TDC-GP21的新型无线低功耗超声波热能表

绵阳城市学院 余秋军 王梓龙 杜 娟 金启刚

随着新能源集中供热系统的兴起分户计量计费制度开始实施，热能表计费计量方式的需求得到广泛应用。针对传统热能表价格高昂、电路结构复杂、工作不可靠、测量精度差、采用有线式数据传输组网工作复杂等问题，系统利用ACMA公司生产的TDC-GP21高精度时间测量芯片作为热量测量器件、SI4432进行无线组网连接、STM8L152超低功耗单片机作为本系统的核心处理器，设计了一种新型无线低功耗超声波热能表。该系统具有价格低廉、硬件结构设计简单、工作稳定可靠、测量精度高、无线组网容易等特点。为新能源集中供热系统的分户计费仪表的研究提供了一定的参考价值。

随着新能源技术的发展，实现分户热量检测计费越来越重要，超声波热能表则作为新能源应用中必不可少的流量检测与热能计费工具。超声波热能表不仅克服了传统涡轮式热能表受水质、流速、和水温等影响而导致无法精确测量、工作不稳定和工作寿命短等关键性问题。超声波热能表是工业检测控制与生活环境中最为常用的一种流量与热量检测计量设备。广泛应用于新能源、生活计量计费等控制环境中。

在热能表的实际应用中仪表的长期稳定可靠与低功耗和成本以及多设备组网连接方便等因素成为决定产品性能与质量的关键性因素。因此根据这些特点设计了一款价格低廉、硬件结构设计简单、工作稳定可靠、测量精度高、低功耗的易组网无线超声波热能表。

1 热量测量原理

本系统应用TDC-GP21时差功能，利用超声波换能器对管道流体进行倾斜方式安装进行超声波信号收发，并测得信号在流体中接收和发送的时间进行差值计算，得到△t并算出该时间内的累积流量Qt，同时利用TDC-GP21的PT1和PT2接入2个Pt100温度传感器，对进出水温度进行测量并根据累积流量Qt和温度数据由下列公式①计算热量总和数据。

热量计算式：Q=Qt ρ(hI -ho)△t

上式中：Q为总热量值；ρ为水密度值，Qt为△t时间段内累计流量，hI入水口焓值ho出水口焓值。

1.1 系统硬件设计

硬件系统主要包含超声波流量测量传感器、高精度温度传感器、流量测量计算调理电路、低功耗微控制器电路、无线通信电路、现场显示电路、便携仪表电源电路。系统设计框图如图1所示。

图1 系统整体设计框图

超声波传感器探头通过高精度时差测量芯片TDC-GP21驱动其发射端接口使超声波探头发射出超声波信号最后利用接收端接收超声波信号，记录中间ps级时间差。最终通过高精度测量芯片TDCGP21进行精确的水流量计算和误差自动补偿调理及设定零偏调整后将最终的数据利用微控制器SPI通信将数据进行读取至缓冲区，并最终通过无线低功耗通信模块将数据进行远程发送给接收主机可将数据传送给上位机进行多设备组网，方便工业性控制与监测。

1.2 TDC-GP21高精度时差测量芯片

在本次无线低功耗超声波热能表硬件电路设计中关键设计部分是采用高精度ps级时差测量超声波热能表专用芯片以及超低功耗微控制器综合处理数据方式进行设计。

TDC-GP21是德国ACAM公司设计的一款时间数字转换器，其具备常强大的超声波流量时差统计功能，单电源2.5v～3.6v正常工作。可提供双通道90ps的时间间隔测量。

TDC-GP21可以直接把被测元件参数转换成对应的时间间隔。并通过温度采集端口进行上下游温度采集最终利用为控制器进行温度差值结算便可计算出热量，与此同时TDC-GP21结合外部电路设计可设计出超低功耗的热能表，因此利用上述特点便可制成低功耗、高精度的超声波热能表。

1.3 高精度热量测量电路设计

热量测量电路的主要功能是将一组超声波换能器在流体中交替收发信号、一组进出口铂电阻温度传感器进行精确采集并利用内部对应转换单元进行对应数据转换得出精确的流量数据与温度净出口温度数据。并利用热量计算公司精确计算出对应的热量数据。设计中采用ACAM公司生产的高精度时间数字转换器进行采集计算。

整个电路外围器件少、结构简单，模拟输入部分外部电路仅需要2个电阻和2个电容。并且对于铂电阻来说具有0.004℃分辨率，超低电流功耗(0.08µA当每30s测量一次时)。具体电路设计如图2所示。

