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技術(shù)文章

E+H嵌入式超聲波熱量表系統(tǒng)的研制

閱讀:2464          發(fā)布時(shí)間:2011-12-14

長(zhǎng)期以來,我國(guó)的供暖系統(tǒng)是按面積收費(fèi)而不是按用戶的能耗收費(fèi),用戶不能根據(jù)居室條件自行調(diào)節(jié)供暖時(shí)間和溫度,智能化程度低,造成了能源的浪費(fèi)。國(guó)家建設(shè)部已將熱量計(jì)量收費(fèi)列入《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃》,熱量的計(jì)量收費(fèi)已作為建筑節(jié)能的一項(xiàng)基本措施[1]。近年來,家庭型熱量表開始逐漸推廣,但現(xiàn)在普遍使用的機(jī)械式熱量表的流量測(cè)量部件多采用葉輪結(jié)構(gòu),對(duì)水質(zhì)的要求高,易造成葉輪軸承的磨損,外界環(huán)境變化對(duì)測(cè)量有較大的影響,故障率較高,使用壽命短。而傳統(tǒng)的超聲波熱量測(cè)量一般側(cè)重于大管徑的管道上,不適合家庭熱量表的使用。針對(duì)以上的問題,本文提出了一種基于嵌入式操作系統(tǒng)C/OS的超聲波熱量表系統(tǒng),應(yīng)用德國(guó)ACAM公司設(shè)計(jì)的TDC-GP2時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片,可以方便準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和溫度的測(cè)量。嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用,提高了CPU利用率,減少了出錯(cuò)率,增加了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性,可用于家庭儀表的綜合開發(fā)。

 德國(guó)E+H超聲波熱量表測(cè)量算法

    超聲波熱量表是將超聲波應(yīng)用到熱量表的流量測(cè)量中,利用時(shí)差法測(cè)量原理測(cè)量出超聲波在順、逆流中的時(shí)間差,間接測(cè)量出液體的流速,再獲取當(dāng)前的供、回水溫度,利用焓差法就可以計(jì)算出熱量了。時(shí)差法測(cè)量流量的原理如圖1所示。

圖1 時(shí)差法測(cè)量原理

    時(shí)差法超聲波測(cè)量是根據(jù)超聲波在順流和逆流的液體中傳播時(shí),順流傳播的速度高于逆流傳播的速度,同一傳播距離就可以得出兩個(gè)不同的傳播時(shí)間,從而得出它們的傳播時(shí)間差值,再計(jì)算出液體的流速。在圖1中,有兩個(gè)換能器:順流換能器、逆流換能器,分別安裝在管徑的兩側(cè),交替作為超聲波的發(fā)射和接收器,管道的直徑為D,超聲波的傳播方向與液體的流向所成的夾角為α,液體的流速為v,超聲波在液體中的傳播速度為c。設(shè)超聲波在順逆流中傳播的時(shí)間分別為T1和T2,如圖1所示坐標(biāo)中,液體在沿超聲波傳播方向的分速度為vcosα,超聲波的傳播路徑為D/sinα,則T1和T2可以通過下面的公式求得

   

    式中:t'為延遲時(shí)間。

    順、逆流時(shí)間差為

   

    超聲波在水中傳播速度c約為1500m/s,C2>>v2cos2α,式(3)可簡(jiǎn)化為

      (4)

    從而可以求得液體的流速

       (5)

    這里所求得的v是線平均流速,而所需測(cè)量的是面平均流速,需要進(jìn)行修正,乘以一個(gè)流量修正系數(shù)K,因此瞬時(shí)體積流量公式為

     (6)

    熱量計(jì)算算法焓差法為

   

    將式(6)代入到式(7)中,就可以計(jì)算出熱量

      (8)

    式中Q——吸收或釋放的熱量(J),——進(jìn)口和出口液體的焓值(J/Kg);qv——瞬時(shí)體積流量(m3/s);ρ——進(jìn)水口或出水口液體密度(Kg/m3),——入口和出口液體的定壓比熱容(J/(Kg•℃)),——入口和出口液體的溫度(℃)。

