超聲波熱量表低功耗設(shè)計(jì)分析

朱民

【摘 ?要】與機(jī)械式熱量表相比，超聲波熱量表具有對(duì)外界環(huán)境要求不高、測(cè)量精度高、不會(huì)出現(xiàn)磨損等優(yōu)點(diǎn)，因而深受冬季廣大采暖用戶的喜愛。但在使用的過程中，超聲波熱量表的功耗一直居高不下，影響了其使用壽命和用戶體驗(yàn)。本文從硬件與軟件兩個(gè)方面，對(duì)超聲波熱量表低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探究。

【關(guān)鍵詞】超聲波熱量表;低功耗;設(shè)計(jì)

通常北方的城鎮(zhèn)在冬季來臨時(shí)，采取傳統(tǒng)的按住宅面積進(jìn)行收費(fèi)存在一些不足，用戶無法根據(jù)自身需要對(duì)住宅內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，出現(xiàn)了浪費(fèi)現(xiàn)象。熱量表的出現(xiàn)為用戶解決了這些問題，既節(jié)省了采暖費(fèi)用和又避免了浪費(fèi)。當(dāng)前，很多用戶使用的是超聲波熱量表，雖然具有精度高、對(duì)水質(zhì)要求低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在高功耗的問題，需要加強(qiáng)對(duì)該設(shè)備深入的研究，才能找到對(duì)策，有效地解決其高功耗的問題。

一、超聲波流量測(cè)量與熱量積算

熱量表是一種在冬季采暖期來臨時(shí)，安裝在供熱管道之上，對(duì)采暖用戶所消費(fèi)的熱量進(jìn)行累積記錄，以此作為收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的裝置。超聲波流量表是通過超聲波在流體里的逆流與順流流動(dòng)的時(shí)間差來得到間接流量與流速的。流量測(cè)量傳感器就是安裝在管道上的一對(duì)超聲波換能器。超聲波換能器通常是單聲道，1赫茲的工作頻率，壓電型收發(fā)兩用[1]。

經(jīng)過推導(dǎo)，就能得出測(cè)量方案里體積流量公式：

Q= ·

此公式中，t是在順流與逆流下聲波信號(hào)的傳播時(shí)間差：△=t逆-t順;t均= ;修正流量的系數(shù)為K，為線平均流速和面平均流速之間的比值。超聲波熱量表熱量計(jì)量原理：熱量表由入、回水溫度測(cè)量，熱量積算與超聲波測(cè)量3部分組成，熱量積算通過以下公式得出來：

Q= h·dt= h·dt

在這個(gè)公式里，Q是釋放熱量，單位是kj;qm是通過熱量表的熱水的質(zhì)量流量，單位是kg/s;qv是體積流量，單位是m3/s;p是流過的熱水密度，單位kg/m3;△是通過的熱水在進(jìn)出口的焓值差，單位是kj/kg;s是時(shí)間。

采用焓值差開展熱量計(jì)算時(shí)，可以先計(jì)算出在一定時(shí)間間隔里所釋放出來的熱量值，分段時(shí)間內(nèi)熱量值的累積之和就是總的熱量值。

Q=qv（hrpr—hcpc）

在這個(gè)公式里，qv是這段時(shí)間里的體積流量;hchr是出口與入孔溫度下的熱水焓值;pcpr是出口與入口下溫度中的熱水密度。無論是熱水密度與焓值都和溫度有關(guān)系，在城鎮(zhèn)行業(yè)建設(shè)關(guān)于熱量表的標(biāo)準(zhǔn)中，專門給出了處于不同溫度情況下水的密度值和焓值，只需通過線性差值運(yùn)算方法和查表法就可以計(jì)算得到在一定間隔時(shí)間里所釋放出來的熱量多少。

