測試測量設(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間差，進(jìn)而通過公式計(jì)算得到流量，然后通過對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)者可對非線性參數(shù)增加相應(yīng)的補(bǔ)償處理。
對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)對應(yīng)的查詢數(shù)據(jù)的顯示。對于EFM32TG840的液晶屏控制器底層驅(qū)動，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段寄存器操作對應(yīng)的數(shù)據(jù)位，即可將液晶屏上對應(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
基于EFM32TG840與TDC-GP21實(shí)現(xiàn)的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢包括：
1、相對于傳統(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，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)字時間轉(zhuǎn)換器TDC-GP21的高精度、低功耗的優(yōu)勢，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來“載馱”所要傳送的聲頻信號，也就是高頻微波信號的振幅隨所傳送的聲頻信號的變化而變化。高頻微波信號為“載波”，調(diào)制微波的聲頻信號為“調(diào)制信號”。經(jīng)過調(diào)制后的高頻信號為調(diào)幅波。
式(1)和(2)中Ω、F分別為調(diào)制信號的角頻率和頻率。載波為遠(yuǎn)高于調(diào)制信號頻率的正弦波。
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，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。對于非正弦的周期信號，可以分解為多個不同頻率的正弦波信號。典型的調(diào)幅波的頻率成分，可以由它的瞬時值表示式推導(dǎo)出來，即
這表明單音信號(即調(diào)制信號是正弦信號)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)幅信號的解調(diào)是振幅調(diào)制的反過程，是從高頻已調(diào)信號中取出調(diào)制信號，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)制信號由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒有調(diào)制信號本身的頻率分量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)制信號頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調(diào)信號，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。
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。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，第一級由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很微弱，為了達(dá)到較好的放大效果，實(shí)驗(yàn)中加了一級弱電流放大電路。根據(jù)運(yùn)放電路的相關(guān)知識可知，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;第二級用NE5532運(yùn)放構(gòu)成一個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)動能力和小信號帶寬。
自動增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當(dāng)輸入信號幅度較大時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數(shù)減小，當(dāng)輸入信號幅度較小時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數(shù)增加。
圖3中，輸入信號從運(yùn)放F1的同相端輸入，二極管VD對運(yùn)放F1的輸出信號整流后，經(jīng)一個∏形濾波電路得到一個負(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)輸入信號幅值較大時，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)輸入信號的幅值較小時，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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