[FAQ] [参考译文] [常见问题解答] TDC1000：超声波 ToF (液体耦合)需要了解的一切[配套资料、工具、设计、常见问题解答]

Other Parts Discussed in Thread: TDC1000, TDC7200, TDC1011, TDC7201, MSP430F5528, TDC1000-C2000EVM, TDC7200EVM, MSP-EXP430F5529LP, TDC7201-ZAX-EVM, TDC1000-Q1

https://e2e.ti.com/support/sensors-group/sensors/f/sensors-forum/724028/faq-tdc1000-everything-you-need-to-know-for-ultrasonic-tof-liquid-coupled-collateral-tools-designs-faq

器件型号：TDC1000
主题中讨论的其他器件： TDC7200、 TDC1011、 TDC7201、 MSP430F5528、 TDC7200EVM、 MSP-EXP430F5529LP、 TDC7201-ZAX-EVM、

对于液位传感、液体污染和识别传感以及液体/气体流量传感等液体耦合超声波传感应用、推荐使用 TDC1000超声波 AFE。 通常、TDC1000与 TDC7200数字计时器配对使用、但根据所需的精度、可以使用 MSP430等微控制器或 C2000等功能更强大的器件来代替 TDC7200。 TDC1000和 TDC7200的所有官方配套资料均可在其相关产品页面上找到。

有关超声波传感基础知识的概述、TI 建议您首先阅读 超声波传感基础 知识应用手册、然后观看 TI 高精度实验室超声波传感视频系列。  

1) 1)入门和评估流程

1.1)器件选择

要开始评估 TDC 器件系列、第一步是根据预期应用选择器件。 下面列出了该系列中的每个器件以及一般应用：

TDC1000： http://www.ti.com/product/TDC1000

双通道超声波飞行时间感应 AFE

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体/气体流量感应

 

TDC1011： http://www.ti.com/product/TDC1011

单通道超声波飞行时间感应 AFE

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别

 

TDC7200： http://www.ti.com/product/TDC7200

时间到数字转换器

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体/气体流量感应
• 激光雷达飞行时间测量

TDC7201： http://www.ti.com/product/TDC7201

用于短时间测量的具有组合模式的时间数字转换器

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体/气体流量感应
• 激光雷达飞行时间测量

1.2) EVM 选择

选择一个或多个器件后、接下来需要选择 EVM 进行评估。 有几个 EVM 整合了 TDC 器件系列、适用于下列各种应用：

TDC1000-TDC7200EVM： www.ti.com/.../tdc1000-tdc7200evm

包含 TDC1000作为超声波 AFE、用于测量飞行时间的 TDC7200以及用于配置 TDC 器件并与 PC GUI 通信的 MSP430F5528。 板载带通滤波器、适合与1-2MHz 传感器配合使用。

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体流量感应(最高精度)

TDC1000-C2000EVM： www.ti.com/.../tdc1000-c2000evm

包含 TDC1000作为超声波 AFE、以及用于测量飞行时间、配置 TDC1000以及与 PC GUI 通信的 C2000微处理器。 TDC1000和某些版本的 C2000微控制器都符合汽车应用的要求。 板载带通滤波器、适合与1-2MHz 传感器配合使用。

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体流量感应(精度较低)
• 汽车应用

TDC1000-GASEVM： www.ti.com/.../tdc1000-gasevm

包含 TDC1000作为超声波 AFE、用于测量飞行时间的 TDC7200以及用于配置 TDC 器件并与 PC GUI 通信的 MSP430F5528。 还包括 BSTEVM、这是一个子卡、可将 TDC1000的输出电压提升至30V、以便与气体耦合应用中的高压传感器配合使用。 此 EVM 具有与 TDC1000-TDC7200EVM 相同的功能、但板载带通滤波器的频率范围专为200-500kHz 传感器而设计。

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体流量感应(最高精度)
• 气体流量感应

TDC7200EVM： www.ti.com/.../tdc7200evm

MSP430 BoosterPack 上包含 TDC7200。 旨在与 MSP-EXP430F5529LP LaunchPad 兼容(必须单独购买)。 必须连接到外部 AFE 才能在下列所有应用中使用：

