TSS721A是一種用于儀表總線的收發(fā)器集成芯片，其內(nèi)含接口電路可以調(diào)節(jié)儀表總線結(jié)構(gòu)中主從機(jī)之間的電平，同時(shí)該收發(fā)器可由總線供電，對(duì)從機(jī)不增加功率需求，總線可無極性連接。TSS721A的連接電路如圖4所示。

　　圖4 TSS721A連接電路

　　4、紅外通信部分

　　根據(jù)《CJ/T 188-2004》技術(shù)規(guī)范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用38KHz的載波對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制且有效通信距離大于2m，選用波長為940nm的紅外發(fā)射管與接收管。供熱管理人員可以使用手持紅外抄表設(shè)備對(duì)超聲波熱量表進(jìn)行抄表。紅外通信電路如圖5所示。

　　圖5 紅外通信電路

　　軟件設(shè)計(jì)

　　超聲波熱量表方案的軟件部分可以劃分為3個(gè)部分：TDC-GP21的檢測計(jì)量部分、紅外及MBUS的抄表通信部分、按鍵液晶屏的顯示交互部分。

　　針對(duì)TDC-GP21的檢測計(jì)量軟件部分可參考ACAM官方提供技術(shù)文檔，它提供了TDC-GP21在單次采集的軟件配置及實(shí)現(xiàn)過程。熱量表通過計(jì)算超聲波上游和下游的時(shí)間差，進(jìn)而通過公式計(jì)算得到流量，然后通過對(duì)PT1000的測量和計(jì)算可以采集得到進(jìn)水口熱水與出水口冷水的溫度差。最終通過熱量熵積分Q=cmΔt，計(jì)算得到熱量的值。而在實(shí)際采集當(dāng)中，為了更精確的熱量計(jì)算值，軟件設(shè)計(jì)者可對(duì)非線性參數(shù)增加相應(yīng)的補(bǔ)償處理。

　　對(duì)于熱量表的通信抄表部分的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)者在實(shí)現(xiàn)的紅外與MBUS的底層串行通信后，可參考《CJ 188-2004 戶用計(jì)量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》上所要求的抄表命令、抄表通信數(shù)據(jù)幀格式、抄表應(yīng)答數(shù)據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的軟件編寫。

　　熱量表的人機(jī)交互軟件部分主要是根據(jù)用戶的按鍵操作實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的查詢數(shù)據(jù)的顯示。對(duì)于EFM32TG840的液晶屏控制器底層驅(qū)動(dòng)，軟件設(shè)計(jì)者控制起來非常方便，在執(zhí)行完LCD控制器的初始化后，向?qū)?yīng)的SEG段寄存器操作對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位，即可將液晶屏上對(duì)應(yīng)的段碼點(diǎn)亮顯示。綜合段碼顯示內(nèi)容及用戶操作即可實(shí)現(xiàn)交互部分的軟件設(shè)計(jì)。

　　方案優(yōu)勢(shì)

　　基于EFM32TG840與TDC-GP21實(shí)現(xiàn)的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢(shì)包括：

　　1、相對(duì)于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī)，EFM32TG840以Cortex-M3為內(nèi)核，具有更強(qiáng)運(yùn)算處理能力，使整表的性能得到提升；

　　2、EFM32TG840與TDC-GP21均具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，綜合使得整機(jī)的功耗更低，增長熱量表的電池壽命，間接降低了整表對(duì)于電池的需求成本；

　　3、EFM32TG840集成了LCD控制器、RTC，以及它的Flash可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，使得整體方案的外圍元件減少，降低方案成本。

　　總結(jié)

　　綜述上文，以EFM32TG840為主控MCU，TDC-GP21為關(guān)鍵檢測元器件而設(shè)計(jì)的超聲波熱量表，充分地發(fā)揮了EFM32TG840的高性能、低功耗、良好集成度的特點(diǎn)，結(jié)合了數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器TDC-GP21的高精度、低功耗的優(yōu)勢(shì)，使得它將成為供暖系統(tǒng)熱計(jì)量部分的最佳選擇。

四、微波探測聲音方法的實(shí)現(xiàn)

　　微波在現(xiàn)實(shí)生活中有多種用途，例如：微波通信、微波雷達(dá)、微波測速等。本文介紹一種以微波作為載波來實(shí)現(xiàn)探測聲音的實(shí)驗(yàn)方法，并且在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，能達(dá)到利用微波探測聲音的目的。本實(shí)驗(yàn)原理簡明，所用微波器件為實(shí)驗(yàn)室常見的微波器件，電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

　　1 實(shí)驗(yàn)原理

　　微波探測聲音的原理與廣播類似，它利用高頻的微波信號(hào)來“載馱”所要傳送的聲頻信號(hào)，也就是高頻微波信號(hào)的振幅隨所傳送的聲頻信號(hào)的變化而變化。高頻微波信號(hào)為“載波”，調(diào)制微波的聲頻信號(hào)為“調(diào)制信號(hào)”。經(jīng)過調(diào)制后的高頻信號(hào)為調(diào)幅波。

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　　式(1)和(2)中Ω、F分別為調(diào)制信號(hào)的角頻率和頻率。載波為遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)頻率的正弦波。

　　調(diào)制的作用是使載波的振幅Vcm隨調(diào)制信號(hào)vΩ而相應(yīng)的變化，從而得到調(diào)幅波。調(diào)幅波振幅變化的軌跡即波峰點(diǎn)的連線稱為包絡(luò)線。調(diào)幅波包絡(luò)線的瞬時(shí)值為：

