基于 Energymicro 公司的 32 位 Cortex-M3 内核超低功耗微控制器 EFM32 与 ACAM 公司的高集成度 TDC-GP21 芯片推出的超声波热量表方案，能够充分发挥 EFM32 超低功耗与高运算能力的特点以及 GP21 高精度的测量能力，在超声波热量表方案中具有明显的优势。

一、主控及显示部分

超声波主控 MCU 采用 EFM32TG840F32，它是基于 ARM 公司的 32 位 Cortex-M3 内核设计而来：对比传统的 8 位、16 位单片机，它具有更高的运算和数据处理能力、更高的代码密度和更低的功耗。实际数据显示，EFM32TG840 执行 32 位乘法运算仅需 4 个内核时钟周期、32 位除法运算仅需 8 个内核时钟周期，而热量表上常用的 16 位单片机却分别需要 50 和 465 个时钟周期；而恰恰在时间数据转换芯片 TDC-GP21 上采集得到的数据均是 32 位长度，因此在运算和热量计算时均是 32 位的数据运算。

EFM32TG840 具有 EM0～EM4 共 5 种低功耗模式。在 EM2 低功耗模式下，微控制器仍可实现 RTC 运行、LEUART、LETIMER 及 LESENSE 的通信或控制功能，而功耗仅需 900 nA；而且它具有灵活的唤醒方式和自主工作的 PRS 系统，可以由外部 I/O、I²C 通信接口、LEUART 通信信号等方式唤醒。

EFM32TG840 集成了 8×20 段的 LCD 驱动器，满足直接驱动超声波热量表液晶屏的需求，而功耗仅为 550 nA。其 LCD 驱动器内部集成电压升压功能和对比度调节功能，可在芯片内部由 VCMP 电压比较器监控 V_DD 电压，分等级开启 LCD 升压及对比度调节，使 LCD 的显示效果良好，即使系统电池随着使用时间增加出现电压跌落也能保持正常显示。

图 1　主控 MCU 及显示电路

EFM32TG840 的 I/O 可以设置为低功耗模式唤醒及 GPIO 中断模式，因此外部操作按钮可以在低功耗条件下实现交互控制动作。

二、TDC-GP21 超声波采集部分

TDC-GP21 是德国 ACAM 公司在 2011 年 11 月底推出的新一代专门针对超声波热量表检测计量所用的数字时间转换器。TDC-GP21 芯片采用 QFN32 封装，除具备 TDC-GP2 的功能外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，例如模拟开关以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器；其温度部分集成了施密特触发器，可直接接上温度传感器和参考电阻进行高精度测量，测量性能远超过热量表所需的要求；芯片还具有 7×32 bit 的 EEPROM 单元，可用于存储热量表整表的 ID 信息及配置寄存器信息。

图 2　超声波采集电路

TDC-GP21 需要两个供电电压，分别是核心电压 V_CC 和 I/O 电压 V_io；在本方案中采用了 ACAM 推荐的两个供电电压使用相同电压源进行供电，并增加去耦双通道滤波电路以降低系统噪声。其他部分电路例如换能器、PTC 电阻的连接以及晶体的接法均采用原厂提供的官方参考电路进行搭建。在时钟方面，TDC-GP21 将输出 32.768 kHz 时钟，为 EFM32TG840F32 提供低频时钟，可节省主控 MCU 的低频晶振。