一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现

一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现

陈晔王立辉

(海南大学，海南 儋州 571700)

摘要：介绍了一款基于高精度时间测量芯片TDC-GP21的超声波式热量表的具体设计。热量表中热水流量采用超声波时差法原理进行测量，超声波换能器采用V型安装方式。利用低功耗MSP430单片机的休眠模式等方法，大幅降低了测量系统的功耗。

关键词：TDC-GP21；超声波；热量表；流量；温度

收稿日期：2015-07-21

作者简介：陈晔(1983—)，男，海南人，硕士研究生，助教，研究方向：流量检测。

0引言

供热取暖逐步采用分户计量模式，需要安装热量的检测仪表。本文针对小口径流量测量，选择采用超声波时差法原理。

1测量原理

热量表的三大构件是：流量传感器、温度传感器和热量计算器。工作原理：流量传感器负责检测出当载热流体流经热交换系统时的流量；配对的两支温度探头测量出进水和回水管道的温度；热量计算器计算出系统释放的热量。

1.1热量计量

采用焓差算法计算热量[1]：

Q=CpqmΔθ=Cpqm(θr-θc)

(1)

式中，θr、θc为入、出口水温(℃)；Cp为定压比热容[J/(kg·℃)]；qm为热水质量流量(kg/h)。

式(1)采用质量流量，而换能器检测出的是体积流量qv，因此要根据公式qm=ρqv进行换算。温度会引起水密度ρ的变化，要考虑补偿ρ的变化，则式(1)可写为：

Q=Cpθrρrqv-Cpθcρcqv

(2)

引入水的热焓值h——单位质量的水所含有的热量，即h=Cpθ。故式(2)可写为：

Q=qv(hrρr-hcρc)

(3)

热交换的热量由式(3)通过单片机计算。

1.2流量测量

原理是在相同声程下，以超声波在顺流和逆流方向上传播时间之差来测量液体流速[2]。

顺流传播时间：

t1=L/(c+vsinθ)

(4)

逆流传播时间：

t2=L/(c-vsinθ)

(5)

式中，v为流体沿轴向的速度；c为静水中的传播速度；θ为水中的折射角；L为换能器间的距离。

顺、逆流时间差：

Δt=t2-t1=(2L·v·sinθ)/(c2-v2sin2θ)

(6)

超声波传播速度远远大于水的流速，可简化为：

Δt=(2L·v·sinθ)/c2

(7)

顺、逆流传播的时间和：

t0=(t1+t2)/2

(8)

取t1+t2=2L/c，则：

t0=L/c

(9)

代入式(7)得：

(10)

(11)

其中，管道横截面积为π·L2·cos2θ/4，若管道直径为D，则：

(12)

由式(12)可以看出，对超声波传播时间的测量是流量检测的关键。

1.3温度测量

采用铂热电阻PT1000，当t>0 ℃时，其阻值与温度的关系如下[3]：

Rt=R0(1+At+Bt2)

(13)

式中，R0、Rt为0 ℃、t℃时铂电阻值(Ω)；A=3.9×10-3/℃；B=-5.775×10-7/℃。

由式(13)对铂热电阻进行分段非线性校正，可得：

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

(14)

可得迭代函数为：

(15)

式中，ti为温度值(第i次迭代)。

采用的阻值测量方法原理：不同阻值的电阻连接同一容值的电容进行充放电试验，当电容稳定地达到同一电压时，所用的时间不同。

放电曲线近似直线[4]：

Rsens/Rref=tsens/tref

(16)

由以上可以看出，温度的测量最后归结为了时间的测量。

2硬件设计

2.1TDC-GP21芯片

流量检测采用德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP21来完成[5]，原理是逻辑门电路延迟信号的传输。集成电路工艺精确地决定非门的传输时间，求出传输通过非门的个数，进而得出时间间隔。TDC-GP21芯片内部集成了一个以PICOSTRAIN为基础的测温单元，测量原理是基于电容充放电法，每次测量电流都很小，大大降低了功耗。

2.2MSP430F449

基于低功耗的考虑，选择MSP430F449超低功耗单片机作为主控芯片，其带有FLASH存储器[6]。

2.3外围电路

(1) 超声波换能器。采用以PPS材料作为外壳的压电超声波换能器[7]。PPS外壳超声波换能器参数如下：中心频率——1 MHz；带宽——39.5%；灵敏度——21 dB；Qm——4.9；余震——7.68 μs；外壳材质——PPS；导线末端处理——镀锡；导线外被材质——PVC；导线屏蔽层——Y。

