超声波热量表的设计

APPLICATl0NRESEARCH

应用研究

超声波热量表的设计

DesignofUltrasonicHeatFlowmeter

张万江陈胜昆韩松沈阳建筑大学(沈阳110168)

摘要:基于超声波流量测量原理,采用高性能单片JfThMSP430和高精度时间测量元件TDc—GP2设计了微功

耗并具有M-BUS通信功能的热量表,并对热量表的硬件结构及主程序进行研究。

关键词:MSP430TDC-GP2热量表微功耗

Abstract:Thisarticle蠡rstlyelaboratedtheprincipleoftheultrasonicflowmeter,thendesignedwmeterbased

on

one

ultrasonicheatflo。

characteristic.Ithas

high.performanceMCUMSP430andTDC—GP2withaccuratetime—measuring

lowpowerconsumption,andthe

M-BUS

andthe

correspondencefunction.Thearticlealsoresearchedthehardware

masterprocedureoftheultrasonicheatflowmeter.Keywords:MSP430

TDC-GP2

Ultrasonicheatflowmeter

Lowpowerconsumption

供热节能已成为一个热点话题,其中供热计量更是大家所关注的焦点。近年来,热量计量装置在供热系统中得到初步的应用。但目前我国采用的热量表大多是机械式热量表,存在使用寿命短、维修困难、与上位机通信不方便等问题,不适合大面积采用。超声波热量计量仪表较为合适,但我国超声波热量表的应用研究还处于初级阶段,有待进一步的研究。本文设计了一种采用MSP430单片机5f[ITDC—GP2为主体的超声波热量表,并从测量原理、硬件和软件方面进行

了阐i术。

图1时差法超声波流量测量原理不蒽倒

长度为L,超声波顺流时间为tu,逆流时间为乜,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为0。由于流体流动的原因,使超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短,顺流和逆流时间可表

示为:

1时差法超声波流量测量原理

时差法超声波流量计(Transit

timeultrasonicflow—

t"=c-l毛os0

meter),其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波,通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速,再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

图1中有两个超声波换能器:顺流换能器和逆流换能器,两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离,管线的内直径为D,超声波行走的路径

如2c+V—co—sO

式中:

c为超声波在非流动介质中的声速;V为流体介质的流动速度。经过数学推导可得:

肚等

式中x是两个换能器在管线方向上的间距。

中闽便嚣俄表2007年第7期万方数据 

应用研究

由此可见,流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

流量Q可以表示为:

Q-譬l

ydt

2硬件设计

根据系统设计整体要求,按模块化的电路设计思想,本热量表的硬件系统以单片机和外围功能电路组成,硬件电路逻辑框图如图2所示。

电源电路模块

时钟发生器模块

片机

通信模块n4k1Ⅻ『『目#』^I.

口_1日J删亘俣耿

制LCD显示模块部流量采集模块

温度采集模块

图2硬件电路逻辑框图

2.1

MSP430单片机

为了降低功耗,延长电池工作时间,拟选择超低

功耗的16位MSP430单片机。

MSP430系列单片机是一个16位的超低功耗单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;高效的查表处理指令;较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

2.2利用TDC—GP2实现流量和温度采集

为减小超声波热量表的流量计量误差,降低热量表的成本,选用性能优越、价格较低的TDC—GP2。

TDC—GP2很适合低成本的超声波热量计设计。由于其良好的功能性(包括精确的温度测量,触发脉冲产生器,窗口和时钟校准器),加上一个简单的微处理器(不需要A/D转换)和一个传感驱动与接收器,可以构成一个完整的超声波热量计,极低的损耗电流保证在这些应用中电池具有较长的有效使用时间。

TDC—GP2可自动完成测量,微处理器只需发送

66 万方数据

www.cnim.cnAPPLICATIONRESEARCH

一个开始命令,TDC—GP2就会自动触发传感器并测量飞行时间,计算出结果并传送给微处理器。

温度传感器采用Ptl000铂电阻,测量精度为0.01℃。在一定的温度范围内,铂电阻的电阻与温度成线性关系。由于其精度较高,只要准确地测量出其电阻,便能根据电阻一温度的线性关系得出对应的温度。