二、優(yōu)化超聲波熱量表系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

運(yùn)用熱量積算原理，就能設(shè)計(jì)出來超聲波熱量表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要包括超聲流量測(cè)量模塊、主控電路模塊、人機(jī)交互模塊、溫度測(cè)量模塊、通信模塊、電源模塊、備份數(shù)據(jù)模塊以及其他方式的輸出模塊等。

主控制器采用的是單片機(jī)，單片機(jī)通常十分使用在無磁熱量表中，方便進(jìn)行升級(jí)或轉(zhuǎn)型換代。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是時(shí)間測(cè)量芯片，可以在超聲波流量信號(hào)檢測(cè)中測(cè)量時(shí)間的長(zhǎng)度[2]。一般時(shí)間測(cè)量范圍是500ns—4ms;每個(gè)信號(hào)通道的測(cè)量是90ps的分辨率，也可以達(dá)到22ps的最高;能提供十分準(zhǔn)確的檢查停止信號(hào)。這種時(shí)間轉(zhuǎn)換器還可以在其內(nèi)部專門集成一個(gè)測(cè)量溫度的模塊，通過與鉑電阻溫度傳感器外接就能進(jìn)行溫度的測(cè)量。

三、超聲波熱量表的低功耗設(shè)計(jì)

因?yàn)槌暡崃勘淼挠脩粜投际且噪姵剡M(jìn)行供電，所以要讓熱量表的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)低功耗，這就成為熱量表設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。以下就從硬件及軟件兩個(gè)方面對(duì)如何實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

（一）低功耗的硬件設(shè)計(jì)

1、主控制器與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的低功耗選型

主控制器選用的單片機(jī)要具有超低功耗的運(yùn)行特性，具體要求如下：工作電流低，在1MHz、2.2v工作方式下為200μA;待機(jī)模式下0.7μA;維持關(guān)斷模式時(shí)只為0.1μA;工作電壓要低，在1.8v—3.6v;除了一種活動(dòng)模式之外還要有5種以上選擇的低功耗模式，在這些低功耗的模式之下，主/子輔助系統(tǒng)時(shí)鐘、CPU、鎖頻環(huán)、內(nèi)部數(shù)字振蕩器等皆處于停用狀態(tài)，這就能在溫度、流量的非檢測(cè)期通過不同模式的選擇來進(jìn)一步減少消耗和降低工作電流[3]。

另外，主控制器的單片機(jī)還應(yīng)該包括比較豐富的外部擴(kuò)展接口以及內(nèi)部功能模塊：2—3個(gè)8/16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6×8個(gè)/O端口、看門狗定時(shí)器、比較器、能對(duì)電壓值展開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電源監(jiān)視器以及96段LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊等，這樣能節(jié)約硬件成本、簡(jiǎn)化外圍電路，并且使系統(tǒng)運(yùn)行的功耗大大降低。

超聲波傳輸實(shí)踐測(cè)量芯片的選用要使其分辨率可以滿足對(duì)時(shí)差測(cè)量精度的要求，同時(shí)也必須具備低功耗運(yùn)行的特性：低工作電壓要2.5v—3.6v;采取內(nèi)部集成電路模式測(cè)量溫度與流量時(shí)，要能低至2.2μA平均工作電流;采取自帶溫度測(cè)量模塊對(duì)溫度實(shí)施30s/次的測(cè)量時(shí)，需要的平均溫度為0.08μA，這樣就能大大降低所需要的功耗，這種溫度測(cè)量方式只需要很簡(jiǎn)單的外圍電容與電阻，就能降低的硬件成本和簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

2、其他功能電路的低功耗的設(shè)計(jì)