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体和气体流量感应(最高精度)
• 激光雷达飞行时间(长距离)

TDC7201-ZAX-EVM： www.ti.com/.../tdc7201-zax-evm

MSP430 BoosterPack 上包含 TDC7200。 旨在与 MSP-EXP430F5529LP LaunchPad 兼容(必须单独购买)。 必须连接到外部 AFE 才能在下列所有应用中使用：

• 液位/接近感应
• 液体浓度/污染/识别
• 液体和气体流量感应(最高精度)
• 激光雷达飞行时间(短距离和长距离)

1.3)如何设置 EVM 并安装超声波传感器？

上面链接的每个 EVM 页面都包含有关 EVM 硬件设置的全面用户指南。 所有 TDC1000 EVM 还包括用于测试的传感器。 为了在评估过程中获得最佳结果、正确安装传感器以确保良好耦合到声音传播的介质非常重要。 有关液位和浓度感应、请参阅以下应用手册、其中介绍了传感器的理想安装方法：

1.4)如何选择和安装用于液位感应和液体识别的超声波感应传感器 ：http://www.ti.com/lit/an/snaa266a/snaa266a.pdf

2) 2)常见问题解答

2.1)可使用 TDC1000测量的最小和/或最大距离是多少？

TDC1000能够测量的最小和最大距离都取决于具体应用。 最大距离由传输介质中的声速决定、在较小的程度上取决于传感器产生的声频(较高的频率衰减更快、并且在较长的距离下更难检测)。 TDC1000的最大监听周期设置为8ms。 要确定理想条件下的最大距离、请使用以下公式：  

最大距离=介质中的声速(m/s)* 0.008秒/2

此公式计算了单个换能器同时用作发送器和接收器时的往返时间。 例如、水中的声速为~1480m/s、因此 TDC1000在水中可测量的最大距离单程为~5.9m。

可测量的最小距离取决于传感器(其频率和振铃特性)和用户选择的 TX 脉冲数。 传感器的频率将决定 TDC1000输出的 TX 脉冲周期、因此决定 TDC1000传输的时间长度。 由于超声波传感器是谐振器件、因此传感器将在 TX 脉冲停止后(称为回铃)继续输出声音一小段时间。 当传感器振铃时、它将屏蔽任何传入的回波信号、TDC1000将无法注册回波以生成 STOP 信号。 理论最小距离可通过以下公式计算：

最小时间(理论值)=(TX 脉冲数(至少3个))*(1/传感器频率)+环回时间

在实践中、最小时间受到 TDC1000的消隐时间的进一步限制。 为了实现尽可能短的飞行时间测量、TDC1000必须处于短程 ToF 模式。 在短 ToF 消隐周期结束之前、TDC1000将不会开始接收。 最小消隐周期决定最小飞行时间、并使用以下公式进行设置：

最小消隐周期= 8 *(1/系统时钟频率)

最大系统时钟频率为16MHz、相当于500ns 的最短消隐时间。

可以测量的有效最短时间将是上述两次计算中的较高值。 最后、可以使用以下公式以及上面确定的最小时间计算最小距离：

最小距离=介质中的声速(m/s)*最小时间/2。

2.2)我的系统应该使用哪些设置？

给定系统所需的特定设置完全取决于系统中的组件和测量参数(介质、预期距离、流速等)。 由于无法为所有可能的系统提供设置、本节将介绍如何配置 TDC1000进行 ToF 测量：要更改哪些设置以及它们如何影响测量序列。 有关所有可用设置的最详细说明、请参阅 TDC1000数据表。

2.2.1.根据应用和传感器配置选择 ToF 测量模式(TOF_MEAS_MODE)：

• 模式0：液位和识别。 传感器发送信号、然后接收其自身的信号。
• 模式1：流量感应。 传感器1发送、传感器2接收。 需要手动通道切换
• 模式2：流量感应(首选)。 传感器1发送、传感器2接收。 允许自动通道切换。

