基于GP21+EFM32的超低功耗超声波热量表电路模块设计
一种节省电量的超声波热量表的设计与实现
DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.018一种节省电量的超声波热量表的设计与实现刘 壮(西安费尔巴斯智能仪表有限责任公司,陕西西安 710119)摘要:为了延长超声波热量表的使用周期,设计了一种能够自动降低功耗的超声波热量表。
该设备采用智能测量频率技术,即根据检测到的流速情况调节检测频率,从而达到降低功耗,延长电池寿命的目的,此外还简单介绍了专门设计的数据采集模块、模数转换器、时钟模块和串口模块。
关键词:超声波热量表;功耗;采集频率;使用寿命中图分类号:TH81 文献标识码:B 文章编号:2095-509X (2014)02-0077-02 随着科学技术的发展以及人们对冬季采暖供热的要求越来越高,人类必须采用更加有效、合理、经济的低功耗设计,以减少供热过程中造成的能量损失。
因此通过建立合理的结构,从而降低电能消耗,延长热量表的有效使用周期,具有非常重要的现实意义[1]。
1 总体设计1.1 系统结构本文设计的是一种节省电能的超声波热量表[2],其关键之处是在超声波热量表内安装了节电电子模块。
节电电子模块包括数据采集模块、微处理器模块和通用接口以及电源模块,如图1所示。
通用接口用于连接数据采集模块和微处理器模块。
图1 超声波热量表整体电路结构1.2 关键技术节电电子模块中的电源模块分别与通用接口和微处理器模块相连接[3-4]。
与现有技术相比,利用在超声波热量表内安装的节电电子模块,实现了在超声波热量表的流量传感器空管或载热液体长时间静止时,能自动延长超声波热量表中热量传感器和温度传感器的采集间隔时间,从而降低超声波热量表的功耗,延长超声波热量表内置电池的使用寿命,或者降低超声波热量表的外部供电电源的能耗。
2 数据采集模块设计数据采集模块(如图2所示)包括流量传感器、温度传感器、模数转换器、时钟模块和串口模块。
流量传感器用于对超声波热量表基表管道内的载热液体流量进行测量采集。
GP21+EFM32低功耗热量表电路。
基于Energymicro公司的32位Cortex-M3内核的超低功耗微控制器EFM32(＄1.5625)与ACAM 公司的高集成度TDC-GP21芯片推出的超声波热量表方案，能够充分发挥EFM32(＄1.5625)的超低功耗与高运算能力的特点及GP21高精度的测量能力，它将成为超声波热量表方案中的最优之选。
主控及显示部分超声波主控MCU采用EFM32(＄1.5625)TG840F32，它是基于ARM公司的32位Cortex-M3内核设计而来，对比于传统的8位、16位单片机，它具有更高的运算和数据处理能力，更高的代码密度，更低的功耗。
实际数据显示，EFM32(＄1.5625)TG840在执行 32位乘法运算仅需4个内核时钟周期，32位除法运算仅需8个内核时钟周期，而相应热表上运用的16位单片机却分别需要50和465个时钟周期。
而恰恰在时间数据转换芯片TDC-GP21上采集得到的数据均是32位长度，因此在运算和热量计算时均是32位的数据运算。
EFM32(＄1.5625)TG840 具有EM0-EM4共5种低功耗模式。
在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可实现RTC运行，LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能，而功耗仅需900你A。
而且它具有灵活的唤醒方式和自主工作的PRS系统，可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART 通信信号等等方式唤醒。
EFM32(＄1.5625)TG840 集成了8×20段的LCD驱动器，满足直接驱动超声波热量表液晶屏的需求，而功耗仅为550nA。
EFM32(＄1.5625)TG840的LCD驱动器内部集成电压升压功能和对比度调节功能，可实现在芯片内部VCMP电压比较器监控VDD电压，分等级开启LCD升压及对比度调节，达到LCD的现象效果良好，即使系统电池随着使用时间增加出现电压跌落现象。
图2 主控MCU及显示电路EFM32(＄1.5625)TG840的I/O可以设置为低功耗模式唤醒及GPIO中断模式，因此外部操作按钮可以在低功耗条件下实现交互控制动作。
