一种基于TDC—GP21的无线热量采集终端设计

摘要：设计了一种应用时间测量芯片TDC—GP21实现流量和温度测量，以CC2430作为微处理器的无线热量采集终端。它具有精度高、功耗低、性能稳定、价格低等优点，还能方便地实现无线远程抄表，具有广阔的应用前景。
关键词：热量表；TDC—GP21：超声波流量计；CC2430

0 引言
    能源问题是关系到整个社会稳定、国民经济健康发展的重大问题，随着当前能源紧缺形势的加剧，我国越来越重视节能工作。目前，我国很多地区的供暖依旧采用按建筑面积收费，即包费制，这种“大锅饭”式的收费方式严重地抑制了用户的节能意识。而且随着人民生活水平的提高，商品意识不断加强，这种旧体制已经不能适应当前经济生活的发展。本文设计的无线热量采集终端可以实现供热系统按供热量收费，一户一表，达到公平、公正的原则，提高了用户的节能意识，节能约20～30％。
    目前热量计量设备的种类很多，按照流量计的不同可分为机械式(涡轮式、涡街式、孔板式)、电磁式、超声波式等。机械式流量计对水质的要求较高，微量的铁屑或细沙等都会急剧降低测量精度甚至致使流量表短期内损坏。电磁式流量计对水流的导电率有要求，需要220V的高压电源供电，功耗大，对电磁干扰敏感。而超声波流量计克服了上述两种流量计的缺点，超声波探头的材料为非磁性材料，不存在吸引铁锈等问题，对水质要求较低、使用寿命长、不易损坏，属于非接触测量，具有安装、维护方便等优点。因此，我们设计的热量采集终端采用超声波法测量流量。
    获得热量数据的方法有以下几种，传统的人工抄表费时、费力，且缺乏可靠性、实时性和准确性；有线抄表需要专门的网络布线，复杂且传输距离短，不适合当今社会和科技的发展；无线抄表解决了上述问题，ZigBee技术是近年来发展起来的现代无线通信技术，它具有低速率、低功耗、低成本、短时延、免许可无线通信频段、多种组网方式、近距离传输等特点。通用分组无线服务技术GPRS(General Packet Rad io Service)是全球移动通信系统(GSM)移动电话可用的一种移动数据业务，它非常适合远程数据传输。
    综上所述，我们设计了用时间测量芯片TDC-GP21实现流量测量，用ZigBee无线单片机CC2430实现管理和短距离无线数据传输的无线热量采集终端。结合GPRS远程无线数据传输即可方便地组成远程无线热量抄表系统。该无线热量采集终端具有测量准确、功耗低、实时性好、能够远程抄表等优点。

1 无线热量采集终端的工作原理
    热量表主要用于测量及显示水流经热交换系统所吸收或释放的热能量，是供热体系中按热量计量收费的关键仪表。热量表设计的依据是热力学吸热定律，即Q=c×m×(t2-t1)，其中，c是比热容，m是质量，(t2-t1)是温度差。超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和进、出水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分的工作原理是由超声波在顺流和逆流时产生的时间差得出水的流速，再由水的流速推导出瞬时流量，累积后得到流量信息。在工作过程中应用一对超声波换能器相向交替收发超声波，首先通过适当的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动，超声波以一定的角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。

    如图1所示，在管道上装有换能器1和换能器2，流体速度为v，换能器用于发射和接收超声波。由于流体的流动，超声波的顺流传播时间小于逆流传播时间，从而产生时间差。
   
    其中：△t为顺、逆流的时间差，单位为s；t1、t2为顺、逆流的传播时间，单位为s：D为管道直径，单位为m；L为两个换能器间的距离，单位为m；c为超声波在流体中的传播速度，m／s；v为介质平均流速，m／s；τ为超声波在液体以外传播的附加时间，包括超声波在换能器的传播时间、管壁内的传播时间及电路测试的延时时间，单位为s。
    因为实际流速一般远小于声速(v<<c)，所以式(3)可化简为：
   
    式(5)所求的流体速度v为线平均流速，最终所需测量的是面平均流速v’，二者比值K=v／v’，称为流量修正系数，则体积流量为：
   
          
    由式(7)可以看出：在管道情况确定时，流体流量与顺、逆流时间差成正比，通过测量时差可达到测量流量的目的，而在实际应用中，时差的测量是比较容易实现的。
    最终，得到热量的计算公式：
   
    其中，Q为热交换系统释放或吸收的热量，单位为J；qm为流经热量表的水的质量，单位为kg／h；△h为热交换系统中进口和出口温度下的比差，单位为J／kg；t为时间，单位为s；ρ为流经热量表的水的密度，单位为kg／m3；qv为流经热量表的水的体积，单位为m3。
    当水流经供热系统时，根据测得的流量值和进、出水温度以及供热时间，就能计算出该段时间内供热系统所释放的热量，从而为管理系统提供收费依据。

2 无线热量采集终端的硬件电路设计
2．1 无线热量采集系统的整体设计方案
    基于TDC—GP21的无线热量采集系统主要分为三个部分：信息采集单元、数据收集显示单元、中心管理单元，其整体结构如图2所示。