2.2.2.根据输入时钟和传感器频率选择 TX 频率：

设置 TX_FREQ_DIV、将输入时钟分频为传感器的正确频率。 例如：8MHz 输入时钟、1MHz 传感器。 将 TX_FREQ_DIV 设置为8分频。

2.2.3.根据所需的范围和传感器的饱和点选择 NUM_TX：

较大的 NUM_TX 数会将换能器输出的激励和声压级(SPL)提高到某个点。 传感器最终将饱和、即使提供更多的发射脉冲、也不会产生更多的 SPL。 短距离测量也要小心、因为较长的传输周期可能会屏蔽回波。 此设置需要对系统中使用的确切换能器进行实验。

2.2.4.选择短程或标准 ToF 模式：

短 ToF 模式对于短距离测量很有用、在短距离测量中、接收回波将在共模稳定和自动置零周期完成之前返回。 它会将这些函数移动到发送脉冲开始前开始：

标准 ToF 模式允许使用更宽的监听周期长度进行更长的距离测量。 如果设置了消隐模式、它还允许消隐周期。

2.2.5.选择消隐时间、Timing_REG、自动置零周期长度和回波超时长度以满足您所需的测量范围：

所有设置都基于输入时钟(T0)的周期。 对于更宽的值范围、可通过设置 CLOCKIN_DIV 设置将输入时钟除以2 (T0周期增加2倍)。 选择下列设置时、请参考上述时序图。

• 消隐时间：
  • 在短程 ToF 模式下、设置 SHrr_TOF_BLND_PRD 足够长、使其屏蔽传感器的振铃时间、但足够短、不会屏蔽所测量的尽可能短的返回回波
  • 在具有消隐功能的标准 ToF 模式下、按照与上述相同的方式设置时序_REG、但请记住、AutoZero_Period 和共模稳定时间也会增加模式的有效消隐时间
• 自动置零周期：
  • 在短程 ToF 模式下、将 AutoZero 设置为低电平以最大限度地缩短总测量时间、或者在总测量时间不重要的情况下设置为更长的时间
  • 在标准 ToF 模式下、AutoZero 可用作额外的消隐周期调整
• 时序_REG：
  • 如果将 TIMERG_REG 设置为30或更低、或者 FORCE_SHORT_TOF 位设置为1、则会启用短程 ToF 模式。 否则、器件处于标准 ToF 模式
  • 在没有消隐的标准 ToF 模式下、TIMER_REG 决定回波监听时间周期以及 TOF_TIMEOUT_CTRL
  • 在具有消隐功能的标准 ToF 模式下、TIMER_REG 决定消隐周期长度
• 回波超时：
  • 在所有模式下、TOF_TIMEOUT_CTRL 设置决定回波监听时间周期

2.2.6.设置接收路径增益和回波质量阈值：

• PGA CTRL：可以启用或禁用接收路径 PGA
• PGA_GAIN：为0dB 至21dB 的输入信号选择增益。 这可用于提高输入信号的电平、以便使其处于可用回波质量阈值范围内
• ECHO_QUAL_THLD：SELEC 回波质量阈值、以便回波触发 STOP 信号、但接收到的噪声不会。 这是在 COMPIN 引脚上与共模(VDD/2)相差-mV 的范围内测得的。

2.2.7.选择接收模式和停止次数：

• 接收模式：
  • 每次信号超过回波质量阈值时、单回波模式都会生成 STOP。 见上图。
  • 多回波模式为每个回波脉冲包络生成一个 STOP。 请参见下图。

• num_RX：确定 TDC1000将生成多少个 STOP 信号

示例：  

• 液位应用
• 输入时钟= 8MHz (T0 = 0.125us)
• TX 频率= 1MHz
• 中=水(声速1480m/s)
• 最小距离= 2cm (在水中~27us 往返)
• 最大距离= 20cm (在水中~270us 往返)
• num_TX = 5

