超声波热量表低功耗设计探讨范文

《工业控制计算机杂志》2016年第11期

摘要：

为了实现超声波热量表的低功耗运行，在分析了超声波热量表工作原理及仪表系统结构的基础上，从硬件、软件两个方面详细阐述了系统低功耗设计的思路与方法。实践证明，通过这样的设计不仅能够实现热量的高精度积算，更重要的是能够大大降低系统运行功耗：在锂电池供电情况下整机持续工作时间完全超过国家标准对系统持续工作时间的要求。该设计思路同样适用于其它计量仪表的低功耗设计。

关键词：

超声波热量表；低功耗设计；二次仪表设计；热量计量；MSP430单片机

对于参与热量积算的关键参数———流量，超声波热量表是应用超声波传输测量技术实现流量测量的一类热量表。由于超声波流量测量采用的是无插入部件、非接触方式的间接测量技术，较好解决了其它类型热量表受热水管道中的杂质干扰，以及插入式传感器造成的压力损失、流体状态改变等问题困扰，是目前以及将来较长一段时间内流量测量准确度最高的热量表，将在工业生产和社会生活中得到广泛应用。作为一类以电池为电源供应的测量仪表，超声波热量表也存在着在如何降低整机运行功耗、提高电池一次使用寿命的问题。本文在描述超声波热量表工作原理和系统设计方案基础上，重点阐述了如何在硬件和软件设计中降低系统运行功耗的问题。

1超声波流量测量和热量积算

超声波热量表是根据超声波在流体中的顺流和逆流传输时间差来间接测量流速和流量。流量测量传感器为一对安装在管道上的超声波换能器，图1即是一种户用超声波热量表的型管段流量测量方式，主要适用于DN＜50mm的管道［1］。超声换能器为压电型收发两用，单声道，工作频率1MHz。通过推导，可以得出该流量测量方案中体积流量公式［1］为：Q＝πD2L28KL1•△tt2均（1）其中，△t是声波信号在逆流和顺流下的传播时间差：△＝t逆－t顺；t均＝t顺＋t逆2；K为流量修正系数，是线平均流速与面平均流速的比值［1］。图2是超声波热量表热量计量系统原理图，热量表由入、回水温度测量，超声流量测量和热量积算三部分组成，热量积算可由以下公式［2］得来：Q＝τ1τ0乙qm•△h•dτ＝τ1τ0乙ρ•qv•△h•dτ（2）式中：Q为释放热量，kJ；qm为流经热量表的热水的质量流量，kg／s；qv为体积流量，m3／s；ρ为流经的热水密度，kg／m3；△h为流经的热水在进出口的焓值差，kJ／kg；为时间，s。运用焓差法进行热量计算时，可以先应用公式（3）计算出一定时间间隔内释放出的热量值，而总的热量值就是分段时间内热量值的累计之和［2］。Q＝qv（hrρr－hcρc）（3）式中，qv为该段时间内的体积流量；hr、hc是入口和出口温度下的热水焓值；ρr、ρc是入口和出口温度下的热水密度。热水焓值与密度都与温度有关，在城镇行业建设标准CJ128－2007《热量表》中专门给出了在不同温度下水的焓值与密度值，可以通过查表法以及线性插值运算的方法计算得到一定时间间隔内释放的热量。

2超声波热量表系统方案设计

根据上述热量积算原理，可设计出超声波热量表系统结构如图3所示。系统主要包括主控电路模块、超声流量测量模块、温度测量模块、人机交互模块、电源模块、通讯模块、数据备份模块，以及其它输出方式模块等。主控制器采用了TI公司的MSP430FW427单片机，该单片机常用于无磁热量表，选用它有助于老产品的转型与升级换代。时间数字转换器TDC－GP21是德国Acam公司生产的时间测量芯片，专门用于超声波流量信号检测中的时间长度测量。它的时间测量范围为500ns～4ms（模式2）；每个信号通道的测量分辨率为90ps，最高可达22ps；可提供准确的检测停止信号［3］。选择TDC－GP21另一个原因是其内部集成了专门的温度测量模块，通过外接PT1000的铂电阻温度传感器即可实现温度测量。

3超声波热量表的低功耗设计

由于户用超声波热量表以电池供电为主，因此保证热量表超低功耗运行是整个热表设计的重点。下面就从硬件和软件两个方面详细讨论如何实现低功耗设计。

3．1硬件的低功耗设计

（1）主控制器和时间数字转换器的低功耗选型主控制器选用

MSP430FW427单片机不仅是因为它具有超低功耗运行特性：①工作电压低：1．8～3．6V。②工作电流低：在2．2V、1MHz工作模式下为200μA；待机模式下0．7μA；只维持RAM的关断模式下仅为0．1μA［4］。③除了一种活动模式以外还有5种可选择的低功耗模式，这5种低功耗模式下，CPU、主／子／辅助系统时钟、内部数字振荡器（DCO）、锁频环等分别被停用［4］，这可以在流量、温度的非检测期通过选择不同模式进一步降低工作电流、减少消耗。同时，它还具有丰富的内部功能模块和外部接口扩展：6×8个I／O端口（其中2×8个可中断）、2～3个8／16位的定时／计数器、比较器、看门狗定时器、用于LCD的96段显示驱动模块、可对电压值进行实时监测的电源监控器等，这不仅可以简化电路、节约硬件设计成本，同时也大大降低了系统的运行功耗。超声波传输时间测量芯片采用TDC－GP21，不仅因为其分辨率满足了时差测量精度的要求，更重要的是它具有的低功耗运行特性［3］：①工作电压低：2．5～3．6V；②在使用内部集成电路模块进行流量、温度测量时，平均工作电流可低至2．2μA；③利用自带温度测量模块进行每30s一次的温度测量时，所需平均电流仅为0．08μA，大大低于其它温度测量方案所需要的功耗，并且这种温度测量方式仅需简单的电阻和电容，简化了硬件设计，降低了硬件成本。

