MS1022——高精度时间测量(TDC)电路

产品简述

MS1022是一款高精度时间测量电路，内部集成了模拟比

较器、模拟开关、施密特触发器等器件，从而大大简化了外

围电路。同时内部增加了第一波检测功能，使抗干扰能力大

大提高。通过读取第一个回波脉冲的相对宽度，用户可以获

得接收信号的强度提示。通过这个提示，可以判断超声波换

能器异常、管壁覆盖物增多、水中有气泡等异常情况。通过

命令，可以完成一次超声波时差（顺流和逆流）的测量和数

据的读取，从而大大减少软件的操作和电量的消耗。

主要特点

测量范围1：

◼双通道单精度模式90ps

◼单通道双精度模式45ps

◼测量范围3.5ns(0ns)至2.4μs

◼20ns最小脉冲间隔，最多可接收4个脉冲

测量范围2：

◼单通道单精度模式90ps

◼双精度模式45ps，四精度模式22ps

◼测量范围500ns至4ms（4M高速时钟下）

◼可测量3个脉冲，并可自动处理3个数据

模拟输入电路：

◼第一波检测

◼可测量第一波的脉冲宽度

◼内部集成用于输入选择的模拟开关

温度测量：

◼2个或4个温度传感器，PT500/PT1000或更高

◼内部集成施密特触发器

◼超低功耗（每30秒测量一次时为0.08μA）

应用

◼ 超声波热量表、水表

◼ 激光测距

产品规格分类

管脚图

管脚说明

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

内部框图

极限参数

芯片使用中，任何超过极限参数的应用方式会对器件造成永久的损坏，芯片长时间处于极限工作

状态可能会影响器件的可靠性。极限参数只是由一系列极端测试得出，并不代表芯片可以正常工作在

此极限条件下。

推荐工作条件

超声波热量表的典型应用

1. 概述

MS1022 非常适合低功耗超声波热量表的设计和应用。由于芯片内部的功能，包括第一波自动检

测功能、高精度温度测量、脉冲发生器、模拟开关、比较器、STOP 屏蔽窗口功能以及时钟校准等，仅

需要外部加一个简单的单片机（无需 AD），就可以进行高精度的测量。

最终的电路可以非常紧凑，尺寸可以做到非常小。下图表显示了一个典型的超声波热量表应用

MS1022 而设计的整个电路。

红色方框内的部分为所需要的外部元件，整体元件的个数降到最低:

·在超声波回波路径当中，仅在压电陶瓷换能器连接到一对电阻和电容。

·在温度测量路径当中，仅需要额外的 1 个温度稳定电阻以及放电电容。

·振荡器选择了 1 个 32.768KHz 石英晶体以及 1 个 4M 的陶瓷晶振。FIRE_IN 管脚可以用于 32.768KHz

晶振的输出驱动。因此，单片机不需要一个低功耗的振荡器。

·对于电源部分，则需要应用旁路电容来给 VCC 和 VIO 去耦。分别通过一个小的电阻来进行分离。

总共仅需要 11 个低价的元件来进行所有测量工作。

2. 寄存器的典型配置

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

3. 测量流程

上电复位：

发送 SO = ’h50

校准时钟:

发送 SO = ’h03 Start_Cal_Resonator

Check-loop INTN = 0 ?

发送 SO = ’hB0，读取 SI = RES_0

校准系数 = 61.035/RES_0

测量循环：

温度测量每隔 30 秒钟一次:

发送 SO = ’h02 Start_Temp

Check-loop INTN = 0 ?

发送 SO = ’hB4，读取 SI = STAT

STAT&’h1E00 > 0: -> Error routine

发送 SO = ’hB0，读取 SI = RES_0

发送 SO = ’hB1，读取 SI = RES_1

发送 SO = ’hB2，读取 SI = RES_2

发送 SO = ’hB3，读取 SI = RES_3

Rhot/Rref = RES_0/RES_1

Rcold/Rref = RES_3/RES_2

到单片机数据库表格中查找相应温度。

每半秒钟测量一次飞行时间间隔:

发送 SO = ’h70 Initialize TDC

发送 SO = ’h05 Start_TOF_Restart

Check-loop INTN = 0? (上游 TOF)

发送 SO = ’hB4，读取 SI = STAT

STAT&’h0600 > 0: -> Error routine,

timeout = 空管段。

发送 SO = ’hB3，读取 SI = RES_3

发送 SO = ’h70 初始化 TDC

Check-loop INTN = 0? (下游 TOF)

发送 SO = ’hB4，读取 SI = STAT

STAT&’h0600 > 0: -> Error routine

发送 SO = ’hB3，读取 SI = RES_3

现在单片机可以开始进行数据处理，然后计算热量和流量的值。

通过脉冲宽度检查信号强度:

发送 SO = ’hB8，读取 SI = PW1ST

如果 PW1ST < 0.3， 信号太弱， 则发出报警信号。

错误报告

1. TDC-CAL 数据读出错误

当 MS1022 没有开启到 4 精度模式的时候，读出的 TDC-CAL 数值是错误的。这个错误主要的问题

是输出到结果寄存器的值有问题，而内部所保存的值是正确的。因此，对于最终的测量结果没有影

响。仅在读取 CAL 校准值的时候存在问题。

在测量范围 2 中的影响：

对于所有应用测量范围 2 的用户来说，这个 CAL 仅是一个中间值，并不读出此中间值。并且强烈

推荐使用 4 精度模式。

在测量范围 1 中的影响：

对于所有用户，当应用自动校准 TDC 时，对最终测量结果也没有任何影响。

仅当用户在测量范围 1 的情况下，应用非校准的测量结果，而且通过外部读出这个 CAL 数值。而

进行手动的 TDC 校准的情况下，这个 CAL 数值是不可用的。（超声波热量表，水表等应用是涉及不到

的）。

解决方法：

针对这个错误有不同的的解决方法，其中比较好的方法为：

用户可以在进行手动校准后，不要直接读这个校准结果，只需让此校准结果存储在 TDC 内部。当

以后进行测量时，ALU 会自动地使用之前的校准结果进行计算。这样的话，对最终的结果并无影响。

2. 温度测量中时间溢出的错误

为了避免此错误，当温度测量的循环时间为 512μs 时（寄存器 0 的 16 位 TCYCLE），需要将寄存

器 3 的 27 和 28 位 SEL_TIMO_MB2 设置为 2ms，否则从 INTN 管脚出来的中断可能会有错误。

同类产品比较

——爱研究芯片的小王

审核编辑 黄宇