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《工業(yè)控制計算機雜志》2016年第11期

摘要：

為了實現(xiàn)超聲波熱量表的低功耗運行，在分析了超聲波熱量表工作原理及儀表系統(tǒng)結構的基礎上，從硬件、軟件兩個方面詳細闡述了系統(tǒng)低功耗設計的思路與方法。實踐證明，通過這樣的設計不僅能夠實現(xiàn)熱量的高精度積算，更重要的是能夠大大降低系統(tǒng)運行功耗：在鋰電池供電情況下整機持續(xù)工作時間完全超過國家標準對系統(tǒng)持續(xù)工作時間的要求。該設計思路同樣適用于其它計量儀表的低功耗設計。

關鍵詞：

超聲波熱量表；低功耗設計；二次儀表設計；熱量計量；MSP430單片機

對于參與熱量積算的關鍵參數(shù)———流量，超聲波熱量表是應用超聲波傳輸測量技術實現(xiàn)流量測量的一類熱量表。由于超聲波流量測量采用的是無插入部件、非接觸方式的間接測量技術，較好解決了其它類型熱量表受熱水管道中的雜質干擾，以及插入式傳感器造成的壓力損失、流體狀態(tài)改變等問題困擾，是目前以及將來較長一段時間內流量測量準確度最高的熱量表，將在工業(yè)生產和社會生活中得到廣泛應用。作為一類以電池為電源供應的測量儀表，超聲波熱量表也存在著在如何降低整機運行功耗、提高電池一次使用壽命的問題。本文在描述超聲波熱量表工作原理和系統(tǒng)設計方案基礎上，重點闡述了如何在硬件和軟件設計中降低系統(tǒng)運行功耗的問題。

1超聲波流量測量和熱量積算

超聲波熱量表是根據(jù)超聲波在流體中的順流和逆流傳輸時間差來間接測量流速和流量。流量測量傳感器為一對安裝在管道上的超聲波換能器，圖1即是一種戶用超聲波熱量表的型管段流量測量方式，主要適用于DN＜50mm的管道［1］。超聲換能器為壓電型收發(fā)兩用，單聲道，工作頻率1MHz。通過推導，可以得出該流量測量方案中體積流量公式［1］為：Q＝πD2L28KL1•△tt2均（1）其中，△t是聲波信號在逆流和順流下的傳播時間差：△＝t逆－t順；t均＝t順＋t逆2；K為流量修正系數(shù)，是線平均流速與面平均流速的比值［1］。圖2是超聲波熱量表熱量計量系統(tǒng)原理圖，熱量表由入、回水溫度測量，超聲流量測量和熱量積算三部分組成，熱量積算可由以下公式［2］得來：Q＝τ1τ0乙qm•△h•dτ＝τ1τ0乙ρ•qv•△h•dτ（2）式中：Q為釋放熱量，kJ；qm為流經熱量表的熱水的質量流量，kg／s；qv為體積流量，m3／s；ρ為流經的熱水密度，kg／m3；△h為流經的熱水在進出口的焓值差，kJ／kg；為時間，s。運用焓差法進行熱量計算時，可以先應用公式（3）計算出一定時間間隔內釋放出的熱量值，而總的熱量值就是分段時間內熱量值的累計之和［2］。Q＝qv（hrρr－h(huán)cρc）（3）式中，qv為該段時間內的體積流量；hr、hc是入口和出口溫度下的熱水焓值；ρr、ρc是入口和出口溫度下的熱水密度。熱水焓值與密度都與溫度有關，在城鎮(zhèn)行業(yè)建設標準CJ128－2007《熱量表》中專門給出了在不同溫度下水的焓值與密度值，可以通過查表法以及線性插值運算的方法計算得到一定時間間隔內釋放的熱量。

2超聲波熱量表系統(tǒng)方案設計

根據(jù)上述熱量積算原理，可設計出超聲波熱量表系統(tǒng)結構如圖3所示。系統(tǒng)主要包括主控電路模塊、超聲流量測量模塊、溫度測量模塊、人機交互模塊、電源模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)備份模塊，以及其它輸出方式模塊等。主控制器采用了TI公司的MSP430FW427單片機，該單片機常用于無磁熱量表，選用它有助于老產品的轉型與升級換代。時間數(shù)字轉換器TDC－GP21是德國Acam公司生產的時間測量芯片，專門用于超聲波流量信號檢測中的時間長度測量。它的時間測量范圍為500ns～4ms（模式2）；每個信號通道的測量分辨率為90ps，最高可達22ps；可提供準確的檢測停止信號［3］。選擇TDC－GP21另一個原因是其內部集成了專門的溫度測量模塊，通過外接PT1000的鉑電阻溫度傳感器即可實現(xiàn)溫度測量。

