一款基于TDC-GP21的低功耗熱量表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曄王立輝

(海南大學(xué)，海南 儋州 571700)

摘要：介紹了一款基于高精度時間測量芯片TDC-GP21的超聲波式熱量表的具體設(shè)計(jì)。熱量表中熱水流量采用超聲波時差法原理進(jìn)行測量，超聲波換能器采用V型安裝方式。利用低功耗MSP430單片機(jī)的休眠模式等方法，大幅降低了測量系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵詞：TDC-GP21；超聲波；熱量表；流量；溫度

收稿日期：2015-07-21

作者簡介：陳曄(1983—)，男，海南人，碩士研究生，助教，研究方向：流量檢測。

0引言

供熱取暖逐步采用分戶計(jì)量模式，需要安裝熱量的檢測儀表。本文針對小口徑流量測量，選擇采用超聲波時差法原理。

1測量原理

熱量表的三大構(gòu)件是：流量傳感器、溫度傳感器和熱量計(jì)算器。工作原理：流量傳感器負(fù)責(zé)檢測出當(dāng)載熱流體流經(jīng)熱交換系統(tǒng)時的流量；配對的兩支溫度探頭測量出進(jìn)水和回水管道的溫度；熱量計(jì)算器計(jì)算出系統(tǒng)釋放的熱量。

1.1熱量計(jì)量

采用焓差算法計(jì)算熱量[1]：

Q=CpqmΔθ=Cpqm(θr-θc)

(1)

式中，θr、θc為入、出口水溫(℃)；Cp為定壓比熱容[J/(kg·℃)]；qm為熱水質(zhì)量流量(kg/h)。

式(1)采用質(zhì)量流量，而換能器檢測出的是體積流量qv，因此要根據(jù)公式qm=ρqv進(jìn)行換算。溫度會引起水密度ρ的變化，要考慮補(bǔ)償ρ的變化，則式(1)可寫為：

Q=Cpθrρrqv-Cpθcρcqv

(2)

引入水的熱焓值h——單位質(zhì)量的水所含有的熱量，即h=Cpθ。故式(2)可寫為：

Q=qv(hrρr-hcρc)

(3)

熱交換的熱量由式(3)通過單片機(jī)計(jì)算。

1.2流量測量

原理是在相同聲程下，以超聲波在順流和逆流方向上傳播時間之差來測量液體流速[2]。

順流傳播時間：

t1=L/(c+vsinθ)

(4)

逆流傳播時間：

t2=L/(c-vsinθ)

(5)

式中，v為流體沿軸向的速度；c為靜水中的傳播速度；θ為水中的折射角；L為換能器間的距離。

順、逆流時間差：

Δt=t2-t1=(2L·v·sinθ)/(c2-v2sin2θ)

(6)

超聲波傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的流速，可簡化為：

Δt=(2L·v·sinθ)/c2

(7)

順、逆流傳播的時間和：

t0=(t1+t2)/2

(8)

取t1+t2=2L/c，則：

t0=L/c

(9)

代入式(7)得：

(10)

(11)

其中，管道橫截面積為π·L2·cos2θ/4，若管道直徑為D，則：

(12)

由式(12)可以看出，對超聲波傳播時間的測量是流量檢測的關(guān)鍵。

1.3溫度測量

采用鉑熱電阻PT1000，當(dāng)t>0 ℃時，其阻值與溫度的關(guān)系如下[3]：

Rt=R0(1+At+Bt2)

(13)

式中，R0、Rt為0 ℃、t℃時鉑電阻值(Ω)；A=3.9×10-3/℃；B=-5.775×10-7/℃。

由式(13)對鉑熱電阻進(jìn)行分段非線性校正，可得：

F=Rt-R0(1+At+Bt2)

(14)

可得迭代函數(shù)為：

(15)

式中，ti為溫度值(第i次迭代)。

采用的阻值測量方法原理：不同阻值的電阻連接同一容值的電容進(jìn)行充放電試驗(yàn)，當(dāng)電容穩(wěn)定地達(dá)到同一電壓時，所用的時間不同。

放電曲線近似直線[4]：

Rsens/Rref=tsens/tref

(16)

由以上可以看出，溫度的測量最后歸結(jié)為了時間的測量。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1TDC-GP21芯片

流量檢測采用德國ACAM公司的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21來完成[5]，原理是邏輯門電路延遲信號的傳輸。集成電路工藝精確地決定非門的傳輸時間，求出傳輸通過非門的個數(shù)，進(jìn)而得出時間間隔。TDC-GP21芯片內(nèi)部集成了一個以PICOSTRAIN為基礎(chǔ)的測溫單元，測量原理是基于電容充放電法，每次測量電流都很小，大大降低了功耗。

2.2MSP430F449

基于低功耗的考慮，選擇MSP430F449超低功耗單片機(jī)作為主控芯片，其帶有FLASH存儲器[6]。

2.3外圍電路

(1) 超聲波換能器。采用以PPS材料作為外殼的壓電超聲波換能器[7]。PPS外殼超聲波換能器參數(shù)如下：中心頻率——1 MHz；帶寬——39.5%；靈敏度——21 dB；Qm——4.9；余震——7.68 μs；外殼材質(zhì)——PPS；導(dǎo)線末端處理——鍍錫；導(dǎo)線外被材質(zhì)——PVC；導(dǎo)線屏蔽層——Y。