1. 将模式0设置为液位感测
2. TX_FREQ_DIV = 8分频
3. 根据距离和传感器、将 num_TX 选为5
4. 选择了短路 ToF 模式。 可在 FORCE_SHORT _TOF 设置为1时强制
5. 将 CLOCKIN_DIV 设置为除以2以获得更长的接收时间(T0 = 0.25us)
6. 设置消隐时间。 Ringdown 估计为发送周期的2倍。 发送周期为 NUM_TX * 1/TX 频率= 5us。 发送+振铃减少= 15us。 SHr_TOF_BLND_PRD = 64*T0 = 16us。  (小于最小距离、大于传输+环回)
7. 将 AutoZero_Period 设置为最短测量周期的最小值64*T0 = 16us。
8. 未使用时序_REG。 保持为0以保持短 ToF 模式。
9. 将 TOF_TIMEOUT_CTRL 设置为最大值 1024*T0 = 256us。 发送(5us)+消隐(16us)+回波监听(256us)= 277us (大于最大距离)
10. 将 PGA_CTRL 设置为启用、并将 PGA_GAIN 设置为9dB
11. 将 ECHO_QUAL_THLD 设置为-125dB
12. 将接收模式设置为多回波以进行液位感应
13. 对于单个预期回波、将 NUM_RX 设置为1

 

2.3)如何更改 EVM 上的带通滤波器？  

TDC1000-TDC7200EVM 在 PGAOUT 和 COMPIN 引脚之间配备了简单的带通滤波器、如用户指南的原理图所示：

该滤波器配置为大约1MHz 的中心频率。 要更改滤波器以适应不同频率的换能器、请参阅数据表的"接收器滤波器"部分(第8.3.5节)以获取计算新组件值的示例公式。 此外、下面附加了 EVM 中现有滤波器拓扑的 TINA 仿真、可用于测试新滤波器组件的传输特性。

2.4) 为什么我的温度读数在 GUI 上不正确？

这种情况是由测量 RTD 电阻时产生的错误短脉冲引起的。 以下应用手册介绍了此行为的机制和权变措施：

2.5)使用 TDC1000和 TDC7200测量 RTD 传感器以进行超声波感应： www.ti.com/.../snaa230.pdf

使用 TDC1000-TDC7200 GUI 测量温度值时、请确保 TDC1000页面上的 TEMP_MODE 设置为"REF_RTD1_RTD2"、并且无论当时正在测量一个还是两个 RTD、温度页面上的 TEMP_RTD_MODE 都设置为"RTD1和 RTD2"。 GUI 会自动实施权变措施以提供 RTD1的正确读数。

2.6)当 TDC1000上的外部通道选择被启用时、引脚11 (CHSEL)上逻辑低电平和逻辑高电平的有效通道是什么？

EXT_CHSEL=1h (启用外部通道选择)

TOF_MEAS_MODE=0h (模式0)

• • 当引脚11 (CHSEL)上的电压为0V (GND)时、有源 TX 通道= TX1 /有源 RX 通道= RX1
  • 当引脚11 (CHSEL)上的电压为3.3V (VIO)时、激活的 TX 通道= TX2 /激活的 RX 通道= RX2

 

3) 3)有用的 E2E 帖子

3.1)空气中的短距离测量(从顶部水平)： e2e.ti.com/.../498792

3.2)如何从容器底部执行液位感应： e2e.ti.com/.../467713

3.3) TDC1000概述网络研讨会： e2e.ti.com/.../504584

3.4)使用 TDC1000进行液体识别和飞行时间测量： e2e.ti.com/.../494576

3.5)基本液位感应常见问题解答： e2e.ti.com/.../418605

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3.6) TDC7200/TDC7201文档

1. 产品文件夹： http://www.ti.com/product/TDC7200
2. 使用 TDC7200进行交错式短时间测量： http://www.ti.com/lit/an/snaa288/snaa288.pdf -本文档介绍了一种使用 TDC7200测量时间周期小于12ns 的方法、适用于激光雷达等应用。
3. 使用 TDC7201进行短时间测量： http://www.ti.com/lit/an/snaa292/snaa292.pdf