3超聲波熱量表的低功耗設計

由于戶用超聲波熱量表以電池供電為主，因此保證熱量表超低功耗運行是整個熱表設計的重點。下面就從硬件和軟件兩個方面詳細討論如何實現(xiàn)低功耗設計。

3．1硬件的低功耗設計

（1）主控制器和時間數(shù)字轉換器的低功耗選型主控制器選用

MSP430FW427單片機不僅是因為它具有超低功耗運行特性：①工作電壓低：1．8～3．6V。②工作電流低：在2．2V、1MHz工作模式下為200μA；待機模式下0．7μA；只維持RAM的關斷模式下僅為0．1μA［4］。③除了一種活動模式以外還有5種可選擇的低功耗模式，這5種低功耗模式下，CPU、主／子／輔助系統(tǒng)時鐘、內部數(shù)字振蕩器（DCO）、鎖頻環(huán)等分別被停用［4］，這可以在流量、溫度的非檢測期通過選擇不同模式進一步降低工作電流、減少消耗。同時，它還具有豐富的內部功能模塊和外部接口擴展：6×8個I／O端口（其中2×8個可中斷）、2～3個8／16位的定時／計數(shù)器、比較器、看門狗定時器、用于LCD的96段顯示驅動模塊、可對電壓值進行實時監(jiān)測的電源監(jiān)控器等，這不僅可以簡化外圍電路、節(jié)約硬件設計成本，同時也大大降低了系統(tǒng)的運行功耗。超聲波傳輸時間測量芯片采用TDC－GP21，不僅因為其分辨率滿足了時差測量精度的要求，更重要的是它具有的低功耗運行特性［3］：①工作電壓低：2．5～3．6V；②在使用內部集成電路模塊進行流量、溫度測量時，平均工作電流可低至2．2μA；③利用自帶溫度測量模塊進行每30s一次的溫度測量時，所需平均電流僅為0．08μA，大大低于其它溫度測量方案所需要的功耗，并且這種溫度測量方式僅需簡單的外圍電阻和電容，簡化了硬件設計，降低了硬件成本。

（2）其它功能電路的低功耗設計

由圖3可知，其它外圍功能電路有人機交互、電源、通訊、數(shù)據(jù)備份、LCD顯示等。對這些電路，采用的低功耗設計方案是：①在保證功能實現(xiàn)的前提下，盡量簡化電路結構。如在人機交互部分，僅設計了3個獨立式按鍵，用于參數(shù)設置、功能／模式選擇、儀器標定等。由于大量的參數(shù)、命令需要通過這些按鍵傳遞給主控器，而對按鍵的常規(guī)定義滿足不了實際需要，因此可以在程序設計中通過一鍵多義、雙鍵復用的方式解決這一矛盾；②對于那些可用軟件模擬方式實現(xiàn)硬件接口功能的則取消相應接口電路。如系統(tǒng)中主控芯片和計時芯片之間的SPI通訊接口方式即是通過軟件模擬實現(xiàn)。主控制器和備份存儲器之間的I2C通訊方式也是通過軟件模擬實現(xiàn)；③電路中多采用低功耗類元器件如CMOS型器件。

3．2軟件的低功耗設計

（1）主控制器低功耗模式的程序選擇

MSP430單片機作為主控制器的最大優(yōu)勢在于自身有5種低功耗模式供程序選擇運行在不同的時間段。在這5種模式下，CPU、系統(tǒng)時鐘、數(shù)字振蕩器DCO、鎖頻環(huán)等可以分別停用以降低功耗。在本程序中，當系統(tǒng)完成初始化和關鍵參數(shù)測量、熱量積算后，便會根據(jù)相應指令進入低功耗模式LPM3，一直等到內部或外部中斷信號將其喚醒。在LPM3模式下，CPU、主系統(tǒng)時鐘MCLK、數(shù)字頻率鎖相環(huán)FLL控制、內部數(shù)字振蕩器DCO及其發(fā)生器都停止工作，只有輔助系統(tǒng)時鐘ACLK保持活動狀態(tài)，這大大降低了主控制器的運行功耗。

