超聲波熱量表低功耗設(shè)計分析

朱民

【摘 ?要】與機械式熱量表相比，超聲波熱量表具有對外界環(huán)境要求不高、測量精度高、不會出現(xiàn)磨損等優(yōu)點，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。本文從硬件與軟件兩個方面，對超聲波熱量表低功耗設(shè)計進(jìn)行了分析和探究。

【關(guān)鍵詞】超聲波熱量表;低功耗;設(shè)計

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

一、超聲波流量測量與熱量積算

熱量表是一種在冬季采暖期來臨時，安裝在供熱管道之上，對采暖用戶所消費的熱量進(jìn)行累積記錄，以此作為收費標(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的時間差來得到間接流量與流速的。流量測量傳感器就是安裝在管道上的一對超聲波換能器。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的傳播時間差：△=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量原理：熱量表由入、回水溫度測量，熱量積算與超聲波測量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是時間。

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

Q=qv（hrpr—hcpc）

在這個公式里，qv是這段時間里的體積流量;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算方法和查表法就可以計算得到在一定間隔時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

運用熱量積算原理，就能設(shè)計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量模塊、主控電路模塊、人機交互模塊、溫度測量模塊、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，單片機通常十分使用在無磁熱量表中，方便進(jìn)行升級或轉(zhuǎn)型換代。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是時間測量芯片，可以在超聲波流量信號檢測中測量時間的長度[2]。一般時間測量范圍是500ns—4ms;每個信號通道的測量是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。這種時間轉(zhuǎn)換器還可以在其內(nèi)部專門集成一個測量溫度的模塊，通過與鉑電阻溫度傳感器外接就能進(jìn)行溫度的測量。

三、超聲波熱量表的低功耗設(shè)計

因為超聲波熱量表的用戶型都是以電池進(jìn)行供電，所以要讓熱量表的運行實現(xiàn)低功耗，這就成為熱量表設(shè)計的重點。以下就從硬件及軟件兩個方面對如何實現(xiàn)低功耗設(shè)計進(jìn)行論述。

（一）低功耗的硬件設(shè)計

1、主控制器與時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的低功耗選型

主控制器選用的單片機要具有超低功耗的運行特性，具體要求如下：工作電流低，在1MHz、2.2v工作方式下為200μA;待機模式下0.7μA;維持關(guān)斷模式時只為0.1μA;工作電壓要低，在1.8v—3.6v;除了一種活動模式之外還要有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8/16位的定時/計數(shù)器、6×8個/O端口、看門狗定時器、比較器、能對電壓值展開實時監(jiān)測的電源監(jiān)視器以及96段LCD顯示驅(qū)動模塊等，這樣能節(jié)約硬件成本、簡化外圍電路，并且使系統(tǒng)運行的功耗大大降低。

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

2、其他功能電路的低功耗的設(shè)計

外圍功能電路包括電源、人機交互、數(shù)據(jù)備份、通訊、LCD顯示等。對于這些電路的設(shè)計，要采取低功耗的方案為最佳：在確?？梢詫崿F(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，電路結(jié)構(gòu)要盡量簡化。例如設(shè)計人機交互時，獨立式按鍵只需設(shè)計三個，用于功能/模式選擇、設(shè)置參數(shù)、標(biāo)定儀器等即可。因為大量的命令或參數(shù)只有通過這些按鍵才能傳輸至主控制器，如果對按鍵只進(jìn)行常規(guī)的定義是無法滿足實際需要的，所以可以在進(jìn)行程序設(shè)計過程中通過雙鍵復(fù)用、一鍵多義等方式解決這類矛盾;對于那些硬件接口功能能用軟件模式方式來實現(xiàn)的就可以取消這些接口電路。例如，在系統(tǒng)里計時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)行模擬才得以實現(xiàn)的。備份存儲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

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間段來運行。在5種模式下，主/子輔助系統(tǒng)時鐘、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。在這個程序里，當(dāng)系統(tǒng)熱量積算、初始化和關(guān)鍵參數(shù)測量完成后，就會按照相關(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)部的中斷信號將其喚醒才開始工作。在LPM3模式狀態(tài)之下，MCLLK主系統(tǒng)時鐘、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)生器都會自動停止工作，只有MCLLK輔助系統(tǒng)時鐘處于活動狀態(tài)，這樣就使得主控制器在運行時大大降低了功耗。

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，功耗也必然會更大。所以在程序設(shè)計過程中可以依據(jù)實際工作需求，采用專門的指令合理配置計時芯片的時鐘源與主控制器，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)定時的時候，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計時芯片間斷工作時，通過程序按照需要來選擇兩個各自不同的振蕩器：一個是高頻晶振，4MKz。其采取的是陶瓷晶振，有低電流、低成本、啟動快等特點，但缺點是有溫漂明顯、誤差大，所以可以在粗值計數(shù)的時差測量中進(jìn)行應(yīng)用。另一種是儀表晶振，32.768MKz。以這個頻率為基準(zhǔn)，運用校準(zhǔn)程序?qū)Υ种禍y量結(jié)果實施校準(zhǔn)，測量精度十分高。在開啟這兩個振蕩器工作電流時分別0.5μA與0.52μA。

3、測量電流的分時驅(qū)動與外圍電流的按需驅(qū)動

對于進(jìn)行熱量計算的主要參數(shù)測量電路可以不再使用長期供電模式，同時可以在不同的時間節(jié)點上調(diào)用相應(yīng)的程序?qū)嵤┓謺r統(tǒng)一調(diào)度與分時驅(qū)動。如以計時芯片為核心的流量測量電路可以每間隔兩秒進(jìn)行一次啟動，完成測量流量參數(shù);溫度測量電流每隔30秒進(jìn)行一次啟動，完成對溫度參數(shù)的測量。

根據(jù)需要，通過計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，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應(yīng)，如輸出電流環(huán)時就要有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，在需要時啟動時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，例如人機交互的請求（一些I/O口都能作為獨立的外部中斷口）;還有一些是來自內(nèi)部的中斷源，例如時間定時到進(jìn)行保存歷史值等。這些功能程序在沒有中斷請求時，一般都會保持靜默狀態(tài)，這樣就會讓系統(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

在運行熱量積算程序過程中，因為其中涉及的運算公式里包含很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式與函數(shù)，并且為使參與運算的數(shù)值都要保證精度，會采用5字節(jié)的浮點數(shù)進(jìn)行運算，所以在運算精度得到滿足的基礎(chǔ)上，運算方式要盡量采取一維及二維的表格，或者采取差值的運算方法對運算過程進(jìn)行簡化，這樣就使得程序的運行時間縮短，系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的功耗也隨之大幅下降。此外，因為冬季供暖期是有一年當(dāng)中的幾個月時間，當(dāng)處于沒有采暖期時，可以將熱量的積算與溫度、流量信號的采集等程序關(guān)閉，只是讓計時時鐘處于工作狀態(tài)。在非采暖期的時間起始設(shè)計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方面采取超聲波熱量表的低功耗優(yōu)化設(shè)計，能讓整體超聲波熱量表系統(tǒng)實現(xiàn)超低耗運行，電器性能十分穩(wěn)定，運行效率和運行精度都很高，大大降低了耗電和成本，具有很高的使用價值，值得普及和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振凱，姚駿，張露露，金裕堅，樓承云.基于STM32L152的低功耗超聲波熱量表的設(shè)計[J].電子測量技術(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[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[J].東北師大學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，49（03）：78-82.