超聲波熱量表低功耗設(shè)計(jì)探討范文

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《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)雜志》2016年第11期

摘要：

為了實(shí)現(xiàn)超聲波熱量表的低功耗運(yùn)行，在分析了超聲波熱量表工作原理及儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從硬件、軟件兩個(gè)方面詳細(xì)闡述了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的思路與方法。實(shí)踐證明，通過這樣的設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的高精度積算，更重要的是能夠大大降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗：在鋰電池供電情況下整機(jī)持續(xù)工作時(shí)間完全超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間的要求。該設(shè)計(jì)思路同樣適用于其它計(jì)量?jī)x表的低功耗設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：

超聲波熱量表；低功耗設(shè)計(jì)；二次儀表設(shè)計(jì)；熱量計(jì)量；MSP430單片機(jī)

對(duì)于參與熱量積算的關(guān)鍵參數(shù)———流量，超聲波熱量表是應(yīng)用超聲波傳輸測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的一類熱量表。由于超聲波流量測(cè)量采用的是無插入部件、非接觸方式的間接測(cè)量技術(shù)，較好解決了其它類型熱量表受熱水管道中的雜質(zhì)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)流量測(cè)量準(zhǔn)確度最高的熱量表，將在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中得到廣泛應(yīng)用。作為一類以電池為電源供應(yīng)的測(cè)量?jī)x表，超聲波熱量表也存在著在如何降低整機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了如何在硬件和軟件設(shè)計(jì)中降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗的問題。

1超聲波流量測(cè)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(shí)間差來間接測(cè)量流速和流量。流量測(cè)量傳感器為一對(duì)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(cè)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(dǎo)，可以得出該流量測(cè)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(hào)在逆流和順流下的傳播時(shí)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(jì)量系統(tǒng)原理圖，熱量表由入、回水溫度測(cè)量，超聲流量測(cè)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(jīng)熱量表的熱水的質(zhì)量流量，kg／s；qv為體積流量，m3／s；ρ為流經(jīng)的熱水密度，kg／m3；△h為流經(jīng)的熱水在進(jìn)出口的焓值差，kJ／kg；為時(shí)間，s。運(yùn)用焓差法進(jìn)行熱量計(jì)算時(shí)，可以先應(yīng)用公式（3）計(jì)算出一定時(shí)間間隔內(nèi)釋放出的熱量值，而總的熱量值就是分段時(shí)間內(nèi)熱量值的累計(jì)之和［2］。Q＝qv（hrρr－h(huán)cρc）（3）式中，qv為該段時(shí)間內(nèi)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(guān)，在城鎮(zhèn)行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算的方法計(jì)算得到一定時(shí)間間隔內(nèi)釋放的熱量。

2超聲波熱量表系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述熱量積算原理，可設(shè)計(jì)出超聲波熱量表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)主要包括主控電路模塊、超聲流量測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊、人機(jī)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(jī)，該單片機(jī)常用于無磁熱量表，選用它有助于老產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型與升級(jí)換代。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC－GP21是德國(guó)Acam公司生產(chǎn)的時(shí)間測(cè)量芯片，專門用于超聲波流量信號(hào)檢測(cè)中的時(shí)間長(zhǎng)度測(cè)量。它的時(shí)間測(cè)量范圍為500ns～4ms（模式2）；每個(gè)信號(hào)通道的測(cè)量分辨率為90ps，最高可達(dá)22ps；可提供準(zhǔn)確的檢測(cè)停止信號(hào)［3］。選擇TDC－GP21另一個(gè)原因是其內(nèi)部集成了專門的溫度測(cè)量模塊，通過外接PT1000的鉑電阻溫度傳感器即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

3超聲波熱量表的低功耗設(shè)計(jì)

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(yùn)行是整個(gè)熱表設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。下面就從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)討論如何實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

3．1硬件的低功耗設(shè)計(jì)