（2）芯片工作頻率的程控選擇

由于芯片功耗與其工作頻率有關，頻率越高，功耗就越大。因此，為盡可能降低功耗，需要在程序設計時根據(jù)實際工作需要通過專門指令對主控制器和計時芯片的時鐘源進行合理配置。對主控制器來說，在通常情況下使用芯片自帶的DCO數(shù)控振蕩器，雖精度不高但功耗相對較低；對需要精確定時的場合，則采用外接的32．768kHz低頻晶振。盡量避免使用外接高頻晶振。而計時芯片TDC－GP21間斷工作時，可根據(jù)需要通過程序選擇2個不同的工作振蕩器。一個是4MHz的高頻晶振。該晶振采用陶瓷晶振，具有低成本、低電流、啟動快的優(yōu)點，但也具有誤差較大、有溫漂明顯的缺點，因此常用于時差測量時的粗值計數(shù)。為保證測量精度，測量時還需輔以另一個精確的32．768kHz儀表晶振。以此頻率為基準，通過校準程序對粗值測量結果進行校準。這2個不同的振蕩器在開啟時的工作電流分別為0．52μA和0．5μA。

（3）測量電路的分時驅動和外圍電路的按需驅動

對參與熱量積算的主要參數(shù)測量電路不再采用長期供電的模式，而是在不同時間節(jié)點上通過調用相應程序進行分時驅動、統(tǒng)一調度。例如，每間隔2s啟動一次以計時芯片為核心的流量測量電路，完成流量參數(shù)測量；每間隔30s啟動一次溫度測量電路，完成溫度參數(shù)測量。計算得到的熱量值還可以根據(jù)需要選擇以其它方式輸出，如0～1000Hz的頻率信號，代表不同熱量數(shù)值的脈沖數(shù)，以及0～20mA或4～20mA電流環(huán)輸出等。不同的輸出方式對應于不同的功能電路，如電流環(huán)輸出就需要有D／A和V／I轉換電路，這些外圍功能電路只有在有需要時由程序輸出指令啟動。

（4）輔助功能程序多采用中斷方式調用

系統(tǒng)的一些功能程序如低壓報警、儀表參數(shù)設置、界面狀態(tài)顯示、歷史熱量值保存等都是通過中斷方式，由系統(tǒng)調用相關中斷服務程序完成。這些中斷請求有些是來自內部中斷源，如定時時間到進行歷史值保存；有些是通過外部中斷口提出的，如人機交互請求（MSP430單片機的很多I／O口都可以作為獨立的外部中斷口）。在沒有中斷請求狀況下，這些功能程序通常處于“靜默”狀態(tài)，這有助于降低系統(tǒng)功耗。

（5）程序中采用的其它降低功耗措施

1）在熱量積算程序運行時，由于運算公式涉及了許多復雜的數(shù)學函數(shù)和表達式，而且為保證精度，參與運算的數(shù)值都采用的是5字節(jié)的浮點數(shù)，因此在滿足精度前提下盡可能采用一維、二維表格運算以及插值運算的方法以簡化運算過程，減少程序運行時間，降低系統(tǒng)運行功耗。

2）另外，由于每年的供暖季只是一年中的某幾個月，在非采暖期，通過程序關閉對流量、溫度信號的采集以及熱量的積算，僅保持計時時鐘。非采暖期的時間起止可以通過人機交互界面由用戶設置。圖4所示是系統(tǒng)為降低功耗所采用的硬件和軟件設計。在超聲波熱量表硬件、軟件設計過程中，通過采用上述低功耗設計手段，不僅使得熱量表的各功能模塊工作正常，人機界面操作靈活，熱量測算精度高，更重要的是大大降低了系統(tǒng)運行功耗：整機平均工作電流可小于30μA。當使用一節(jié)ER14505鋰電池（3．6V，2．4Ah）作為系統(tǒng)電源時，按照90％容量內放電曲線平穩(wěn)的特性來計算，可以使整個儀表的正常持續(xù)工作時間保持在8年以上，超過了國家標準中對熱量表持續(xù)工作時間6年的要求。

參考文獻：

［1］阮越廣．應用TDC－GP21的戶用超聲波熱量表設計［J］．微計算機信息，2012，28（5）：91－92

［2］鞠文濤．超聲波熱量表的設計與研發(fā)［D］．杭州：浙江大學機械與能源工程學院，2008：7－9，44－47

作者:阮越廣 單位:浙江機電職業(yè)技術學院電氣電子工程學院