一種基于TDC—GP21的無線熱量采集終端設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用時(shí)間測量芯片TDC—GP21實(shí)現(xiàn)流量和溫度測量，以CC2430作為微處理器的無線熱量采集終端。它具有精度高、功耗低、性能穩(wěn)定、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，還能方便地實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程抄表，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：熱量表；TDC—GP21：超聲波流量計(jì)；CC2430

0 引言
    能源問題是關(guān)系到整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定、國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重大問題，隨著當(dāng)前能源緊缺形勢的加劇，我國越來越重視節(jié)能工作。目前，我國很多地區(qū)的供暖依舊采用按建筑面積收費(fèi)，即包費(fèi)制，這種“大鍋飯”式的收費(fèi)方式嚴(yán)重地抑制了用戶的節(jié)能意識(shí)。而且隨著人民生活水平的提高，商品意識(shí)不斷加強(qiáng)，這種舊體制已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的無線熱量采集終端可以實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)按供熱量收費(fèi)，一戶一表，達(dá)到公平、公正的原則，提高了用戶的節(jié)能意識(shí)，節(jié)能約20～30％。
    目前熱量計(jì)量設(shè)備的種類很多，按照流量計(jì)的不同可分為機(jī)械式(渦輪式、渦街式、孔板式)、電磁式、超聲波式等。機(jī)械式流量計(jì)對水質(zhì)的要求較高，微量的鐵屑或細(xì)沙等都會(huì)急劇降低測量精度甚至致使流量表短期內(nèi)損壞。電磁式流量計(jì)對水流的導(dǎo)電率有要求，需要220V的高壓電源供電，功耗大，對電磁干擾敏感。而超聲波流量計(jì)克服了上述兩種流量計(jì)的缺點(diǎn)，超聲波探頭的材料為非磁性材料，不存在吸引鐵銹等問題，對水質(zhì)要求較低、使用壽命長、不易損壞，屬于非接觸測量，具有安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們設(shè)計(jì)的熱量采集終端采用超聲波法測量流量。
    獲得熱量數(shù)據(jù)的方法有以下幾種，傳統(tǒng)的人工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且缺乏可靠性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；有線抄表需要專門的網(wǎng)絡(luò)布線，復(fù)雜且傳輸距離短，不適合當(dāng)今社會(huì)和科技的發(fā)展；無線抄表解決了上述問題，ZigBee技術(shù)是近年來發(fā)展起來的現(xiàn)代無線通信技術(shù)，它具有低速率、低功耗、低成本、短時(shí)延、免許可無線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、近距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS(General Packet Rad io Service)是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)移動(dòng)電話可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它非常適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
    綜上所述，我們設(shè)計(jì)了用時(shí)間測量芯片TDC-GP21實(shí)現(xiàn)流量測量，用ZigBee無線單片機(jī)CC2430實(shí)現(xiàn)管理和短距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線熱量采集終端。結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸即可方便地組成遠(yuǎn)程無線熱量抄表系統(tǒng)。該無線熱量采集終端具有測量準(zhǔn)確、功耗低、實(shí)時(shí)性好、能夠遠(yuǎn)程抄表等優(yōu)點(diǎn)。

1 無線熱量采集終端的工作原理
    熱量表主要用于測量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所吸收或釋放的熱能量，是供熱體系中按熱量計(jì)量收費(fèi)的關(guān)鍵儀表。熱量表設(shè)計(jì)的依據(jù)是熱力學(xué)吸熱定律，即Q=c×m×(t2-t1)，其中，c是比熱容，m是質(zhì)量，(t2-t1)是溫度差。超聲波熱量表是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度測量，由流體的流量和進(jìn)、出水溫差來計(jì)算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分的工作原理是由超聲波在順流和逆流時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間差得出水的流速，再由水的流速推導(dǎo)出瞬時(shí)流量，累積后得到流量信息。在工作過程中應(yīng)用一對超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波，首先通過適當(dāng)?shù)陌l(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，超聲波以一定的角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。

    如圖1所示，在管道上裝有換能器1和換能器2，流體速度為v，換能器用于發(fā)射和接收超聲波。由于流體的流動(dòng)，超聲波的順流傳播時(shí)間小于逆流傳播時(shí)間，從而產(chǎn)生時(shí)間差。
   
