測(cè)試測(cè)量設(shè)計(jì)實(shí)例（一）
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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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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?jī)x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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)速等。本文介紹一種以微波作為載波來實(shí)現(xiàn)探測(cè)聲音的實(shí)驗(yàn)方法，并且在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，能達(dá)到利用微波探測(cè)聲音的目的。本實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
1 實(shí)驗(yàn)原理
微波探測(cè)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。
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：
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
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(cè)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。
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。
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。
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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管3DJ6的柵極，增大了場(chǎng)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(chǎng)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)。
評(píng)論