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　　式(4)中，VΩm/Vcm稱為調(diào)幅指數(shù)，用ma表示。

　　語言、音樂等都不是單音頻信號(hào)，而是由很多不同頻率的波合成，它們不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)。對(duì)于非正弦的周期信號(hào)，可以分解為多個(gè)不同頻率的正弦波信號(hào)。典型的調(diào)幅波的頻率成分，可以由它的瞬時(shí)值表示式推導(dǎo)出來，即

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　　這表明單音信號(hào)(即調(diào)制信號(hào)是正弦信號(hào))的調(diào)幅波由三部分頻率分量組成，即載波分量ω0、上邊頻分量ω0+Ω和下邊頻分量ω0-Ω。

　　調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)是振幅調(diào)制的反過程，是從高頻已調(diào)信號(hào)中取出調(diào)制信號(hào)，常將這種解調(diào)稱為檢波。實(shí)現(xiàn)這種解調(diào)作用的電路稱為振幅檢波器。檢波器由高頻輸入回路、非線性器件和低通濾波器三部分組成。因振幅調(diào)制信號(hào)由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒有調(diào)制信號(hào)本身的頻率分量Ω，但載頻ω0與上邊頻(ω0+Ω)或下邊頻(ω0-Ω)之差可得到Ω。為了取出原調(diào)制信號(hào)頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調(diào)信號(hào)，通過非線性器件產(chǎn)生新的頻率分量，其中就包含所需的Ω分量，再用低通濾波器濾除不需要的高頻分量，即可得所需的聲音信號(hào)。

　　2 實(shí)驗(yàn)裝置與基本器件

　　本實(shí)驗(yàn)裝置與基本器件組成圖如圖1所示。微波振蕩器產(chǎn)生的微波，經(jīng)隔離器和環(huán)形器由天線投射到待測聲源處，作為載波的微波被聲源處的音頻信號(hào)調(diào)制后被反射回來，由天線接收(發(fā)射、接收天線為同一天線)，再經(jīng)過微波晶體檢波器檢波和電流、電壓及功率放大，最后還原出聲源處的音頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)裝置中所用到的振蕩器、隔離器、環(huán)形器、角錐天線和晶體檢波器均為實(shí)驗(yàn)室中常見的3厘米波段(X波段)的微波器件。

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　　3 電路結(jié)構(gòu)

　　本實(shí)驗(yàn)所用的前置放大電路如圖2所示。它包括兩級(jí)，第一級(jí)由OP07構(gòu)成的弱電流放大電路。由于一般情況下，檢波后得到的電流形式的音頻信號(hào)很微弱，為了達(dá)到較好的放大效果，實(shí)驗(yàn)中加了一級(jí)弱電流放大電路。根據(jù)運(yùn)放電路的相關(guān)知識(shí)可知，輸入電流I1流經(jīng)R2和R3的流I2和I3的關(guān)系為

，即輸出電流的放大倍數(shù)為

倍;第二級(jí)用NE5532運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)低噪聲的電壓放大電路。NE5532是一種高速低噪聲運(yùn)算放大器。它的帶寬為10 MHz，相比大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅(qū)動(dòng)能力和小信號(hào)帶寬。

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　　自動(dòng)增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，AGC電壓控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)減小，當(dāng)輸入信號(hào)幅度較小時(shí)，AGC電壓控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)增加。

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　　圖3中，輸入信號(hào)從運(yùn)放F1的同相端輸入，二極管VD對(duì)運(yùn)放F1的輸出信號(hào)整流后，經(jīng)一個(gè)∏形濾波電路得到一個(gè)負(fù)向AGC電壓，這一電壓經(jīng)過運(yùn)放F2放大后送往場效應(yīng)管3DJ6的柵極。當(dāng)輸入信號(hào)幅值較大時(shí)，相應(yīng)地得到較大的AGC電壓，運(yùn)放F2輸出較大的負(fù)壓至場效應(yīng)管3DJ6的柵極，增大了場效應(yīng)管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運(yùn)放F1的放大倍數(shù);反之，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值較小時(shí)，AGC電壓也很小，運(yùn)放F2輸出也很小，場效應(yīng)管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運(yùn)放F1得到較大的放大倍數(shù)。

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　　功放采用低電壓音頻功率放大器LM386，電路圖如圖4所示。其電路電壓增益可調(diào)，外接元件少，總的諧波失真小，對(duì)低電壓信號(hào)的放大效果良好，且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸出信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)8 Ω的揚(yáng)聲器。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室制作了相關(guān)電路和進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5示：

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　　由圖5可知，在圖5(a)中，聲源頻率為5 kHz的正弦波，接收解調(diào)后信號(hào)較好的還原回正弦信號(hào);在圖5(b)中，聲源為通常的聲音信號(hào)時(shí)，接收解調(diào)后的信號(hào)能夠較清晰的還原為原來的聲音信號(hào)，此時(shí)輸出端接音頻喇叭能還原出聲源處的聲音。

　　5 結(jié)束語

　　通過在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)實(shí)測，由接收電路得到的信號(hào)能較好地還原原來的音頻信號(hào)，證明本實(shí)驗(yàn)方法可行。本實(shí)驗(yàn)可作為一種趣味性或演示性實(shí)驗(yàn)開設(shè)，對(duì)拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)的理解有很好的幫助。