（1）主控制器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的低功耗選型主控制器選用

MSP430FW427單片機(jī)不僅是因?yàn)樗哂谐凸倪\(yùn)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(jī)模式下0．7μA；只維持RAM的關(guān)斷模式下僅為0．1μA［4］。③除了一種活動(dòng)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(shí)鐘、內(nèi)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(cè)期通過選擇不同模式進(jìn)一步降低工作電流、減少消耗。同時(shí)，它還具有豐富的內(nèi)部功能模塊和外部接口擴(kuò)展：6×8個(gè)I／O端口（其中2×8個(gè)可中斷）、2～3個(gè)8／16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器、比較器、看門狗定時(shí)器、用于LCD的96段顯示驅(qū)動(dòng)模塊、可對(duì)電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電源監(jiān)控器等，這不僅可以簡(jiǎn)化外圍電路、節(jié)約硬件設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量芯片采用TDC－GP21，不僅因?yàn)槠浞直媛蕽M足了時(shí)差測(cè)量精度的要求，更重要的是它具有的低功耗運(yùn)行特性［3］：①工作電壓低：2．5～3．6V；②在使用內(nèi)部集成電路模塊進(jìn)行流量、溫度測(cè)量時(shí)，平均工作電流可低至2．2μA；③利用自帶溫度測(cè)量模塊進(jìn)行每30s一次的溫度測(cè)量時(shí)，所需平均電流僅為0．08μA，大大低于其它溫度測(cè)量方案所需要的功耗，并且這種溫度測(cè)量方式僅需簡(jiǎn)單的外圍電阻和電容，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，降低了硬件成本。

（2）其它功能電路的低功耗設(shè)計(jì)

由圖3可知，其它外圍功能電路有人機(jī)交互、電源、通訊、數(shù)據(jù)備份、LCD顯示等。對(duì)這些電路，采用的低功耗設(shè)計(jì)方案是：①在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下，盡量簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。如在人機(jī)交互部分，僅設(shè)計(jì)了3個(gè)獨(dú)立式按鍵，用于參數(shù)設(shè)置、功能／模式選擇、儀器標(biāo)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(duì)按鍵的常規(guī)定義滿足不了實(shí)際需要，因此可以在程序設(shè)計(jì)中通過一鍵多義、雙鍵復(fù)用的方式解決這一矛盾；②對(duì)于那些可用軟件模擬方式實(shí)現(xiàn)硬件接口功能的則取消相應(yīng)接口電路。如系統(tǒng)中主控芯片和計(jì)時(shí)芯片之間的SPI通訊接口方式即是通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)。主控制器和備份存儲(chǔ)器之間的I2C通訊方式也是通過軟件模擬實(shí)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(shè)計(jì)

（1）主控制器低功耗模式的程序選擇

MSP430單片機(jī)作為主控制器的最大優(yōu)勢(shì)在于自身有5種低功耗模式供程序選擇運(yùn)行在不同的時(shí)間段。在這5種模式下，CPU、系統(tǒng)時(shí)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(dāng)系統(tǒng)完成初始化和關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量、熱量積算后，便會(huì)根據(jù)相應(yīng)指令進(jìn)入低功耗模式LPM3，一直等到內(nèi)部或外部中斷信號(hào)將其喚醒。在LPM3模式下，CPU、主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK、數(shù)字頻率鎖相環(huán)FLL控制、內(nèi)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(shí)鐘ACLK保持活動(dòng)狀態(tài)，這大大降低了主控制器的運(yùn)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(guān)，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(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際工作需要通過專門指令對(duì)主控制器和計(jì)時(shí)芯片的時(shí)鐘源進(jìn)行合理配置。對(duì)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(duì)較低；對(duì)需要精確定時(shí)的場(chǎng)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(jì)時(shí)芯片TDC－GP21間斷工作時(shí)，可根據(jù)需要通過程序選擇2個(gè)不同的工作振蕩器。一個(gè)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(dòng)快的優(yōu)點(diǎn)，但也具有誤差較大、有溫漂明顯的缺點(diǎn)，因此常用于時(shí)差測(cè)量時(shí)的粗值計(jì)數(shù)。為保證測(cè)量精度，測(cè)量時(shí)還需輔以另一個(gè)精確的32．768kHz儀表晶振。以此頻率為基準(zhǔn)，通過校準(zhǔn)程序?qū)Υ种禍y(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。這2個(gè)不同的振蕩器在開啟時(shí)的工作電流分別為0．52μA和0．5μA。