本应用手册旨在介绍一种使用具有毫米精度的 TDC7201测量低至0.25ns 时间周期的方法。

1. TDC7200 EVM 用户指南： http://www.ti.com/lit/ug/snau177/snau177.pdf

注意：上述 EVM 是用于 TDC7201/TDC7200的 Booster Pack、需要 EXP-MSP430F5529LP 来运行 GUI

1. TDC7201 ZAX EVM 用户指南： http://www.ti.com/lit/ug/snau198a/snau198a.pdf

注意：上述 EVM 是用于 TDC7201/TDC7200的 Booster Pack、需要 EXP-MSP430F5529LP 来运行 GUI

3.7) TDC1011/TDC1000文档

1. TDC1011文件夹： http://www.ti.com/product/TDC1011
2. TDC1000文件夹： http://www.ti.com/product/TDC1000

3.8) TDC1000-TDC7200应用相关文档：

1. 用于提高超声波燃气流量计性能的模拟电子设计： http://www.ti.com/lit/an/snaa284a/snaa284a.pdf -如果客户抱怨流量计读数不可靠，请参阅本文档。该文档讨论了流量计量应用中传感器的方向变化， 其中包括优化 Rx 路径、提高 Rx 路径中的 SNR、增加 Tx 路径中的驱动激励能量以及增加 TDC1000器件中的增益。 本文档是指 TDC1000-GASEVM 的电路要求。
2. 如何在超声波感应中选择和安装传感器以进行液位感应和液体 ID： http://www.ti.com/lit/an/snaa266a/snaa266a.pdf -目前为止提供有关特定应用所用传感器类型的详细信息的最相关参考文档。 提供了一些传感器选项作为示例。 回答诸如传感器安装位置等问题？ 如何安装传感器？ –示例包括将1MHz 传感器连接到塑料容器。
3. 使用超声波感应监测容器液位： http://www.ti.com/lit/an/snaa270/snaa270.pdf -本应用手册介绍了如何利用 TDC1000和压电超声波传感器在外部对容器执行高度精确的液位测量。 文档以 TDC1000-C2000 EVM 为例。

提供有关 TDC1000功能的信息、例如空白时间选择和自动置零、以及这些功能如何帮助测量传感器振铃可能会阻碍的极短距离。 还提供了有关电压激励与回波振幅的影响的信息。

1. 适用于液位传感、流量传感和液体识别应用的超声波传感基础知识： http://www.ti.com/lit/an/snaa220a/snaa220a.pdf -介绍如何将 TDC1000和 TDC7200应用于液位传感、流量传感、液体识别和距离/接近传感的基本文档。
2. 用于液体识别和污染 检测的超声波感应：www.ti.com/.../snaa265.pdf -讨论液体浓度测量的应用手册、提供了汽车液体浓度示例作为示例。 仅指用于测试的 TDC1000-C2000 EVM。
3. 适用于水流量计和热量计的超声波感应： http://www.ti.com/lit/an/snia020/snia020.pdf -本应用手册旨在介绍使用 TDC1000超声波模拟前端(AFE)和 TDC7200皮秒精确秒秒秒秒秒秒表的超声波飞行时间(ToF)流量感应。 提供了有关典型现成超声波流量传感器的信息、以及用于计算流速和流速的相关公式。 附录中包括水表标准摘要和适用于此应用领域的低成本传感器列表。 本文档确实提供了有关零流量时的偏移和温度漂移的详细信息。
4. 使用 TDC1000和 TDC7200测量用于超声波感应的 RTD 传感器： http://www.ti.com/lit/an/snaa230/snaa230.pdf -本应用手册介绍了使用 TDC1000和 TDC7200通过两个 RTD 测量温度的固件过程。 温度在热量计和流量计中进行监测。
5. TDC1000-GASEVM 用户指南： http://www.ti.com/lit/ug/sniu026a/sniu026a.pdf -提供了一个外部/CPU 时钟表以及内部时钟分频器值，以便将时钟与传感器的谐振频率同步。
6. TDC1000-C2000 EVM 用户指南： http://www.ti.com/lit/ug/sniu023/sniu023.pdf
7. 汽车超声波液位感应系统中的 TDC1000-Q1： http://www.ti.com/lit/an/snva785/snva785.pdf -汽车超声波液位感应技术手册
8. 汽车超声波液位/质量测量参考设计： http://www.ti.com/tool/TIDA-00322?keyMatch=TIDA-00322&tisearch=Search-EN-everything&usecase=part-number#technicaldocuments - TI 参考设计 TIDA00322是一款汽车液位和液体识别测量系统。 它基于双通道 TDC1000-Q1超声波 AFE 和 RealTime 微控制器 C2000。 此参考设计还可与 TDC1000搭配使用、用于工业/消费类应用。
9. 使用时间数字转换进行超声波水流测量： http://www.ti.com/lit/ug/tidu965a/tidu965a.pdf 参考设计文件夹 http://www.ti.com/tool/TIDM-ULTRASONIC-FLOW-TDC?DCMP=ultrasonic&HQS=sva-psp-isc-ultrasonic-awire-20150731-rd-tdc-wwe
10. TDC7201参考设计文件夹： http://www.ti.com/lit/ug/tiduel3/tiduel3.pdf -最大限度提高激光雷达和飞行时间应用的跨阻带宽的参考设计- http://www.ti.com/lit/ug/tiduel3/tiduel3.pdf
11. TDC7200参考设计文件夹： http://www.ti.com/tool/TIDA-00663?jktype=design -激光雷达脉冲飞行时间参考设计- http://www.ti.com/lit/ug/tiducm1b/tiducm1b.pdf

