TDC-GP21的新型無線低功耗超聲波熱能表

綿陽城市學院 余秋軍 王梓龍 杜 娟 金啟剛

隨著新能源集中供熱系統的興起分戶計量計費制度開始實施，熱能表計費計量方式的需求得到廣泛應用。針對傳統熱能表價格高昂、電路結構復雜、工作不可靠、測量精度差、采用有線式數據傳輸組網工作復雜等問題，系統利用ACMA公司生產的TDC-GP21高精度時間測量芯片作為熱量測量器件、SI4432進行無線組網連接、STM8L152超低功耗單片機作為本系統的核心處理器，設計了一種新型無線低功耗超聲波熱能表。該系統具有價格低廉、硬件結構設計簡單、工作穩定可靠、測量精度高、無線組網容易等特點。為新能源集中供熱系統的分戶計費儀表的研究提供了一定的參考價值。

隨著新能源技術的發展，實現分戶熱量檢測計費越來越重要，超聲波熱能表則作為新能源應用中必不可少的流量檢測與熱能計費工具。超聲波熱能表不僅克服了傳統渦輪式熱能表受水質、流速、和水溫等影響而導致無法精確測量、工作不穩定和工作壽命短等關鍵性問題。超聲波熱能表是工業檢測控制與生活環境中最為常用的一種流量與熱量檢測計量設備。廣泛應用于新能源、生活計量計費等控制環境中。

在熱能表的實際應用中儀表的長期穩定可靠與低功耗和成本以及多設備組網連接方便等因素成為決定產品性能與質量的關鍵性因素。因此根據這些特點設計了一款價格低廉、硬件結構設計簡單、工作穩定可靠、測量精度高、低功耗的易組網無線超聲波熱能表。

1 熱量測量原理

本系統應用TDC-GP21時差功能，利用超聲波換能器對管道流體進行傾斜方式安裝進行超聲波信號收發，并測得信號在流體中接收和發送的時間進行差值計算，得到△t并算出該時間內的累積流量Qt，同時利用TDC-GP21的PT1和PT2接入2個Pt100溫度傳感器，對進出水溫度進行測量并根據累積流量Qt和溫度數據由下列公式①計算熱量總和數據。

熱量計算式：Q=Qt ρ(hI -ho)△t

上式中：Q為總熱量值；ρ為水密度值，Qt為△t時間段內累計流量，hI入水口焓值ho出水口焓值。

1.1 系統硬件設計

硬件系統主要包含超聲波流量測量傳感器、高精度溫度傳感器、流量測量計算調理電路、低功耗微控制器電路、無線通信電路、現場顯示電路、便攜儀表電源電路。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖

超聲波傳感器探頭通過高精度時差測量芯片TDC-GP21驅動其發射端接口使超聲波探頭發射出超聲波信號最后利用接收端接收超聲波信號，記錄中間ps級時間差。最終通過高精度測量芯片TDCGP21進行精確的水流量計算和誤差自動補償調理及設定零偏調整后將最終的數據利用微控制器SPI通信將數據進行讀取至緩沖區，并最終通過無線低功耗通信模塊將數據進行遠程發送給接收主機可將數據傳送給上位機進行多設備組網，方便工業性控制與監測。

1.2 TDC-GP21高精度時差測量芯片

在本次無線低功耗超聲波熱能表硬件電路設計中關鍵設計部分是采用高精度ps級時差測量超聲波熱能表專用芯片以及超低功耗微控制器綜合處理數據方式進行設計。

TDC-GP21是德國ACAM公司設計的一款時間數字轉換器，其具備常強大的超聲波流量時差統計功能，單電源2.5v～3.6v正常工作。可提供雙通道90ps的時間間隔測量。

TDC-GP21可以直接把被測元件參數轉換成對應的時間間隔。并通過溫度采集端口進行上下游溫度采集最終利用為控制器進行溫度差值結算便可計算出熱量，與此同時TDC-GP21結合外部電路設計可設計出超低功耗的熱能表，因此利用上述特點便可制成低功耗、高精度的超聲波熱能表。

1.3 高精度熱量測量電路設計

熱量測量電路的主要功能是將一組超聲波換能器在流體中交替收發信號、一組進出口鉑電阻溫度傳感器進行精確采集并利用內部對應轉換單元進行對應數據轉換得出精確的流量數據與溫度凈出口溫度數據。并利用熱量計算公司精確計算出對應的熱量數據。設計中采用ACAM公司生產的高精度時間數字轉換器進行采集計算。

整個電路外圍器件少、結構簡單，模擬輸入部分外部電路僅需要2個電阻和2個電容。并且對于鉑電阻來說具有0.004℃分辨率，超低電流功耗(0.08μA當每30s測量一次時)。具體電路設計如圖2所示。