    其中：△t為順、逆流的時(shí)間差，單位為s；t1、t2為順、逆流的傳播時(shí)間，單位為s：D為管道直徑，單位為m；L為兩個(gè)換能器間的距離，單位為m；c為超聲波在流體中的傳播速度，m／s；v為介質(zhì)平均流速，m／s；τ為超聲波在液體以外傳播的附加時(shí)間，包括超聲波在換能器的傳播時(shí)間、管壁內(nèi)的傳播時(shí)間及電路測試的延時(shí)時(shí)間，單位為s。
    因?yàn)閷?shí)際流速一般遠(yuǎn)小于聲速(v<<c)，所以式(3)可化簡為：
   
    式(5)所求的流體速度v為線平均流速，最終所需測量的是面平均流速v’，二者比值K=v／v’，稱為流量修正系數(shù)，則體積流量為：
   
          
    由式(7)可以看出：在管道情況確定時(shí)，流體流量與順、逆流時(shí)間差成正比，通過測量時(shí)差可達(dá)到測量流量的目的，而在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)差的測量是比較容易實(shí)現(xiàn)的。
    最終，得到熱量的計(jì)算公式：
   
    其中，Q為熱交換系統(tǒng)釋放或吸收的熱量，單位為J；qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量，單位為kg／h；△h為熱交換系統(tǒng)中進(jìn)口和出口溫度下的比差，單位為J／kg；t為時(shí)間，單位為s；ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度，單位為kg／m3；qv為流經(jīng)熱量表的水的體積，單位為m3。
    當(dāng)水流經(jīng)供熱系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)測得的流量值和進(jìn)、出水溫度以及供熱時(shí)間，就能計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)供熱系統(tǒng)所釋放的熱量，從而為管理系統(tǒng)提供收費(fèi)依據(jù)。

2 無線熱量采集終端的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 無線熱量采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案
    基于TDC—GP21的無線熱量采集系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：信息采集單元、數(shù)據(jù)收集顯示單元、中心管理單元，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    在該系統(tǒng)中，信息采集單元用來測量每家每戶的用熱量，即所謂的一戶一表，選擇一棟樓的熱量采集作為一個(gè)檢測區(qū)塊，每個(gè)檢測區(qū)塊中的用戶通過ZigBee組網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集顯示單元，該區(qū)塊中的所有信息采集單元共用一個(gè)數(shù)據(jù)收集顯示單元和一個(gè)GPRS通信模塊，這樣可以節(jié)省大量數(shù)據(jù)收集顯示單元和GPRS通信模塊，降低了系統(tǒng)的安裝費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)省了GPRS的通信費(fèi)用，降低了運(yùn)行成本。
2．2 無線熱量采集終端的設(shè)計(jì)
    由于無線熱量采集終端是系統(tǒng)獲取信息的部分，因此是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文采用模塊化的思想設(shè)計(jì)了無線熱量采集終端的硬件電路，主要包括信息采集電路、液晶顯示電路、電源電路、晶振電路、JTAG電路等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    首先，CC2430通過與TDC—GP21進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對流量信息和進(jìn)、出水溫度的采集。然后，通過CC2430把流量和溫度信息轉(zhuǎn)化成用戶消耗的熱量值，并將熱量和累計(jì)熱量顯示在液晶屏上。最后通過短距離的無線發(fā)射模塊將熱量信息發(fā)射到數(shù)據(jù)中繼中心，進(jìn)而發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端，數(shù)據(jù)的無線傳輸選擇了ZigBee和GPRS相結(jié)合的方式。
2．2．1 無線熱量采集終端電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中，通過TDC—GP21芯片來測量進(jìn)、出水溫度和流量信息。它是德國ACAM公司推出的高精度時(shí)間測量芯片，是TDC-GP2的升級產(chǎn)品。芯片的測量精度可達(dá)皮秒級，核心供電電壓為1．8～3．6V，I／O口供電電壓為1．8～5．5V，在核心供電和I／O供電都是3V的情況下，流入高速晶振的電流為130 μA，可使用電池供電，通過四線SPI標(biāo)準(zhǔn)接口與單片機(jī)通信，具有7×32位的E2PROM，集成度較高，集成了溫度采集、脈沖發(fā)生器及時(shí)鐘校準(zhǔn)單元等，非常適合低價(jià)格超聲波熱量表的應(yīng)用，外部僅使用一個(gè)簡單的單片機(jī)就能完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，進(jìn)、出水溫度傳感器選用了精度極高的PT1000鉑電阻，它具有體積小、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，兩個(gè)鉑電阻分別安裝在進(jìn)、出水管道上。流量測量選用超聲波熱量表專用的壓電式超聲波換能器對超聲波在順逆流方向傳播的時(shí)間進(jìn)行測量，這樣既降低了成本又消除了非對稱性電路誤差，在超聲波測量電路中所使用的超聲波的收發(fā)頻率為1MHz，超聲波換能器的功耗一般為5 μA，為了降低對超聲波傳感器的損傷，將超聲波傳感器安裝在出水管道上，其電路如圖4所示。