    在该系统中，信息采集单元用来测量每家每户的用热量，即所谓的一户一表，选择一栋楼的热量采集作为一个检测区块，每个检测区块中的用户通过ZigBee组网传输到数据收集显示单元，该区块中的所有信息采集单元共用一个数据收集显示单元和一个GPRS通信模块，这样可以节省大量数据收集显示单元和GPRS通信模块，降低了系统的安装费用，同时也节省了GPRS的通信费用，降低了运行成本。
2．2 无线热量采集终端的设计
    由于无线热量采集终端是系统获取信息的部分，因此是系统设计的关键。本文采用模块化的思想设计了无线热量采集终端的硬件电路，主要包括信息采集电路、液晶显示电路、电源电路、晶振电路、JTAG电路等。其结构框图如图3所示。

    首先，CC2430通过与TDC—GP21进行通讯，实现对流量信息和进、出水温度的采集。然后，通过CC2430把流量和温度信息转化成用户消耗的热量值，并将热量和累计热量显示在液晶屏上。最后通过短距离的无线发射模块将热量信息发射到数据中继中心，进而发送到远程控制终端，数据的无线传输选择了ZigBee和GPRS相结合的方式。
2．2．1 无线热量采集终端电路设计
    本设计中，通过TDC—GP21芯片来测量进、出水温度和流量信息。它是德国ACAM公司推出的高精度时间测量芯片，是TDC-GP2的升级产品。芯片的测量精度可达皮秒级，核心供电电压为1．8～3．6V，I／O口供电电压为1．8～5．5V，在核心供电和I／O供电都是3V的情况下，流入高速晶振的电流为130 μA，可使用电池供电，通过四线SPI标准接口与单片机通信，具有7×32位的E2PROM，集成度较高，集成了温度采集、脉冲发生器及时钟校准单元等，非常适合低价格超声波热量表的应用，外部仅使用一个简单的单片机就能完成整个系统的设计。其中，进、出水温度传感器选用了精度极高的PT1000铂电阻，它具有体积小、测量准确、稳定性好、结构简单等优点，两个铂电阻分别安装在进、出水管道上。流量测量选用超声波热量表专用的压电式超声波换能器对超声波在顺逆流方向传播的时间进行测量，这样既降低了成本又消除了非对称性电路误差，在超声波测量电路中所使用的超声波的收发频率为1MHz，超声波换能器的功耗一般为5 μA，为了降低对超声波传感器的损伤，将超声波传感器安装在出水管道上，其电路如图4所示。

2．2．2 CC2430系统电路和无线数传的实现
    无线热量采集终端的核心部分是由美国TI公司生产、具有加强型8051内核、支持2．4GHz的IEEE802．1 5．4／ZigBee协议、可实现嵌入式ZigBee应用的CC2430模块。CC2430具有128 kB可编程闪存，8kB的RAM，主频达32MHz，电源电压范围是2．0～3．6V，一个内部稳压器，21个可编程I／O引脚，片内外设主要包括1个ADC、4个定时器(包括一个MAC定时器)、2个USART、1个DMA、集成了RF前端功能模块等。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA和25 mA。具有3种休眠模式(在模式2下，电流损耗为0．5 μA)，从休眠模式转换到正常模式只需54s，特别适合电池长期供电的场合。这些优势使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点，具有很强的市场竞争力。采集终端硬件电路如图5所示。

3 无线热量采集终端的软件设计
    系统的软件设计是整个系统的核心部分，系统通过CC2430对TDC—GP21进行控制，TDC—GP21分时对进、出水温度及流量信息进行采集，通过CC2430将采集到的信息处理成供热量信息，然后无线传输到控制终端。在整个过程中，CC2430将测量命令通过SPI接口传送至TDC-GP21，使之进行采集信息并储存在寄存器中。当采集结束时，就会产生中断，将采集信息传送给CC2430。多个传感器采用定时器中断驱动采集命令执行，温度传感器每30s采集一次信息，流量传感器每0．5s采集一次信息。为了节省能量，系统在不工作时会处于休眠状态，当定时时间到时才开始采集、处理并发送数据。液晶只有在按键按下时才显示相关信息。其主程序流程图如图6所示。

    当TDC—GP21接收到CC2430的流量测量命令时，TDC—GP21就会对各个寄存器进行配置并初始化。TDC—GP21通过记录开始脉冲信号和截止脉冲信号校准测量计算得到测量值。每次测量后都把测量结果送进CC2430进行处理。然后进行第二次测量。测量的子程序流程图如图7所示。

4 结束语
    本无线热量采集终端是以TDC—GP21作为时间测量芯片、CC2430作为微处理器、超声波时差法测量流量设计而成的超声波热量采集终端。该终端在硬件上选用的都是低功耗器件、在软件上采取了间歇测量的措施，从而实现了低功耗；时间数字转换芯片TDC-GP21可以保证测量的精确度，经实验测试热量测量误差优于2．5级。另外设计的无线热量采集终端还具有电路简单、远程无线抄表功能，节省人力物力，具有广泛的应用前景。