（2）其它功能电路的低功耗设计

由图3可知，其它功能电路有人机交互、电源、通讯、数据备份、LCD显示等。对这些电路，采用的低功耗设计方案是：①在保证功能实现的前提下，尽量简化电路结构。如在人机交互部分，仅设计了3个独立式按键，用于参数设置、功能／模式选择、仪器标定等。由于大量的参数、命令需要通过这些按键传递给主控器，而对按键的常规定义满足不了实际需要，因此可以在程序设计中通过一键多义、双键复用的方式解决这一矛盾；②对于那些可用软件模拟方式实现硬件接口功能的则取消相应接口电路。如系统中主控芯片和计时芯片之间的SPI通讯接口方式即是通过软件模拟实现。主控制器和备份存储器之间的I2C通讯方式也是通过软件模拟实现；③电路中多采用低功耗类元器件如CMOS型器件。

3．2软件的低功耗设计

（1）主控制器低功耗模式的程序选择

MSP430单片机作为主控制器的最大优势在于自身有5种低功耗模式供程序选择运行在不同的时间段。在这5种模式下，CPU、系统时钟、数字振荡器DCO、锁频环等可以分别停用以降低功耗。在本程序中，当系统完成初始化和关键参数测量、热量积算后，便会根据相应指令进入低功耗模式LPM3，一直等到内部或外部中断信号将其唤醒。在LPM3模式下，CPU、主系统时钟MCLK、数字频率锁相环FLL控制、内部数字振荡器DCO及其发生器都停止工作，只有辅助系统时钟ACLK保持活动状态，这大大降低了主控制器的运行功耗。

（2）芯片工作频率的程控选择

由于芯片功耗与其工作频率有关，频率越高，功耗就越大。因此，为尽可能降低功耗，需要在程序设计时根据实际工作需要通过专门指令对主控制器和计时芯片的时钟源进行合理配置。对主控制器来说，在通常情况下使用芯片自带的DCO数控振荡器，虽精度不高但功耗相对较低；对需要精确定时的场合，则采用外接的32．768kHz低频晶振。尽量避免使用外接高频晶振。而计时芯片TDC－GP21间断工作时，可根据需要通过程序选择2个不同的工作振荡器。一个是4MHz的高频晶振。该晶振采用陶瓷晶振，具有低成本、低电流、启动快的优点，但也具有误差较大、有温漂明显的缺点，因此常用于时差测量时的粗值计数。为保证测量精度，测量时还需辅以另一个精确的32．768kHz仪表晶振。以此频率为基准，通过校准程序对粗值测量结果进行校准。这2个不同的振荡器在开启时的工作电流分别为0．52μA和0．5μA。

（3）测量电路的分时驱动和电路的按需驱动

对参与热量积算的主要参数测量电路不再采用长期供电的模式，而是在不同时间节点上通过调用相应程序进行分时驱动、统一调度。例如，每间隔2s启动一次以计时芯片为核心的流量测量电路，完成流量参数测量；每间隔30s启动一次温度测量电路，完成温度参数测量。计算得到的热量值还可以根据需要选择以其它方式输出，如0～1000Hz的频率信号，代表不同热量数值的脉冲数，以及0～20mA或4～20mA电流环输出等。不同的输出方式对应于不同的功能电路，如电流环输出就需要有D／A和V／I转换电路，这些功能电路只有在有需要时由程序输出指令启动。

（4）辅助功能程序多采用中断方式调用

系统的一些功能程序如低压报警、仪表参数设置、界面状态显示、历史热量值保存等都是通过中断方式，由系统调用相关中断服务程序完成。这些中断请求有些是来自内部中断源，如定时时间到进行历史值保存；有些是通过外部中断口提出的，如人机交互请求（MSP430单片机的很多I／O口都可以作为独立的外部中断口）。在没有中断请求状况下，这些功能程序通常处于“静默”状态，这有助于降低系统功耗。

（5）程序中采用的其它降低功耗措施

1）在热量积算程序运行时，由于运算公式涉及了许多复杂的数学函数和表达式，而且为保证精度，参与运算的数值都采用的是5字节的浮点数，因此在满足精度前提下尽可能采用一维、二维表格运算以及插值运算的方法以简化运算过程，减少程序运行时间，降低系统运行功耗。

2）另外，由于每年的供暖季只是一年中的某几个月，在非采暖期，通过程序关闭对流量、温度信号的采集以及热量的积算，仅保持计时时钟。非采暖期的时间起止可以通过人机交互界面由用户设置。图4所示是系统为降低功耗所采用的硬件和软件设计。在超声波热量表硬件、软件设计过程中，通过采用上述低功耗设计手段，不仅使得热量表的各功能模块工作正常，人机界面操作灵活，热量测算精度高，更重要的是大大降低了系统运行功耗：整机平均工作电流可小于30μA。当使用一节ER14505锂电池（3．6V，2．4Ah）作为系统电源时，按照90％容量内放电曲线平稳的特性来计算，可以使整个仪表的正常持续工作时间保持在8年以上，超过了国家标准中对热量表持续工作时间6年的要求。

参考文献：

［1］阮越广．应用TDC－GP21的户用超声波热量表设计［J］．微计算机信息，2012，28（5）：91－92

［2］鞠文涛．超声波热量表的设计与研发［D］．杭州：浙江大学机械与能源工程学院，2008：7－9，44－47

作者:阮越广 单位:浙江机电职业技术学院电气电子工程学院