    從式(8)中可以看出,只需要測(cè)出超聲波的順、逆流時(shí)間差t和進(jìn)出水的溫度就可以求出熱量Q。另外比熱容c和載熱液體密度都是溫度和壓力的函數(shù),在實(shí)際運(yùn)算中,壓力變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小,可以忽略,因此在本設(shè)計(jì)的運(yùn)算中將這兩個(gè)參數(shù)作為溫度的變量考慮,采用查表法計(jì)算,從而保證測(cè)量的精度。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及器件的選擇

硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì),硬件系統(tǒng)包括電源管理模塊、TDC-GP2模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、M-BUS通訊模塊。超聲波熱量表硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    德國(guó)E+H溫度傳感器安裝在進(jìn)水管和出水管上,用來測(cè)量進(jìn)水管和出水管的溫度。超聲波傳感器安裝在進(jìn)水管流體管線的兩側(cè),并相距一定的距離,用來接收和發(fā)射超聲波,通過時(shí)間芯片TDC-GP2記錄時(shí)間,進(jìn)行相應(yīng)的處理后,微處理器根據(jù)熱量計(jì)算算法算出向用戶提供的熱量,與存儲(chǔ)器中以前的熱量值相加,通過M-bus通訊模塊可以將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),同時(shí)用戶可以對(duì)鍵盤操作,通過LCD讀出所用熱量和溫度值等。

 器件芯片選擇與詳細(xì)設(shè)計(jì)

   MCU的選擇

    MSP430F1611是TI公司推出的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng),是目前工業(yè)界中具有zui低功耗的16位RISC混合信號(hào)處理器[2]。具有極低的工作電壓,超低功耗特性,能夠在1.8~3.6V電壓、1MHZ的時(shí)鐘條件下運(yùn)行,耗電電流(在0.1~400uA之間)因不同的工作模式(有6種工作模式)而不同。運(yùn)算速度高,在8MHZ晶振驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期。MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有3個(gè)時(shí)鐘信號(hào),包括1個(gè)高頻時(shí)鐘,1個(gè)低頻時(shí)鐘和1個(gè)DCO。靈活的時(shí)鐘選擇使得系統(tǒng)可以在zui合理的時(shí)鐘下進(jìn)行工作,大大降低了系統(tǒng)的功耗,方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。MSP430還有著豐富的外圍接口,包括標(biāo)準(zhǔn)串口,SPI接口,I2C接口,方便連接多種設(shè)備。擁有豐富的片上外圍芯片,系統(tǒng)無須外擴(kuò)ADC、DAC、定時(shí)器、看門狗等外圍芯片,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。MSP30F1611內(nèi)部具有10kB的RAM和48kB的FLASH,充足的存儲(chǔ)空間,可以保證嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)正常運(yùn)行,方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。另外MSP430具有中斷喚醒功能,可以通過中斷使單片機(jī)從休眠模式轉(zhuǎn)為活動(dòng)模式,非常符合熱量表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

 e+h 流量和溫度的測(cè)量

    為減小超聲波熱量表的流量計(jì)量誤差,降低熱量表的成本,提高精度,選用性能*、價(jià)格較低的TDC-GP2。TDC-GP2精度高、封裝小,具有高速脈沖發(fā)生器、停止信號(hào)使能、溫度測(cè)量和時(shí)鐘控制功能。極低的損耗電流保證在這些應(yīng)用中電池具有較長(zhǎng)的有效使用時(shí)間,特別適合于超聲波流量和熱量測(cè)量方面的應(yīng)用[3]。

    流量的測(cè)量

    根據(jù)式(6)可知,流量測(cè)量的關(guān)鍵是對(duì)順、逆流時(shí)差Δt的測(cè)量。TDC-GP2測(cè)量時(shí)間十分,依賴于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)邏輯門的延遲時(shí)間,測(cè)量時(shí)間的有效值可以達(dá)到50ps。