(2) 超聲波換能器安裝方式。采用V型安裝方式，此方式傳播量程較長，信號散射損失小，精度高。傳感器無空隙安裝在同一個平面上，而且測量管段無壓損，不會阻塞。

(3) 溫度傳感器。采用了鉑電阻PT1000溫度傳感器來完成本設(shè)計(jì)的溫度檢測。

(4) 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)。1) 選頻放大器設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)的超聲波頻率為1 MHz，而且無源濾波對信號的衰減較大，所以采用有源帶通濾波器。2) 正峰值保持采樣電路設(shè)計(jì)：在對接收信號進(jìn)行自動增益控制之前，須先保持其峰值的穩(wěn)定。而普通的峰值保持電路輸入阻抗非常低，誤差較大，且受輸出和環(huán)境的影響較大。為解決以上問題，本設(shè)計(jì)采用正峰值保持采樣電路[8]。3) 自動增益控制電路設(shè)計(jì)：原理是單片機(jī)接收到峰值采樣的信號后，經(jīng)過處理，輸出調(diào)控的數(shù)字量，以此控制VGC，從而實(shí)現(xiàn)信號的自動增益控制。使用可編程增益放大器PGA來實(shí)現(xiàn)信號增益的控制。PGA只能以固定的步進(jìn)行增益控制，不能連續(xù)地控制。本設(shè)計(jì)采用ADI公司高性能小封裝的AD8557。

(5) 轉(zhuǎn)換開關(guān)電路設(shè)計(jì)。兩個超聲波傳感器既作為發(fā)射探頭又作為接收探頭。因此，選擇模擬多路復(fù)用器MAX4674作為轉(zhuǎn)換開關(guān)，它由單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)順、逆流流量測量的切換。

(6) 實(shí)時時鐘電路設(shè)計(jì)。熱量表中，要記錄下數(shù)據(jù)取得的時間。因此，采用DS1302設(shè)計(jì)了一個時鐘電路，給系統(tǒng)提供實(shí)時時間數(shù)據(jù)。此款芯片具有性能好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[9]。

(7) M-bus傳輸電路設(shè)計(jì)。儀表總線M-bus(Meter-bus)是一種用于讀取消費(fèi)類儀表的總線系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通過接口經(jīng)過儀表總線上傳至主控制器。M-bus接口芯片，我們采用由TI公司生產(chǎn)的專用收發(fā)芯片TSS72lA。

(8) JTAG接口設(shè)計(jì)。JTAG(Joint Test Action Group)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行測試。本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)也支持JTAG調(diào)試。

(9) 液晶顯示器。MSP430F449可以直接驅(qū)動段碼式液晶，最大驅(qū)動能力為160段。本系統(tǒng)需要顯示96段的內(nèi)容，采用4MUX方式，只需要28個引腳：4個公共極，24個段極。

(10) 電源電路設(shè)計(jì)。為延長電池使用時間，采用電池+直流穩(wěn)壓器的方案；為提高電能利用效率，采用低壓差線性穩(wěn)壓器。本設(shè)計(jì)選用HOLTEK公司生產(chǎn)的HT7333-A芯片[10]。MSP430F449內(nèi)置電壓監(jiān)控模塊，當(dāng)電池電壓低于某一設(shè)定的電壓值時，產(chǎn)生一個內(nèi)部中斷，觸發(fā)報(bào)警電路。

(11) 按鍵電路設(shè)計(jì)。1) 查詢按鍵的設(shè)計(jì)：熱量表通過單個按鍵查詢瞬時熱量值等用熱狀況。采用中斷模式，按下按鍵時，產(chǎn)生中斷信號，將系統(tǒng)由休眠中喚醒。2) 復(fù)位按鍵的設(shè)計(jì)：調(diào)試過程中，若程序跑飛或系統(tǒng)出現(xiàn)故障等情況，按下該鍵。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件開發(fā)環(huán)境

MSP430系列單片機(jī)支持C語言編程，故系統(tǒng)軟件采用C語言編寫。選用IAR公司的開發(fā)環(huán)境Embedded Workbench。程序代碼通過JTAG接口直接下載到芯片內(nèi)部的FLASH，編譯環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行。軟件下載選用MSP430-USB仿真器，型號為MSP-FET430UIF。

3.2系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)方案

編寫程序采用模塊化設(shè)計(jì)，從功能上劃分，可分為主程序和中斷子程序兩大類(圖1)。完成系統(tǒng)初始化后，主程序進(jìn)入低功耗模式，其他處理任務(wù)均可看作是中斷事件。

圖1　軟件系統(tǒng)總體框圖

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用TDC-GP21芯片整合了流量檢測和溫度檢測，精心設(shè)計(jì)了流量和溫度傳感器，提高了測量精度。選用MSP430F449作為主控芯片，采用編程界面好且執(zhí)行效率高的C語言來編寫程序。各模塊優(yōu)先選用低功耗的芯片，且利用單片機(jī)的休眠模式降低了系統(tǒng)的功耗。

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