外圍功能電路包括電源、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)備份、通訊、LCD顯示等。對(duì)于這些電路的設(shè)計(jì)，要采取低功耗的方案為最佳：在確保可以實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，電路結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)化。例如設(shè)計(jì)人機(jī)交互時(shí)，獨(dú)立式按鍵只需設(shè)計(jì)三個(gè)，用于功能/模式選擇、設(shè)置參數(shù)、標(biāo)定儀器等即可。因?yàn)榇罅康拿罨騾?shù)只有通過這些按鍵才能傳輸至主控制器，如果對(duì)按鍵只進(jìn)行常規(guī)的定義是無法滿足實(shí)際需要的，所以可以在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)過程中通過雙鍵復(fù)用、一鍵多義等方式解決這類矛盾;對(duì)于那些硬件接口功能能用軟件模式方式來實(shí)現(xiàn)的就可以取消這些接口電路。例如，在系統(tǒng)里計(jì)時(shí)芯片與主控芯片之間的SPI通訊結(jié)構(gòu)方式就是同軟件進(jìn)行模擬才得以實(shí)現(xiàn)的。備份存儲(chǔ)器和主控制器之間的I2C通訊方式也是采取軟件模擬得以實(shí)現(xiàn);在電路里元器件要多采取低功耗的器件，如CMOS型器件。

（二）軟件方面的低功耗設(shè)計(jì)

1、主控制器低功耗的程序選擇

在主控制器里如果選擇了自身具有5種以上的低功耗模式，這就能讓程序選擇不同的時(shí)間段來運(yùn)行。在5種模式下，主/子輔助系統(tǒng)時(shí)鐘、CPU、鎖頻環(huán)、內(nèi)部數(shù)字振蕩器等都能采取分別停用的方式來降低功耗。在這個(gè)程序里，當(dāng)系統(tǒng)熱量積算、初始化和關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量完成后，就會(huì)按照相關(guān)的程序指令立即進(jìn)入低功耗LPM3模式狀態(tài)，直至外部或內(nèi)部的中斷信號(hào)將其喚醒才開始工作。在LPM3模式狀態(tài)之下，MCLLK主系統(tǒng)時(shí)鐘、CPU、內(nèi)部數(shù)字振蕩器、數(shù)字頻率鎖相環(huán)FLL控制、和發(fā)生器都會(huì)自動(dòng)停止工作，只有MCLLK輔助系統(tǒng)時(shí)鐘處于活動(dòng)狀態(tài)，這樣就使得主控制器在運(yùn)行時(shí)大大降低了功耗。

2、芯片工作頻率的程控選擇

芯片的功耗通常都是與其工作頻率息息相關(guān)的，如果頻率高，功耗也必然會(huì)更大。所以在程序設(shè)計(jì)過程中可以依據(jù)實(shí)際工作需求，采用專門的指令合理配置計(jì)時(shí)芯片的時(shí)鐘源與主控制器，這樣就能大大降低芯片的功耗。在通常情況下，主控制器使用芯片自帶的DCO數(shù)控振蕩器，盡管精度不是很高卻具有功耗低的特性;在需要進(jìn)行精準(zhǔn)定時(shí)的時(shí)候，就可以采取外界的低頻晶振;外接高頻晶振要盡量不使用。

在進(jìn)行TDC—GP21計(jì)時(shí)芯片間斷工作時(shí)，通過程序按照需要來選擇兩個(gè)各自不同的振蕩器：一個(gè)是高頻晶振，4MKz。其采取的是陶瓷晶振，有低電流、低成本、啟動(dòng)快等特點(diǎn)，但缺點(diǎn)是有溫漂明顯、誤差大，所以可以在粗值計(jì)數(shù)的時(shí)差測(cè)量中進(jìn)行應(yīng)用。另一種是儀表晶振，32.768MKz。以這個(gè)頻率為基準(zhǔn)，運(yùn)用校準(zhǔn)程序?qū)Υ种禍y(cè)量結(jié)果實(shí)施校準(zhǔn)，測(cè)量精度十分高。在開啟這兩個(gè)振蕩器工作電流時(shí)分別0.5μA與0.52μA。

3、測(cè)量電流的分時(shí)驅(qū)動(dòng)與外圍電流的按需驅(qū)動(dòng)