2.3

LCD液晶显示模块

液晶显示器LCD可显示用热量、供热介质流量、

供水温度、回水温度、热费、累计工作时间等相关信息。通过热量表面板上的按键可设置开始计时时间及

选择相关信息等。

2.4

M-BUS总线

仪表总线M—BUS(欧洲标准ENl434—3)是专为计量仪表数据传输而设计的,目前主要用于热计量领域,也可用于其他计量领域。主要特点如下:

(1)两线制总线,通常采用双绞线,没有正、负极性之分,施工布线简单;

(2)采用独特的电平特征传输数字信号,抗干扰能力强;

(3)总线供电,降低维护成本;

(4)总线型拓扑结构,扩展方便,组网成本低;

(5)主从式异步半双工传输,采用主叫/应答的通信方式,有专门设计的报文格式。

3主程序设计

3.1低功耗模式软件设置

MSP430通过各种模块的智能化运行管理和CPU的状态组合达到超低功耗的各种要求。一个中断事件可将系统从各种省电工作模式中唤醒,而RETI指令又使MSP430返回到中断事件发生前的工作模式。

另一种方式是从中断返回时中断服务程序将保存在堆栈中的OSCoff,CPUoff,SCG0、SCGl位清除,

然后程序从PC所指的指令继续运行。程序大部分时间工作在低功耗模式3(LPM3)的方式下,当存在温

度采集,开阀、关阀和热能计算,Flash读写要求时,通过中断进入活动模式(AlVI)。这样的设计最大限度

保证了热量表的功耗在整体上保持一个较低的水平。

为了减少中断服务程序的执行时间,避免各个中

2007年第7期中圃豫嚣便表

APPLICATl0NRESEARCH

断的冲突,采取了灵活的中断服务程序设计方法。如果中断服务程序要完成很复杂的处理,则在中断服务程序中设置标志,相应处理通过查询执行。而中断返回采用第二种返回方式,进入低功耗模式的下一条语句即查询语句,完成中断服务程序中应该完成的功能。具体形式如下:

主程序:

while(1)

{"M3:

Interrupt

_Treat0;l

中断服务程序;

interrupt

{SetFla90;

-BIC—SRIRQ(LPM3_bits);}

3.2热量表的软件整体流程图

热量表系统的软件设计思路主要贯彻了低功耗的要求。只有在流量脉冲到来或掉电时才使CPU处于活动状态,其它情况下CPU处于省电模式3。其主要流程如图3所示。中断服务程序流程如图4所示。

主程序开始

关中断,定义时钟频率

定义功能寄存器,分配RAM

将FLASH存储数据恢复到RAM中

开中断,进入省电模式3

唤醒中断

、\/

中断服务程序

图3热量表软件整体流程图

丫闭俄嚣坂表2007年第7期万 

方数据应用研究

/,

l中断服务程序开始J

『初始化GP2;上升沿触发;测量范围2

对GP2进行时钟校准

温度测量;对应表格查询温度;

超声波飞行时间测量

数据处理

l、

返回中断

图4中断服务程序流程图

随着供热计量工作的推进,热量表将大量运用于参考文献

用.清华大学出版社,2004.

例。北京航空航天大学出版社,2002.

http://www.aeanl.de/fileadmin/Download/pdf/others/

DB_GP2一cn.pdf,2006.

力,2004.

2000,20(2):134-135.

4结论

实际工程中。本文设计的超声波热量表硬件电路简单,结构更加简洁可靠,也更方便了软件的升级与更新,

同时具有功耗低、工作可靠、测量精度高的特点。

1沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应2魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实3

4陈为康等.数字式智能型热表的性能与应甩煤气与热

5刘全胜,李宏敏.热能计量仪表及应用.煤气与热力,

作者简介:张万江,副教授,主要研究方向为智能控制,建

筑智能化。

超声波热量表的设计

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

张万江, 陈胜昆, 韩松沈阳建筑大学,沈阳,110168中国仪器仪表

CHINA INSTRUMENTATION2007(7)2次

参考文献(5条)

1.刘全胜;李宏敏 热能计量仪表及应用[期刊论文]-煤气与热力 2000(02)2.陈为康 数字式智能型热表的性能与应甩煤气与热力 20043.查看详情 2006

4.魏小龙 MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例 20025.沈建华 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 2004

引证文献(2条)

1.张梦.张辉 高精度超声波流量计的设计[期刊论文]-工业计量 2010(3)

2.张万江.郭晗.雷寒.张春哲 一种降低超声波热表功耗的软件设计方法[期刊论文]-中国仪器仪表 2008(9)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgyqyb200707013.aspx