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现作者：陈晔王立辉来源：《机电信息》 2015年第24期陈晔王立辉（海南大学，海南儋州571700）摘要：介绍了一款基于高精度时间测量芯片TDC�GP21的超声波式热量表的具体设计。
热量表中热水流量采用超声波时差法原理进行测量，超声波换能器采用V型安装方式。
利用低功耗MSP430单片机的休眠模式等方法，大幅降低了测量系统的功耗。
关键词：TDC�GP21；超声波；热量表；流量；温度0引言供热取暖逐步采用分户计量模式，需要安装热量的检测仪表。
本文针对小口径流量测量，选择采用超声波时差法原理。
1测量原理热量表的三大构件是：流量传感器、温度传感器和热量计算器。
工作原理：流量传感器负责检测出当载热流体流经热交换系统时的流量；配对的两支温度探头测量出进水和回水管道的温度；热量计算器计算出系统释放的热量。
1.1热量计量2硬件设计2.1TDC�GP21芯片流量检测采用德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC�GP21来完成［5］，原理是逻辑门电路延迟信号的传输。
集成电路工艺精确地决定非门的传输时间，求出传输通过非门的个数，进而得出时间间隔。
TDC�GP21芯片内部集成了一个以PICOSTRAIN为基础的测温单元，测量原理是基于电容充放电法，每次测量电流都很小，大大降低了功耗。
2.2MSP430F449基于低功耗的考虑，选择MSP430F449超低功耗单片机作为主控芯片，其带有FLASH存储器［6］。
2.3外围电路（1）超声波换能器。
采用以PPS材料作为外壳的压电超声波换能器［7］。
PPS外壳超声波换能器参数如下：中心频率——1MHz；带宽——39.5%；灵敏度——21dB；Qm——4.9；余震——7.68μs；外壳材质——PPS；导线末端处理——镀锡；导线外被材质——PVC；导线屏蔽层——Y。
（2）超声波换能器安装方式。
采用V型安装方式，此方式传播量程较长，信号散射损失小，精度高。
超声波热量表的设计开题报告
毕业论文开题报告（理工类）三、设计方案及其可行性分析和预期目标：设计方案：系统的结构框图小图所示智能热量表硬件框图该系统主要由CPU、流量计、A/D转换器、温度传感器、LED显示器、电源控制、EEPROM 存储器和时钟电路等部分组成。
其中CPU是系统的核心，用于完成所有的控制和计算功能。
温度传感器和A/D转换器组成温度采集电路，可采集采暖回路进水和出水的温度。
流量计用来测量流过取暖设备的热水体积，每流过一定体积的水干簧管就闭合一次，同时向CPU 申请一次中断，CPU用该信号累计流过取暖设备的热水体积来进行热能计算。
在需要是通过LED来显示水温、消耗的热能和系统信息，EEPROM存储器用来存储这些信息。
时钟电路用于为整个系统提供系统时间，用键盘实现各种操作，如查看水温、消耗的热能和系统信息。
电源控制使系统在不需要显示和温度测量时切断部分电源，以降低系统功耗。
系统设置是每次加电时设置日期、时间等。
另外在系统出现故障时，也可以向CPU申请中断，以使CPU将当时的时间、热能值、故障信息等写入EEPROM以被查询。
预期目标：1、可以测量取暖设备提供的热量并显示。
2、可以将系统时间、故障信息、热能值等系统信息存储起来以备查询。
3、可以用键盘进行信息查询及设置。
4、系统不需显示和温度测量时切断相应部分电路以减少功耗。
四、所需要的仪器设备、材料：[1] 房小翠,王金凤.单片机实用系统设计技术[M]，北京:国防工业出版社，1999[2] 贾书圣.模拟电子线路[M]，北京:北京理工大学出版社，1996[3] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社[4] 胡汉才.单片机原理及接口技术[M]，北京:清华大学出版社，1996[5] 刘大茂.智能仪器(单片机应用系统设计)[M].北京:机械工业出版社，1997[5] 单片机原理及应用技术，魏立峰、王宝兴，北京大学出版社，2006。
基于TDC-GP21的完美超声波热量表设计
基于TDC-GP21的完美超声波热量表设计引言我国北方的供热改革自2009 年迈出了第一步以来，现在已经真正走上了正轨，预计在未来的几年当中，北方各地也将会加快对于供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重点工作。
超声波热量表由于其测量方式无接触部件，低压降和低能量消耗而且测量高精度，正在逐渐取代机械式的热量表，成为北方供热供暖热计量方案的首选。
