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一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现

  • 投稿凭江
  • 更新时间2015-09-17
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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。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
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。