   E+H  TDC-GP2的流量測(cè)量模塊原理如圖3所示,數(shù)字TDC-GP2測(cè)量單元由start信號(hào)觸發(fā),接收到stop信號(hào)停止,通過環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出start信號(hào)和stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔,測(cè)量精度范圍可達(dá)20位。首先MSP430啟動(dòng)飛行時(shí)間的測(cè)量,fire引腳發(fā)射脈沖信號(hào),同時(shí)啟動(dòng)start信號(hào),開始計(jì)時(shí),脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波;超聲波信號(hào)穿過管道中的流動(dòng)液體,接收換能器將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過模擬電路部分的濾波放大,觸發(fā)TDC-GP2的stop信號(hào),停止計(jì)時(shí),zui后由TDC-GP2中的ALU計(jì)算出通過流體的時(shí)間。在啟動(dòng)fire時(shí),MSP430通過模擬電路部分對(duì)測(cè)量方向進(jìn)行定時(shí)切換,這樣就可以分別得出順流和逆流方向的時(shí)間,zui后由MSP430對(duì)兩次時(shí)間進(jìn)行差值運(yùn)算,得出Δt。

圖3 流量測(cè)量模塊

    溫度的測(cè)量

    TDC-GP2內(nèi)部包含了一基于PICOSTRAIN的高精度低功耗測(cè)量單元,測(cè)量出每個(gè)電阻和電容組成的RC電路的放電時(shí)間[3]。TDC-GP2的溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)如圖4所示,溫度傳感器采用Ptl000鉑電阻。溫度的測(cè)量是全自動(dòng)的,通過微控制器發(fā)送啟動(dòng)代碼啟動(dòng)后,TDC-GP2自動(dòng)控制4次測(cè)量,分別將結(jié)果存入相應(yīng)的寄存器中,然后由微控制器讀取并分別做比值運(yùn)算,通過查表就可以得出冷水和熱水的溫度了。溫度測(cè)量的精度可以達(dá)到0.004℃。

圖4 溫度測(cè)量模塊

    另外,MSP430通過SPI接口與TDC-GP2進(jìn)行通信,對(duì)TDC-GP2初始化設(shè)置,發(fā)送控制命令,讀取寄存器的測(cè)量值。

   其它模塊的設(shè)計(jì)

    為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于M-bus總線的通訊模塊,M-bus儀表總線(歐洲EN1434-3標(biāo)準(zhǔn))是專為消耗測(cè)量?jī)x器和計(jì)數(shù)器傳送信息的數(shù)據(jù)總線,用于水表、電表、氣表等各種測(cè)量裝置的自動(dòng)抄表總線結(jié)構(gòu),用兩條無極性的傳輸線來同時(shí)作為供電線路和傳輸串行數(shù)據(jù)的傳輸線,主從式異步半雙工傳輸,采用主叫/應(yīng)答的通信方式,有專門設(shè)計(jì)的報(bào)文格式,具有布線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]。具體選用TI的終端收發(fā)芯片TSS721A來實(shí)現(xiàn),其內(nèi)含的接口電路可以調(diào)節(jié)儀表總線結(jié)構(gòu)中主從機(jī)之間的電平,將整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送功能集成于一體,遠(yuǎn)程供電與電池供電并用,總線正常供電時(shí)提供3.3v穩(wěn)壓源,給微處理器供電。當(dāng)總線供電故障時(shí),接通備用電池為系統(tǒng)供電,zui大的節(jié)省了電能。

