一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
2022-06-09
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。
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关键词 ：TDC?GP21；超声波；热量表；流量；温度
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
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——1MHz；带宽——39.5%；灵敏度——21dB；Qm——4.9；余震——7.68μs；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1MHz，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（JointTestActionGroup）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EmbeddedWorkbench。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。
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。
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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］DALLASSEMICONDUCTORMAXIM.DS1302Trickle?ChargeTimekeepingChip［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.
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。