超低功耗超声波热量表的设计-技术指导-自动化应用案例

超低功耗超声波热量表的设计

发布日期：2012-04-24 作者：山东科技大学信电学院张宁任贵文王艳艳浏览次数：51603

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【摘　要】：低功耗与高精度是热量表的关键。本文设计了基于超低功耗单片机MSP430系列为主要控制器和高精度TDC-GP21为主测量芯片的的小管道超声波式热量表。液晶汉显，用户界面良好。通信方式多样，抄表方便。实验表明，本设计具有超功耗低、精度高、对外界环境要求低，易于集中管理等优点。

1引言

随着低碳，节能等概念的提出并趋于热化，一些行业，特别是北方城镇居民供暖收费的不合理性逐渐突出。传统的城镇居民供暖是按住宅面积收费，用户不能根据实际情况调节室内温度、浪费现象明显，供热系统存在缺陷。热量表应时而生，国内市场上主要以机械式、超声波式为主。然而现实表明机械式热表易出现机械磨损影响精度，对外界环境要求高，使用寿命短，已有逐渐被取代的趋向。超声波式热量表无机械磨损、对水质要求低，精度高。本文设计了一种以超低功耗芯片MSP430为主控制器的超声波式热量表。

2热量表的计量原理

热量表主要以用户所消费的热量为标准来收费，热量的计量通过流量和温差来实现。依公式：

可计算一段时间内用户所消耗的热量值Q。式中：k为热系数；热系数可查表或通过表格拟合曲线来计算。D为管道内直径；△T为交换介质进出口温度差；v为管道内介质流速。可见，需要检测的参数主要有管道介质流速、进出口温度三个参数。他们直接决定了热量表的精度。3系统硬件及测量原理
3.1系统硬件组成

图1 系统组成图

系统硬件主要构成如图1所示。

主要包括主控制器、检测、通信、供电、人机交互、保护电路。控制器采用超低功耗16位单片机MPS430F4x系列。检测部分采用时间测量芯片TDC-GP21。通信部分包括红外通信和M-BUS通信。采用3.6V单节电池供电，经三端稳压芯片转换成3.0V。人机交互包括按键和液晶。保护电路主要是电池电源检测。

3.2温度测量原理

TDC-GP21是德国ACAMG公司推出的一款适合于低成本的工业领域的时间数字转换芯片，其基本原理是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确化时间间隔。高精度时间测量（精确到到22ps）和温度测量的特点使其特别适用于超声波热量表。

TDC-GP21有4个温度测量端口^[1]，可最多测量2对传感器和参考电阻。可实现进出口温度的测量，外围只需只需一个共用参考电阻和放电电容。TDC-GP21内部集成了一个16有效精度PICOSTAIN温度测量单元。通过比较参考电阻的放电时间和温度传感器的放电时间推算出温度传感器电阻值，根据传感器的电阻与温度的对应关系从而得出温度值。温度传感器采用线性度较好的PT1000进行试验。

3.3流速测量原理

TDC-GP21内部集成了一个脉冲发生器，有两个脉冲输出口，输出口的驱动能力达48mA，无需前段放大可以直接驱动超声波换能器。通过一对超声波换能器可实现介质速度的测量，原理如图2所示，通过超声波在介质中的顺流和逆流传播时间来间接计算介质流速。超声波顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u分别为。

图2 流量检测原理

C为超声波在介质中的速度，v为介质速度。L传播距离。不难推出v：

△t为时间差。
根据流体力学知，管道截面上的流速分布不是均匀的，一般中间大，边缘速度小。故需加修正系数K，使得

3.4TDC-GP21测量流速的寄存器配置

MSP430通过TDC-GP21的SPI接口对其发送命令和读数据。在进行速度测量时首先对TDC-GP21进行正确配置，例如选择正确的测量范围2；选择参考时钟为32.768kHZ；设置所需的脉冲次数为3；选择自动校准；选择输入触发方式为下降沿；开启正确的中断源已达预定采样数等。为降低功耗，主程序初始化时关闭了TDC-GP21的外部，在配置中开启。配置完后发送初始化命令开始测量，测量自动进行。测量后TDC-GP21的ALU对数据处理，处理完毕后在中断管脚产生中断。MSP430读数据完成一次测量。对于速度的测量需测量上游下游两次。

4人机交互及通信部分

4.1人机交互

本系统采用单个按键以中断形式实现4级菜单分别显示工作模式、鉴定模式、校表模式、历史数据查询模式。各模式下又分不同界面。MSP430F4x系列内置多达160段的LCD驱动^[2]，完全满足显示要求。采用简略汉显，方便客户实时查看，实现透明化。

3.2通讯部分

本系统采用红外和M-BUS两种方式实现通信。红外部分采用一对红外发送接收二极管及限流电阻来完成。无需38K调制波调制即可完成通信。

M-BUS通信采用Texas Instruments公司的TSS721A。原理如下，主站通过调制电压来传输数据，高电平时为逻辑1，低电平时为逻辑0；。终端向主站发送数据通过电流调制，大电流时为逻辑1，小电流时为逻辑0.硬件电路如图3所示。另外电路采用TLP521-1实现与主芯片的光耦隔离，提高抗干扰能力。

图3 M-BUS硬件电路图

采用利尔达开发的M-BUS01远程抄表系统^[3]。用户b表的信息通过M-BUS统一集中到中继器上，每个中继器可带256个用户表，传输距离最低1公里。适合于居民楼用。

5低功耗及保护部分

系统正常工作模式下功耗约为5-8μA，主要体现在以下几个方面。当TDC-GP21的4M晶振工作时功耗为200μA左右。按速度每秒钟采集2次，温度每30秒采集一次，则功耗一般在5μA左右。经测试液晶功耗约为10μA，软件设置无按键中断时自动灭，此时液晶功耗近乎0。MSP430 F4x有5种工作模式，通过工作模式的切换可降低功耗。低功耗模式3下MSP430F4x的功耗约0.9μA。此模式下关闭了CPU、MCLK、SMCLK、DCO，仅ACLK活动，使得整个系统功耗降低约5~8μA。红外通信采用红外二极管，无需38k调制波调制，在无通信时，不导通，功耗为0，相比红外接收头来说降低了功耗。TDC-GP21的4M晶振在检测时开启，检测完毕后关闭也大大降低了功耗。系统时钟设为8M，大大提高了程序的运行速度，降低了功耗。

采用MSP430F4内部电压监测电路检测电池电压，电压过低时，芯片复位。M-BUS线路加双向二极管，防止总线电压过大损坏芯片。功耗都有很大的影响。

6软件实现

软件设计主要围绕低功耗、可靠运行而定，主要包括速度和温度的检测、按键、通信等中断子程序。应用MSP430F4x自带的看门狗保证程序的稳定运行，各中断程序中适当喂狗，防止程序跑飞^[4]。中断唤醒低功耗模式进入工作模式降低了低功耗。基本程序流程图如图4所示。