測試測量設計實(shí)例（一）
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圖4 TSS721A連接電路
4、紅外通信部分
根據《CJ/T 188-2004》技術(shù)規范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用38KHz的載波對通信數據進(jìn)行調制且有效通信距離大于2m，選用波長(cháng)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
軟件設計
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)現過(guò)程。熱量表通過(guò)計算超聲波上游和下游的時(shí)間差，進(jìn)而通過(guò)公式計算得到流量，然后通過(guò)對PT1000的測量和計算可以采集得到進(jìn)水口熱水與出水口冷水的溫度差。最終通過(guò)熱量熵積分Q=cmΔt，計算得到熱量的值。而在實(shí)際采集當中，為了更精確的熱量計算值，軟件設計者可對非線(xiàn)性參數增加相應的補償處理。
對于熱量表的通信抄表部分的軟件設計，軟件設計者在實(shí)現的紅外與MBUS的底層串行通信后，可參考《CJ 188-2004 戶(hù)用計量?jì)x表數據傳輸技術(shù)條件》上所要求的抄表命令、抄表通信數據幀格式、抄表應答數據要求進(jìn)行相應的軟件編寫(xiě)。
熱量表的人機交互軟件部分主要是根據用戶(hù)的按鍵操作實(shí)現對應的查詢(xún)數據的顯示。對于EFM32TG840的液晶屏控制器底層驅動(dòng)，軟件設計者控制起來(lái)非常方便，在執行完LCD控制器的初始化后，向對應的SEG段寄存器操作對應的數據位，即可將液晶屏上對應的段碼點(diǎn)亮顯示。綜合段碼顯示內容及用戶(hù)操作即可實(shí)現交互部分的軟件設計。
方案優(yōu)勢
基于EFM32TG840與TDC-GP21實(shí)現的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢包括：
1、相對于傳統的8位、16位單片機，EFM32TG840以Cortex-M3為內核，具有更強運算處理能力，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，綜合使得整機的功耗更低，增長(cháng)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可用于數據存儲功能，使得整體方案的外圍元件減少，降低方案成本。
總結
綜述上文，以EFM32TG840為主控MCU，TDC-GP21為關(guān)鍵檢測元器件而設計的超聲波熱量表，充分地發(fā)揮了EFM32TG840的高性能、低功耗、良好集成度的特點(diǎn)，結合了數字時(shí)間轉換器TDC-GP21的高精度、低功耗的優(yōu)勢，使得它將成為供暖系統熱計量部分的最佳選擇。
四、微波探測聲音方法的實(shí)現
微波在現實(shí)生活中有多種用途，例如：微波通信、微波雷達、微波測速等。本文介紹一種以微波作為載波來(lái)實(shí)現探測聲音的實(shí)驗方法，并且在實(shí)驗室進(jìn)行了測試。從實(shí)驗結果看，能達到利用微波探測聲音的目的。本實(shí)驗原理簡(jiǎn)明，所用微波器件為實(shí)驗室常見(jiàn)的微波器件，電路結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。
1 實(shí)驗原理
微波探測聲音的原理與廣播類(lèi)似，它利用高頻的微波信號來(lái)“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”，調制微波的聲頻信號為“調制信號”。經(jīng)過(guò)調制后的高頻信號為調幅波。
式(1)和(2)中Ω、F分別為調制信號的角頻率和頻率。載波為遠高于調制信號頻率的正弦波。
調制的作用是使載波的振幅Vcm隨調制信號vΩ而相應的變化，從而得到調幅波。調幅波振幅變化的軌跡即波峰點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為包絡(luò )線(xiàn)。調幅波包絡(luò )線(xiàn)的瞬時(shí)值為：
式(4)中，VΩm/Vcm稱(chēng)為調幅指數，用ma表示。
語(yǔ)言、音樂(lè )等都不是單音頻信號，而是由很多不同頻率的波合成，它們不是標準的正弦信號。對于非正弦的周期信號，可以分解為多個(gè)不同頻率的正弦波信號。典型的調幅波的頻率成分，可以由它的瞬時(shí)值表示式推導出來(lái)，即
這表明單音信號(即調制信號是正弦信號)的調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。
調幅信號的解調是振幅調制的反過(guò)程，是從高頻已調信號中取出調制信號，常將這種解調稱(chēng)為檢波。實(shí)現這種解調作用的電路稱(chēng)為振幅檢波器。檢波器由高頻輸入回路、非線(xiàn)性器件和低通濾波器三部分組成。因振幅調制信號由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒(méi)有調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。為了取出原調制信號頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調信號，通過(guò)非線(xiàn)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)驗裝置與基本器件
本實(shí)驗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(xiàn)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制后被反射回來(lái)，由天線(xiàn)接收(發(fā)射、接收天線(xiàn)為同一天線(xiàn))，再經(jīng)過(guò)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)驗裝置中所用到的振蕩器、隔離器、環(huán)形器、角錐天線(xiàn)和晶體檢波器均為實(shí)驗室中常見(jiàn)的3厘米波段(X波段)的微波器件。
3 電路結構
本實(shí)驗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，為了達到較好的放大效果，實(shí)驗中加了一級弱電流放大電路。根據運放電路的相關(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為
倍;第二級用NE5532運放構成一個(gè)低噪聲的電壓放大電路。NE5532是一種高速低噪聲運算放大器。它的帶寬為10 MHz，相比大多數標準運算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅動(dòng)能力和小信號帶寬。
自動(dòng)增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當輸入信號幅度較大時(shí)，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數減小，當輸入信號幅度較小時(shí)，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數增加。
圖3中，輸入信號從運放F1的同相端輸入，二極管VD對運放F1的輸出信號整流后，經(jīng)一個(gè)∏形濾波電路得到一個(gè)負向AGC電壓，這一電壓經(jīng)過(guò)運放F2放大后送往場(chǎng)效應管3DJ6的柵極。當輸入信號幅值較大時(shí)，相應地得到較大的AGC電壓，運放F2輸出較大的負壓至場(chǎng)效應管3DJ6的柵極，增大了場(chǎng)效應管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運放F1的放大倍數;反之，當輸入信號的幅值較小時(shí)，AGC電壓也很小，運放F2輸出也很小，場(chǎng)效應管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運放F1得到較大的放大倍數。
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