    LCD液晶顯示模塊采用長(zhǎng)沙太陽(yáng)人電子公司的SMS0810B熱量表顯示模塊[5]。在簡(jiǎn)化硬件的同時(shí)功能卻大大加強(qiáng),顯示容量為8位帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)字+15段符號(hào),與CPU的接口方式為三線式串行接口,接口簡(jiǎn)單,編程方便,大大降低了研制時(shí)間。為降低功耗,通常LCD處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有健按下時(shí),LCD顯示熱量累積值,再次按下按鍵時(shí),顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)中未使用復(fù)雜的按鍵,只使用了一個(gè)獨(dú)立按鍵,根據(jù)按鍵次數(shù)通過中斷來顯示入水溫度、出水溫度、流量、熱量和時(shí)間。

  嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)一般采用的都是前后臺(tái)式的軟件設(shè)計(jì)方法,使用這種方法編寫的嵌入式系統(tǒng)軟件一般只能滿足簡(jiǎn)單流程的要求。本系統(tǒng)將嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-Ⅱ引入到軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性 C/OS-Ⅱ是由JeanJ.Labrosse編寫的免費(fèi)公開源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁減、多任務(wù)和可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核等特點(diǎn),而且其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性也得到了廣泛的認(rèn)可。根據(jù)2.2.1可知MSP430F1611*符合C/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)系統(tǒng)移植的條件,使用C語(yǔ)言交叉編譯器IAREmbeddedWorkbench可以很方便地進(jìn)行編程和移植。

    C/OS-Ⅱ的移植比較方便,主要修改與處理器相關(guān)的幾個(gè)文件,它們是OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等[6]。在具體應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中,首先按照系統(tǒng)要求劃分任務(wù),確定任務(wù)優(yōu)先級(jí),各個(gè)任務(wù)完成相對(duì)獨(dú)立的功能,任務(wù)的調(diào)度按優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行的[7]。任務(wù)間要有數(shù)據(jù)進(jìn)行交換,采用消息機(jī)制進(jìn)行任務(wù)間的通信,多個(gè)數(shù)據(jù)組成消息隊(duì)列,依次完成數(shù)據(jù)的傳遞。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)完成的功能將系統(tǒng)分成7個(gè)任務(wù),優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來確定的,對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要的和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù),設(shè)定較高的優(yōu)先級(jí)。各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)由高到低依次如下:流量測(cè)量任務(wù),溫度測(cè)量任務(wù),計(jì)算任務(wù),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù),鍵盤任務(wù),LCD顯示任務(wù),通信任務(wù)。通過使用C/OS-Ⅱ的信號(hào)量、消息的系統(tǒng)服務(wù)來完成不同任務(wù)之間的通信,從而保證多任務(wù)調(diào)度的同步。每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有相對(duì)的確定性,在計(jì)算測(cè)量結(jié)果時(shí),加入必要的誤差消除算法可以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。在設(shè)計(jì)過程中,針對(duì)于系統(tǒng)本身低功耗的特點(diǎn),當(dāng)系統(tǒng)空閑的時(shí)候應(yīng)該使其進(jìn)入低功耗狀態(tài),因此根據(jù)實(shí)際情況的需要把空閑任務(wù)設(shè)為低功耗的休眠模式,優(yōu)先級(jí)zui低。C/OS-Ⅱ系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程圖如圖5所示。

    本文采用基于e+h超聲波測(cè)量的時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2和嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-Ⅱ來設(shè)計(jì)熱量表系統(tǒng),該系統(tǒng)耗能低,測(cè)量精度高,性能穩(wěn)定,使用壽命長(zhǎng),較好地解決了傳統(tǒng)的機(jī)械式熱量表的流量計(jì)部件受熱變形、運(yùn)動(dòng)磨損及臟堵等問題。將嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-Ⅱ移植到MSP430中給設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)操作平臺(tái),可擴(kuò)展性有很大的提高,設(shè)計(jì)過程變得更加簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性都有很高的保障。移植了操作系統(tǒng)的處理器可以很方便地應(yīng)用到建設(shè)部正在推廣“三表合一”中去,使用同一塊MSP430單片機(jī)來完成多種不同的實(shí)時(shí)任務(wù),既充分發(fā)揮了MSP430系列單片機(jī)的功能,又大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

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