德国acam 公司的第一代产品TDC-GP2，已经得到市场的充分认可，因为其集成度高，测量性能好功耗低的优势。
而今，acam 公司进一步推出了针对超声波热量表的高集成度TDC-GP21，在性能质量，功耗及其他各个方面将全面超越TDC-GP2，将会取代第一代而成为超声波热量表的首选。
1 TDC-GP21 的简介在2010 年的11 月底，德国acam 公司在原有的基础上，又专门针对超声波热量表的一些特性，进行了更深入的研究和改进，最终推出了新一代针对超声波热量表所设计的的芯片TDC-GP21。
这颗芯片采用QFN32 管脚的封装形式，除了具备了TDC-GP2 的功能以外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，比如模拟开关开关开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。
接通则电流可以通过，反之电流无法通过。
在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。
以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器比较器比较器是一种得到广泛使用的电路元件。
实际上也是增益非常高的运算放大器，可以放大输入端很小的差分信号，并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。
以至于无法稳定在中间放大区，再不跳到低电平，再不跳到高电平。
[全文]。
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现
一款基于TDC-GP21的低功耗热量表设计与实现背景与概述在家庭、公寓、办公楼等大量建筑物中，热能消耗占据了非常大的比例，因此监测和控制热量的消耗和分配是非常重要的。
根据热量的测量方法不同，传统的低功耗热量表通常采用机械式、电子式、电离式等测量方法，这些方法在测量准确度、实时性以及维护成本等方面存在问题。
为了满足现代低功耗热量测量对精度和实时性的要求，本文提出了一款基于TDC-GP21芯片的低功耗热量表设计与实现。
TDC-GP21芯片介绍TDC-GP21芯片是一款集成了时间数字转换器和计数器模块的高性能低功耗芯片。
TDC-GP21最大的特点是能够实现高精度的计时并提高测量精度。
其内部时钟频率高达1GHz，最高能够计数到1.024秒，并提供了 SPI 接口驱动，能够和 MCU系统集成。
基于TDC-GP21芯片的低功耗热量表，通过对芯片的时间计数和测量，能够实现对热量的高精度计量和追踪。
低功耗热量表整体设计一款基于TDC-GP21的低功耗热量表，主要由传感器、计算模块、显示模块和MCU等模块组成。
其中传感器和计算模块为核心部件，负责实现热量的测量和计算，而显示模块则用于显示热量数据，MCU则作为控制模块，控制整个系统的运行和处理。
传感器传感器是整个热量表测量的核心部分，负责实时监测水流量和温度的变化。
本文选择热能传感器作为测量传感器。
计算模块计算模块实际上就是基于TDC-GP21芯片的计数器模块。
该模块负责测定冷热水进出口的时间差，并通过这个差值计算出每秒钟的冷热水体积。
通过脉冲的计数和时间计数，计算出流量。
显示模块显示模块主要是将计算模块得到的热量数据实时显示给用户。
本文选择了一块4位7段数码管模块作为显示模块。
这种模块在价格上比LCD显示屏等其他显示模块便宜，且比较简单。
这种模块有较低的功耗，并且可以实时显示正在测量的数据。
MCUMCU控制模块负责控制显示模块的输出，从传感器提取数据，并处理和转换数据以便于实时显示。
基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计
基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计摘要：基于新型的高速时间数字转换芯片TDC-GP22，利用时差法测量原理，设计了一款高精度低功耗的超声波热量表。
为提高测量精度，采用W反射式超声波热量表基表实现流量的测量；为实现低功耗，采用MSP430系列单片机作为主控芯片，实现对外围电路的控制及数据处理。
TDC-GP22的测量单元主要完成超声波传输时间和进、出口温度的测量。
在A类环境下对多组热量表的测试结果表明：该热量表准确度高，流量误差能控制在1%以内，静态工作电流≤9 μA，性能稳定，具有广阔的应用前景。