（3）測(cè)量電路的分時(shí)驅(qū)動(dòng)和外圍電路的按需驅(qū)動(dòng)

對(duì)參與熱量積算的主要參數(shù)測(cè)量電路不再采用長(zhǎng)期供電的模式，而是在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上通過調(diào)用相應(yīng)程序進(jìn)行分時(shí)驅(qū)動(dòng)、統(tǒng)一調(diào)度。例如，每間隔2s啟動(dòng)一次以計(jì)時(shí)芯片為核心的流量測(cè)量電路，完成流量參數(shù)測(cè)量；每間隔30s啟動(dòng)一次溫度測(cè)量電路，完成溫度參數(shù)測(cè)量。計(jì)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(hào)，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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換電路，這些外圍功能電路只有在有需要時(shí)由程序輸出指令啟動(dòng)。

（4）輔助功能程序多采用中斷方式調(diào)用

系統(tǒng)的一些功能程序如低壓報(bào)警、儀表參數(shù)設(shè)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(diào)用相關(guān)中斷服務(wù)程序完成。這些中斷請(qǐng)求有些是來自內(nèi)部中斷源，如定時(shí)時(shí)間到進(jìn)行歷史值保存；有些是通過外部中斷口提出的，如人機(jī)交互請(qǐng)求（MSP430單片機(jī)的很多I／O口都可以作為獨(dú)立的外部中斷口）。在沒有中斷請(qǐng)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(yùn)行時(shí)，由于運(yùn)算公式涉及了許多復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)和表達(dá)式，而且為保證精度，參與運(yùn)算的數(shù)值都采用的是5字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)，因此在滿足精度前提下盡可能采用一維、二維表格運(yùn)算以及插值運(yùn)算的方法以簡(jiǎn)化運(yùn)算過程，減少程序運(yùn)行時(shí)間，降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗。

2）另外，由于每年的供暖季只是一年中的某幾個(gè)月，在非采暖期，通過程序關(guān)閉對(duì)流量、溫度信號(hào)的采集以及熱量的積算，僅保持計(jì)時(shí)時(shí)鐘。非采暖期的時(shí)間起止可以通過人機(jī)交互界面由用戶設(shè)置。圖4所示是系統(tǒng)為降低功耗所采用的硬件和軟件設(shè)計(jì)。在超聲波熱量表硬件、軟件設(shè)計(jì)過程中，通過采用上述低功耗設(shè)計(jì)手段，不僅使得熱量表的各功能模塊工作正常，人機(jī)界面操作靈活，熱量測(cè)算精度高，更重要的是大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行功耗：整機(jī)平均工作電流可小于30μA。當(dāng)使用一節(jié)ER14505鋰電池（3．6V，2．4Ah）作為系統(tǒng)電源時(shí)，按照90％容量?jī)?nèi)放電曲線平穩(wěn)的特性來計(jì)算，可以使整個(gè)儀表的正常持續(xù)工作時(shí)間保持在8年以上，超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熱量表持續(xù)工作時(shí)間6年的要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］阮越廣．應(yīng)用TDC－GP21的戶用超聲波熱量表設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（5）：91－92

［2］鞠文濤．超聲波熱量表的設(shè)計(jì)與研發(fā)［D］．杭州：浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，2008：7－9，44－47

作者:阮越廣 單位:浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院