對(duì)于進(jìn)行熱量計(jì)算的主要參數(shù)測(cè)量電路可以不再使用長(zhǎng)期供電模式，同時(shí)可以在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上調(diào)用相應(yīng)的程序?qū)嵤┓謺r(shí)統(tǒng)一調(diào)度與分時(shí)驅(qū)動(dòng)。如以計(jì)時(shí)芯片為核心的流量測(cè)量電路可以每間隔兩秒進(jìn)行一次啟動(dòng)，完成測(cè)量流量參數(shù);溫度測(cè)量電流每隔30秒進(jìn)行一次啟動(dòng)，完成對(duì)溫度參數(shù)的測(cè)量。

根據(jù)需要，通過計(jì)算得出的熱量值的輸出可以選擇其他方式，例如4—20mA及0—20mA電流環(huán)輸出，0—1000Hz的頻率信號(hào)，代表不同的脈沖數(shù)等不一樣的輸出方式與功能電路相對(duì)應(yīng)，如輸出電流環(huán)時(shí)就要有V/I與D/A轉(zhuǎn)換電路，這些外圍功能電路都可以由程序進(jìn)行控制，在需要時(shí)啟動(dòng)時(shí)只需輸入程序指令即可。

4、輔助功能程序多采取中斷方式調(diào)用

在系統(tǒng)里如儀表參數(shù)設(shè)置、低壓報(bào)警、保存歷史熱量值、界面狀態(tài)顯示等功能程序都是采用中斷的方式調(diào)用，由系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)的中斷服務(wù)程序來完成這些功能的使用。這些中斷請(qǐng)求（就是中斷服務(wù)程序）有一些是來自外部中斷口，例如人機(jī)交互的請(qǐng)求（一些I/O口都能作為獨(dú)立的外部中斷口）;還有一些是來自內(nèi)部的中斷源，例如時(shí)間定時(shí)到進(jìn)行保存歷史值等。這些功能程序在沒有中斷請(qǐng)求時(shí)，一般都會(huì)保持靜默狀態(tài)，這樣就會(huì)讓系統(tǒng)的功耗大幅降低。

5 程序中采用的其他方式降低系統(tǒng)功耗方法

在運(yùn)行熱量積算程序過程中，因?yàn)槠渲猩婕暗倪\(yùn)算公式里包含很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式與函數(shù)，并且為使參與運(yùn)算的數(shù)值都要保證精度，會(huì)采用5字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，所以在運(yùn)算精度得到滿足的基礎(chǔ)上，運(yùn)算方式要盡量采取一維及二維的表格，或者采取差值的運(yùn)算方法對(duì)運(yùn)算過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣就使得程序的運(yùn)行時(shí)間縮短，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的功耗也隨之大幅下降。此外，因?yàn)槎竟┡谑怯幸荒戤?dāng)中的幾個(gè)月時(shí)間，當(dāng)處于沒有采暖期時(shí)，可以將熱量的積算與溫度、流量信號(hào)的采集等程序關(guān)閉，只是讓計(jì)時(shí)時(shí)鐘處于工作狀態(tài)。在非采暖期的時(shí)間起始設(shè)計(jì)管理者可以通過人際交互界面進(jìn)行設(shè)置。

結(jié)束語：

綜上所述，通過硬件和軟件兩個(gè)方面采取超聲波熱量表的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，能讓整體超聲波熱量表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超低耗運(yùn)行，電器性能十分穩(wěn)定，運(yùn)行效率和運(yùn)行精度都很高，大大降低了耗電和成本，具有很高的使用價(jià)值，值得普及和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振凱，姚駿，張露露，金裕堅(jiān)，樓承云.基于STM32L152的低功耗超聲波熱量表的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2016，39（07）：149-153.

[2]李世光，賈俊征，高正中，譚沖，李凱旋.基于改善水流特性的超聲波熱量表設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（23）：124-128.

[3]田海軍，劉煒明，王霞.高精度超聲波熱量表的設(shè)計(jì)[J].東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，49（03）：78-82.