3.9) TDC1000常见问题解答： https://e2e.ti.com/support/sensors/f/1023/t/724028

典型的 TDC1000和 TDC7200相关问题及要做的事情：

1. TDC1000-TDC7200设置：无法获取可靠的 ToF 数据：
   1. 检查换能器是否正确安装在使用的介质上、检查上述文档列表中的文档编号2以了解更多详细信息
   2. 如果满足上述条件、则在 COMPIN 引脚上检查是否存在任何信号、如果确实有来自换能器的返回信号、则增加 PGA 和 LNA 的增益。 还要移动阈值、直到您针对特定设置获得合理的 ToF 读数。

2. TDC1000-TDC7200燃气/水计量：不准确的读数
1. 1. 请将基于 MSP430的超声波解决方案用于流量计量的任何高精度和分辨率解决方案。 为此、MSP430器件的链接是 http://www.ti.com/microcontrollers/msp430-ultra-low-power-mcus/ultrasonic-performance-sensing-mcus-overview.html
   2. 如果您想将基于 TDC1000-TDC7200的解决方案用于流量计量、请在设计解决方案时参阅以下文档：

                                                   I.    http://www.ti.com/lit/an/snia020/snia020.pdf

                                                  二、    http://www.ti.com/lit/an/snaa284a/snaa284a.pdf

TDC1000器件在以下时间未命中第一个 STOP 脉冲：

1. 1. TDC1000有时会丢失第一个 STOP 脉冲生成；这可能会改变 ps 范围内的 ToF 测量值。
   2. 如果您遇到上述问题、我们建议您尝试在器件中使用平均值计算功能、这将提高您的测量精度。
2. TDC1000/TDC7200 EVM GUI 附带 SPI 通信的示例固件代码。 如有任何 MSP430相关问题、请将您的问题提交给 MSP430团队；我们的超声波团队将帮助解决与 TDC 器件相关的所有问题。

 

3.10)尝试运行 GUI 时、我会收到一条弹出消息、提示"VI 不可执行。 需要 LabVIEW 的完整开发版本来修复错误。" 如何解决此错误？

 

所有 TDC EVM GUI 预计默认情况下 Microsoft .NET Assembly Version 2.0.0.0可供操作系统使用。 在编写此常见问题条目时，默认情况下，较新 PC (尤其是 Win10或更高版本)不再包含此版本的.NET 汇编。 在  https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=1639?上下载并安装 Microsoft .NET Framework 2.0 Service Pack 2有关安装过程的帮助，请参阅 Microsoft 提供的以下指南，该指南介绍了如何安装和启用.NET Framework 3.5 (包括.NET 2.0和3.0)： https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/framework/install/dotnet-35-windows-10。

作为替代方法，替换 TDC1000-C2000 GUI 安装目录(C:\Program Files (x86)\Texas Instruments\TDC1000_C2000)中的以下附加文件： e2e.ti.com/.../TDC1000_5F00_C2000_5F00_EVM_5F00_Executable_5F00_v01020084.zip

• • TDC1000_C2000.aliases
  • TDC1000_C2000.exe
  • TDC1000_C2000.ini