(2) 超声波换能器安装方式。采用V型安装方式，此方式传播量程较长，信号散射损失小，精度高。传感器无空隙安装在同一个平面上，而且测量管段无压损，不会阻塞。

(3) 温度传感器。采用了铂电阻PT1000温度传感器来完成本设计的温度检测。

(4) 信号调理电路设计。1) 选频放大器设计：本设计的超声波频率为1 MHz，而且无源滤波对信号的衰减较大，所以采用有源带通滤波器。2) 正峰值保持采样电路设计：在对接收信号进行自动增益控制之前，须先保持其峰值的稳定。而普通的峰值保持电路输入阻抗非常低，误差较大，且受输出和环境的影响较大。为解决以上问题，本设计采用正峰值保持采样电路[8]。3) 自动增益控制电路设计：原理是单片机接收到峰值采样的信号后，经过处理，输出调控的数字量，以此控制VGC，从而实现信号的自动增益控制。使用可编程增益放大器PGA来实现信号增益的控制。PGA只能以固定的步进行增益控制，不能连续地控制。本设计采用ADI公司高性能小封装的AD8557。

(5) 转换开关电路设计。两个超声波传感器既作为发射探头又作为接收探头。因此，选择模拟多路复用器MAX4674作为转换开关，它由单片机控制，实现顺、逆流流量测量的切换。

(6) 实时时钟电路设计。热量表中，要记录下数据取得的时间。因此，采用DS1302设计了一个时钟电路，给系统提供实时时间数据。此款芯片具有性能好、功耗低等优点[9]。

(7) M-bus传输电路设计。仪表总线M-bus(Meter-bus)是一种用于读取消费类仪表的总线系统。数据通过接口经过仪表总线上传至主控制器。M-bus接口芯片，我们采用由TI公司生产的专用收发芯片TSS72lA。

(8) JTAG接口设计。JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议，主要用于在单片机内部进行测试。本设计所使用的单片机也支持JTAG调试。

(9) 液晶显示器。MSP430F449可以直接驱动段码式液晶，最大驱动能力为160段。本系统需要显示96段的内容，采用4MUX方式，只需要28个引脚：4个公共极，24个段极。

(10) 电源电路设计。为延长电池使用时间，采用电池+直流稳压器的方案；为提高电能利用效率，采用低压差线性稳压器。本设计选用HOLTEK公司生产的HT7333-A芯片[10]。MSP430F449内置电压监控模块，当电池电压低于某一设定的电压值时，产生一个内部中断，触发报警电路。

(11) 按键电路设计。1) 查询按键的设计：热量表通过单个按键查询瞬时热量值等用热状况。采用中断模式，按下按键时，产生中断信号，将系统由休眠中唤醒。2) 复位按键的设计：调试过程中，若程序跑飞或系统出现故障等情况，按下该键。

3软件设计

3.1软件开发环境

MSP430系列单片机支持C语言编程，故系统软件采用C语言编写。选用IAR公司的开发环境Embedded Workbench。程序代码通过JTAG接口直接下载到芯片内部的FLASH，编译环境可以实现脱机运行。软件下载选用MSP430-USB仿真器，型号为MSP-FET430UIF。

3.2系统软件总体设计方案

编写程序采用模块化设计，从功能上划分，可分为主程序和中断子程序两大类(图1)。完成系统初始化后，主程序进入低功耗模式，其他处理任务均可看作是中断事件。

图1　软件系统总体框图

4结语

本设计采用TDC-GP21芯片整合了流量检测和温度检测，精心设计了流量和温度传感器，提高了测量精度。选用MSP430F449作为主控芯片，采用编程界面好且执行效率高的C语言来编写程序。各模块优先选用低功耗的芯片，且利用单片机的休眠模式降低了系统的功耗。

[参考文献]

[1]许胜军，熊东升，杜宝玉.基于单片机的智能热量表研制[J].煤矿现代化，2005(5):38-39.

[2]李晓强，高丽红，王正垠.一种高精度超声波流量计时间测量方法[J].计量技术，2004(6):6-7.

[3]王琳，冯卫.热计量仪表的高精度测温技术论述[J].自动化信息，2006(6):74-75.

[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[5]仲峰，万莉萍，岳宇军.高精度时间测量芯片TDC-GP2在激光测距中的应用[J].工业控制计算机，2007，20(4):69-70.

[6]史旭光.基于MSP430的多功能电能表研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003.

[7]吴彬.PPS国内外概况及DIC.PPS介绍[J].化工新型材料，2009，37(4):107-108.

[8]高睿.超声波物位计的研制[D].成都：电子科技大学，2010.

[9]DALLAS SEMICONDUCTOR MAXIM.DS1302 Trickle-Charge Timekeeping Chip[J/OL]. http://www.maximintegrated.com/en/products/digital/real-time-clocks/DS1302.html

[10]周惠潮.常用电子元件及典型应用[M].北京：电子工业出版社，2005.