圖2 熱量采集電路設計圖

1.4 無線通信模塊設計

利用低功耗無線通信模塊設計來實現超聲波熱能表與遠端接收機和上位機之間的遠程通信數據監測以及多設備組網操作。無線通信電路設計如圖3所示。

圖3 無線通信模塊電路設計圖

1.5 電源供電方案設計

電路電壓設計的是否穩定直接決定了整個電路中TDC-GP21測量電路的精確測量的可靠性和整個電路的可靠工作與功耗控制都存在直接的關系。因此本設計中采用低壓差低靜態電流型進行電源電路穩壓操作。從而達到我們預期的設計結果，為方便使用該設備，本次設計采用電池供電方式進行整體電路供電，因此在功耗上面具有很高的要求。設計中電源部分采用低功耗LDO的XC6206。該元件具有極低的靜態電流，適合功耗要求很高的系統應用設計。同時在設計中我們利用濾波電路設計來降低系統噪聲。具體設計如圖4所示。

圖4 電源電路設計圖

1.6 顯示電路方案設計

現場顯示電路在大部分工業應用中是必不可少的部分，因此本系統在設計無線通信方式的基礎上利用STM8L152單片機內部自帶的LCD低功耗屏幕顯示驅動進行現場顯示屏幕的設計，顯示屏上可直接顯示瞬時流量、累積流量、進出口溫度值等。具體顯示電路如圖5所示。

圖5 LCD顯示電路設計圖

2 關鍵技術

熱能表管道口溫度值和流量值通過TDC-GP21差測量芯片對超聲探頭收發時間時間間隔進行測量，然后通過STM8L152將測量數據進行熱量計算和數據拆分組合處理后通過無線模塊將數據發送給遠端接收器最后上報給上位機。

TDC-GP21有兩種工作模式。模式一：兩路STOP通道共用一路START通道，最低有效位為65PS，測量范圍：2.0ns～1.8us；模式二：只有一路stop通道對應start通道最低有效位也是65ps測量范圍：500ns～4ms。本設計采用時間測量精度更高的模式一，進行時間間隔測量進行高精度時差測量，具體測量操作寫時序如圖6所示，讀時序如圖7所示。

圖6 寫時序

圖7 讀時序

3 軟件處理系統設計

軟件處理主要包含微處理器讀取TDC-GP21采集的流量數據和溫度數據并利用計算公式快速的計算出熱量數據。通過SPI通信方式將采集處理后的熱量數據通過無線通信方式發送給遠程接收器并轉發給上位機實現熱量數據的實時遠程監測。同時系統設計現場顯示器可方便現場觀察熱量數據。采用單片機內部EEPROM進行必要參數設置進行保存。

微處理器程序設計：

為了降低設備在使用工程中的能耗，本系統采用意法半導體公司的STM8L152系列的單片機來進行數據的處理，此類單片機具有運算速度快、自帶LCD硬件驅動同時具有成本低和超低功耗的特點。因此選用此類單片機做本系統的數據處理系統是最佳的方案。

我們利用單片機的中斷系統來進行數據的處理，可有效的實現整體設計的低功耗控制，系統利用單片機自帶的RTC低功耗喚醒功能實現自動喚醒系統運行功能，在單片機空閑時我們可將其設置為單片機的超低功耗模式（超低功耗模式下電流僅350nA），當需要進行數據處理時再進行喚醒。具體程序執行流程如圖8所示。

圖8 微處理器程序設計圖

4 實驗分析

本次設計采用的流量測試管徑為20mm，超聲波換能器安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線水平位置±45°范圍內安裝，以防止上部有不滿管、氣泡或下部有沉淀等現象影響傳感器正常測量。測試過程中將本次設計的樣機與市面標準的熱能表進行對比操作（標準儀表測量范圍：0～3m3/h）經過測量得出對比流量數據如表1所示。

表1 標準儀表和樣機測量數據

溫度測量采用高精度電子測量溫度計作為標準測量儀表在相同流速的情況下得出采集的溫度數據如表2所示。

經過在不同流速和不同流體溫度環境下測試數據并進行記錄即表1和表2所示的數據。

由表1中標準儀表測量值與樣機測量值的相對誤差在±1.3%以內，由表2中標準儀表溫度測量數據與樣機測量數據的偏差值小于0.5℃。根據表1和表2數據可計算出對應的熱量值最大誤差在f0.3%內，根據國家《熱能表檢定規程》中規定的熱量允許最大誤差為±（0.5+△tmin/△t）%。

表2 標準儀表和樣機溫度數據

本文設計了一種基于TDC-GP21和低功耗微控制器的低成本高精度無線超聲波熱能表測量電路系統，實現對水流量、熱量、數據的遠程發送功能，同時利用無線通信方式進行組網方便多設備的同時監測與使用，系統還加入設備部件故障報警提示，滿足對故障的發現、排除的基本要求，整個無線超聲波熱能表具有測量精度高、遠程實時傳輸、現場顯示、使用時間長等優點。實際運行結果表明：基于TDC-GP21的無線超聲波熱能表具有使用功耗極低，便攜獨立供電，測量精度高，工作穩定可靠等特點可直接應用在新能源中，以及需要進行熱量、流量測量等其他場合進行使用，具有較高的推廣價值及應用前景。