图2 热量采集电路设计图

1.4 无线通信模块设计

利用低功耗无线通信模块设计来实现超声波热能表与远端接收机和上位机之间的远程通信数据监测以及多设备组网操作。无线通信电路设计如图3所示。

图3 无线通信模块电路设计图

1.5 电源供电方案设计

电路电压设计的是否稳定直接决定了整个电路中TDC-GP21测量电路的精确测量的可靠性和整个电路的可靠工作与功耗控制都存在直接的关系。因此本设计中采用低压差低静态电流型进行电源电路稳压操作。从而达到我们预期的设计结果，为方便使用该设备，本次设计采用电池供电方式进行整体电路供电，因此在功耗上面具有很高的要求。设计中电源部分采用低功耗LDO的XC6206。该元件具有极低的静态电流，适合功耗要求很高的系统应用设计。同时在设计中我们利用滤波电路设计来降低系统噪声。具体设计如图4所示。

图4 电源电路设计图

1.6 显示电路方案设计

现场显示电路在大部分工业应用中是必不可少的部分，因此本系统在设计无线通信方式的基础上利用STM8L152单片机内部自带的LCD低功耗屏幕显示驱动进行现场显示屏幕的设计，显示屏上可直接显示瞬时流量、累积流量、进出口温度值等。具体显示电路如图5所示。

图5 LCD显示电路设计图

2 关键技术

热能表管道口温度值和流量值通过TDC-GP21差测量芯片对超声探头收发时间时间间隔进行测量，然后通过STM8L152将测量数据进行热量计算和数据拆分组合处理后通过无线模块将数据发送给远端接收器最后上报给上位机。

TDC-GP21有两种工作模式。模式一：两路STOP通道共用一路START通道，最低有效位为65PS，测量范围：2.0ns～1.8us；模式二：只有一路stop通道对应start通道最低有效位也是65ps测量范围：500ns～4ms。本设计采用时间测量精度更高的模式一，进行时间间隔测量进行高精度时差测量，具体测量操作写时序如图6所示，读时序如图7所示。

图6 写时序

图7 读时序

3 软件处理系统设计

软件处理主要包含微处理器读取TDC-GP21采集的流量数据和温度数据并利用计算公式快速的计算出热量数据。通过SPI通信方式将采集处理后的热量数据通过无线通信方式发送给远程接收器并转发给上位机实现热量数据的实时远程监测。同时系统设计现场显示器可方便现场观察热量数据。采用单片机内部EEPROM进行必要参数设置进行保存。

微处理器程序设计：

为了降低设备在使用工程中的能耗，本系统采用意法半导体公司的STM8L152系列的单片机来进行数据的处理，此类单片机具有运算速度快、自带LCD硬件驱动同时具有成本低和超低功耗的特点。因此选用此类单片机做本系统的数据处理系统是最佳的方案。

我们利用单片机的中断系统来进行数据的处理，可有效的实现整体设计的低功耗控制，系统利用单片机自带的RTC低功耗唤醒功能实现自动唤醒系统运行功能，在单片机空闲时我们可将其设置为单片机的超低功耗模式（超低功耗模式下电流仅350nA），当需要进行数据处理时再进行唤醒。具体程序执行流程如图8所示。

图8 微处理器程序设计图

4 实验分析

本次设计采用的流量测试管径为20mm，超声波换能器安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45°范围内安装，以防止上部有不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。测试过程中将本次设计的样机与市面标准的热能表进行对比操作（标准仪表测量范围：0～3m³/h）经过测量得出对比流量数据如表1所示。

表1 标准仪表和样机测量数据

温度测量采用高精度电子测量温度计作为标准测量仪表在相同流速的情况下得出采集的温度数据如表2所示。

经过在不同流速和不同流体温度环境下测试数据并进行记录即表1和表2所示的数据。

由表1中标准仪表测量值与样机测量值的相对误差在±1.3%以内，由表2中标准仪表温度测量数据与样机测量数据的偏差值小于0.5℃。根据表1和表2数据可计算出对应的热量值最大误差在f0.3%内，根据国家《热能表检定规程》中规定的热量允许最大误差为±（0.5+△tmin/△t）%。

表2 标准仪表和样机温度数据

本文设计了一种基于TDC-GP21和低功耗微控制器的低成本高精度无线超声波热能表测量电路系统，实现对水流量、热量、数据的远程发送功能，同时利用无线通信方式进行组网方便多设备的同时监测与使用，系统还加入设备部件故障报警提示，满足对故障的发现、排除的基本要求，整个无线超声波热能表具有测量精度高、远程实时传输、现场显示、使用时间长等优点。实际运行结果表明：基于TDC-GP21的无线超声波热能表具有使用功耗极低，便携独立供电，测量精度高，工作稳定可靠等特点可直接应用在新能源中，以及需要进行热量、流量测量等其他场合进行使用，具有较高的推广价值及应用前景。