2．2．2 CC2430系統(tǒng)電路和無線數(shù)傳的實(shí)現(xiàn)
    無線熱量采集終端的核心部分是由美國TI公司生產(chǎn)、具有加強(qiáng)型8051內(nèi)核、支持2．4GHz的IEEE802．1 5．4／ZigBee協(xié)議、可實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的CC2430模塊。CC2430具有128 kB可編程閃存，8kB的RAM，主頻達(dá)32MHz，電源電壓范圍是2．0～3．6V，一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器，21個(gè)可編程I／O引腳，片內(nèi)外設(shè)主要包括1個(gè)ADC、4個(gè)定時(shí)器(包括一個(gè)MAC定時(shí)器)、2個(gè)USART、1個(gè)DMA、集成了RF前端功能模塊等。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。具有3種休眠模式(在模式2下，電流損耗為0．5 μA)，從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式只需54s，特別適合電池長期供電的場合。這些優(yōu)勢使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場競爭力。采集終端硬件電路如圖5所示。

3 無線熱量采集終端的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)通過CC2430對TDC—GP21進(jìn)行控制，TDC—GP21分時(shí)對進(jìn)、出水溫度及流量信息進(jìn)行采集，通過CC2430將采集到的信息處理成供熱量信息，然后無線傳輸?shù)娇刂平K端。在整個(gè)過程中，CC2430將測量命令通過SPI接口傳送至TDC-GP21，使之進(jìn)行采集信息并儲(chǔ)存在寄存器中。當(dāng)采集結(jié)束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中斷，將采集信息傳送給CC2430。多個(gè)傳感器采用定時(shí)器中斷驅(qū)動(dòng)采集命令執(zhí)行，溫度傳感器每30s采集一次信息，流量傳感器每0．5s采集一次信息。為了節(jié)省能量，系統(tǒng)在不工作時(shí)會(huì)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)才開始采集、處理并發(fā)送數(shù)據(jù)。液晶只有在按鍵按下時(shí)才顯示相關(guān)信息。其主程序流程圖如圖6所示。

    當(dāng)TDC—GP21接收到CC2430的流量測量命令時(shí)，TDC—GP21就會(huì)對各個(gè)寄存器進(jìn)行配置并初始化。TDC—GP21通過記錄開始脈沖信號(hào)和截止脈沖信號(hào)校準(zhǔn)測量計(jì)算得到測量值。每次測量后都把測量結(jié)果送進(jìn)CC2430進(jìn)行處理。然后進(jìn)行第二次測量。測量的子程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語
    本無線熱量采集終端是以TDC—GP21作為時(shí)間測量芯片、CC2430作為微處理器、超聲波時(shí)差法測量流量設(shè)計(jì)而成的超聲波熱量采集終端。該終端在硬件上選用的都是低功耗器件、在軟件上采取了間歇測量的措施，從而實(shí)現(xiàn)了低功耗；時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21可以保證測量的精確度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試熱量測量誤差優(yōu)于2．5級。另外設(shè)計(jì)的無線熱量采集終端還具有電路簡單、遠(yuǎn)程無線抄表功能，節(jié)省人力物力，具有廣泛的應(yīng)用前景。