APPLICATl0NRESEARCH

应用研究

超声波热量表的设计

DesignofUltrasonicHeatFlowmeter

张万江陈胜昆韩松沈阳建筑大学(沈阳110168)

摘要:基于超声波流量测量原理,采用高性能单片JfThMSP430和高精度时间测量元件TDc—GP2设计了微功

耗并具有M-BUS通信功能的热量表,并对热量表的硬件结构及主程序进行研究。

关键词:MSP430TDC-GP2热量表微功耗

Abstract:Thisarticle蠡rstlyelaboratedtheprincipleoftheultrasonicflowmeter,thendesignedwmeterbased

on

one

ultrasonicheatflo。

characteristic.Ithas

high.performanceMCUMSP430andTDC—GP2withaccuratetime—measuring

lowpowerconsumption,andthe

M-BUS

andthe

correspondencefunction.Thearticlealsoresearchedthehardware

masterprocedureoftheultrasonicheatflowmeter.Keywords:MSP430

TDC-GP2

Ultrasonicheatflowmeter

Lowpowerconsumption

供热节能已成为一个热点话题,其中供热计量更是大家所关注的焦点。近年来,热量计量装置在供热系统中得到初步的应用。但目前我国采用的热量表大多是机械式热量表,存在使用寿命短、维修困难、与上位机通信不方便等问题,不适合大面积采用。超声波热量计量仪表较为合适,但我国超声波热量表的应用研究还处于初级阶段,有待进一步的研究。本文设计了一种采用MSP430单片机5f[ITDC—GP2为主体的超声波热量表,并从测量原理、硬件和软件方面进行

了阐i术。

图1时差法超声波流量测量原理不蒽倒

长度为L,超声波顺流时间为tu,逆流时间为乜,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为0。由于流体流动的原因,使超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短,顺流和逆流时间可表

示为:

1时差法超声波流量测量原理

时差法超声波流量计(Transit

timeultrasonicflow—

t"=c-l毛os0

meter),其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波,通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速,再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

图1中有两个超声波换能器:顺流换能器和逆流换能器,两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离,管线的内直径为D,超声波行走的路径

如2c+V—co—sO

式中:

c为超声波在非流动介质中的声速;V为流体介质的流动速度。经过数学推导可得:

肚等

式中x是两个换能器在管线方向上的间距。

中闽便嚣俄表2007年第7期万方数据 

应用研究

由此可见,流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

流量Q可以表示为:

Q-譬l

ydt

2硬件设计

根据系统设计整体要求,按模块化的电路设计思想,本热量表的硬件系统以单片机和外围功能电路组成,硬件电路逻辑框图如图2所示。

电源电路模块

时钟发生器模块

片机

通信模块n4k1Ⅻ『『目#』^I.

口_1日J删亘俣耿

制LCD显示模块部流量采集模块

温度采集模块

图2硬件电路逻辑框图

2.1

MSP430单片机

为了降低功耗,延长电池工作时间,拟选择超低

功耗的16位MSP430单片机。

MSP430系列单片机是一个16位的超低功耗单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;高效的查表处理指令;较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

2.2利用TDC—GP2实现流量和温度采集

为减小超声波热量表的流量计量误差,降低热量表的成本,选用性能优越、价格较低的TDC—GP2。

TDC—GP2很适合低成本的超声波热量计设计。由于其良好的功能性(包括精确的温度测量,触发脉冲产生器,窗口和时钟校准器),加上一个简单的微处理器(不需要A/D转换)和一个传感驱动与接收器,可以构成一个完整的超声波热量计,极低的损耗电流保证在这些应用中电池具有较长的有效使用时间。

TDC—GP2可自动完成测量,微处理器只需发送

66 万方数据

www.cnim.cnAPPLICATIONRESEARCH

一个开始命令,TDC—GP2就会自动触发传感器并测量飞行时间,计算出结果并传送给微处理器。

温度传感器采用Ptl000铂电阻,测量精度为0.01℃。在一定的温度范围内,铂电阻的电阻与温度成线性关系。由于其精度较高,只要准确地测量出其电阻,便能根据电阻一温度的线性关系得出对应的温度。

2.3

LCD液晶显示模块

液晶显示器LCD可显示用热量、供热介质流量、

供水温度、回水温度、热费、累计工作时间等相关信息。通过热量表面板上的按键可设置开始计时时间及

选择相关信息等。

2.4

M-BUS总线

仪表总线M—BUS(欧洲标准ENl434—3)是专为计量仪表数据传输而设计的,目前主要用于热计量领域,也可用于其他计量领域。主要特点如下:

(1)两线制总线,通常采用双绞线,没有正、负极性之分,施工布线简单;

(2)采用独特的电平特征传输数字信号,抗干扰能力强;

(3)总线供电,降低维护成本;

(4)总线型拓扑结构,扩展方便,组网成本低;

(5)主从式异步半双工传输,采用主叫/应答的通信方式,有专门设计的报文格式。

3主程序设计

3.1低功耗模式软件设置

MSP430通过各种模块的智能化运行管理和CPU的状态组合达到超低功耗的各种要求。一个中断事件可将系统从各种省电工作模式中唤醒,而RETI指令又使MSP430返回到中断事件发生前的工作模式。

另一种方式是从中断返回时中断服务程序将保存在堆栈中的OSCoff,CPUoff,SCG0、SCGl位清除,

然后程序从PC所指的指令继续运行。程序大部分时间工作在低功耗模式3(LPM3)的方式下,当存在温

度采集,开阀、关阀和热能计算,Flash读写要求时,通过中断进入活动模式(AlVI)。这样的设计最大限度

保证了热量表的功耗在整体上保持一个较低的水平。

为了减少中断服务程序的执行时间,避免各个中

2007年第7期中圃豫嚣便表

APPLICATl0NRESEARCH

断的冲突,采取了灵活的中断服务程序设计方法。如果中断服务程序要完成很复杂的处理,则在中断服务程序中设置标志,相应处理通过查询执行。而中断返回采用第二种返回方式,进入低功耗模式的下一条语句即查询语句,完成中断服务程序中应该完成的功能。具体形式如下:

主程序:

while(1)

{"M3:

Interrupt

_Treat0;l

中断服务程序;

interrupt

{SetFla90;

-BIC—SRIRQ(LPM3_bits);}

3.2热量表的软件整体流程图

热量表系统的软件设计思路主要贯彻了低功耗的要求。只有在流量脉冲到来或掉电时才使CPU处于活动状态,其它情况下CPU处于省电模式3。其主要流程如图3所示。中断服务程序流程如图4所示。

主程序开始

关中断,定义时钟频率

定义功能寄存器,分配RAM

将FLASH存储数据恢复到RAM中

开中断,进入省电模式3

唤醒中断

、\/

中断服务程序

图3热量表软件整体流程图

丫闭俄嚣坂表2007年第7期万 

方数据应用研究

/,

l中断服务程序开始J

『初始化GP2;上升沿触发;测量范围2

对GP2进行时钟校准

温度测量;对应表格查询温度;

超声波飞行时间测量

数据处理

l、

返回中断

图4中断服务程序流程图

随着供热计量工作的推进,热量表将大量运用于参考文献

用.清华大学出版社,2004.

例。北京航空航天大学出版社,2002.

http://www.aeanl.de/fileadmin/Download/pdf/others/

DB_GP2一cn.pdf,2006.

力,2004.

2000,20(2):134-135.

4结论

实际工程中。本文设计的超声波热量表硬件电路简单,结构更加简洁可靠,也更方便了软件的升级与更新,

同时具有功耗低、工作可靠、测量精度高的特点。

1沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应2魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实3

4陈为康等.数字式智能型热表的性能与应甩煤气与热

5刘全胜,李宏敏.热能计量仪表及应用.煤气与热力,

作者简介:张万江,副教授,主要研究方向为智能控制,建

筑智能化。

超声波热量表的设计

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

张万江, 陈胜昆, 韩松沈阳建筑大学,沈阳,110168中国仪器仪表

CHINA INSTRUMENTATION2007(7)2次

参考文献(5条)

1.刘全胜;李宏敏 热能计量仪表及应用[期刊论文]-煤气与热力 2000(02)2.陈为康 数字式智能型热表的性能与应甩煤气与热力 20043.查看详情 2006

4.魏小龙 MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例 20025.沈建华 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 2004

引证文献(2条)

1.张梦.张辉 高精度超声波流量计的设计[期刊论文]-工业计量 2010(3)

2.张万江.郭晗.雷寒.张春哲 一种降低超声波热表功耗的软件设计方法[期刊论文]-中国仪器仪表 2008(9)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgyqyb200707013.aspx


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