关键词：TDC-GP22；超声波热量表；低功耗；高精度；W反射式0 引言按照建设节约型社会的要求，冬季取暖实行热能计量收费变得越来越普遍，因此以超声波热量表为代表的热量计量产品普及率会越来越高。
国外热量表利用其先进的技术、可靠的质量等优势占据欧洲大部分市场，但其价格昂贵，在我国难以推广应用。
目前国内市场上所设计的超声波热量表存在着功耗大、精度低等问题[1]。
针对上述问题，利用时差法原理，基于Acam公司的专用热量表设计的功能更强大的计时芯片GP22，设计了一款符合我国国情的高精度低功耗超声波热量表。
所设计热量表是利用一对配对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波信号，通过计时芯片TDC_GP22测量出超声波在水中顺流和逆流的传播时间差来测量管道内的水速，再通过流速计算出水的流量。
设计完成后在A类环境[2]条件下对多组热量表进行了测试。
1 超声波热量表的测量原理1.1 超声波热量表的热量计量数学模型超声波热量表是在超声波流量计的基础上添加温度传感器实现温度的测量，通过测出管道内水流量和供、回水温差来计算用户所消耗的热量。
水流经过热交换系统时，依据流量传感器测出的流量和温度传感器测出的供水温度、回水温度，以及TDC-GP22测出水流经过的时间，再通过CPU的计算就可以得到用户实际消耗的热量。
TDC-GP21在超声波热量表中的应用
TDC-GP21在超声波热量表中的应用前言相对于使用传统机械式的测量方法，超声波测量技术提供了一种无阻碍式的测量方法。
在这种技术的支持下，我们设计出的新一代超声波热量表没有了活动部件、电路更加的紧凑简单、功耗更低、精度更高。
而为超声波热量表市场量身定做的TDC-GP21 必将为你提供一个完美的解决方案。
关键字：TDC-GP21，时间数字转换器，超声波流量计，热量表，时间测量，低功耗超声波热量表的测量原理以使用较多的时差法超声波热能量表为例，通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。
再分别测出进出水的温度，通过求得差值获得温度系数。
将流量值和温度系数带入公式即可获得单位热量。
如图1 所示，超声波在静止流体中的传播速度用C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：其中包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。
由于顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的是一样的。
顺、逆流传播的时间差为：由此得到流体流速V 和瞬时流量Q 的计算公式（K 为流速分布修正系数）：再通过K 系数法，我们就可以得出热量E：德国ACAM 公司针对超声波热量表市场新推出的TDC-GP21 TDC-GP21 是德国ACAM 公司在TDC-GP2 的基础上发展的新一代产品。
除了具有TDC-GP2 所具有的高精度时间测量，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控制等功能外，它还集成了施密特触发器，斩波稳定的内部比较器和模拟开关等特殊功能模块，使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。
这款芯片利用现代化的纯数字化CMOS 技术，将时间间隔的测量量化到22ps 的精度，给超声波热量表的时差测量提供了一个完美的解决方案。
1、TDC-GP21 的技术核心——时间数字转换器（TDC）TDC—即时间数字转换器(Time-to-Digital Converter)，。
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基于32位Cortex-M3内核的超低功耗微控制器EFM32与ACAM公司的高集成度TDC-GP21芯片推出的超声波热量表方案，能够充分发挥EFM32的超低功耗与高运算能力的特点及GP21高精度的测量能力，它将成为超声波热量表方案中的最优之选。
主控及显示部分
超声波主控MCU采用EFM32TG840F32，它是基于ARM公司的32位Cortex-M3内核设计而来，对比于传统的8位、16位单片机，它具有更高的运算和数据处理能力，更高的代码密度，更低的功耗。
实际数据显示，EFM32TG840在执行32位乘法运算仅需4个内核时钟周期，32 位除法运算仅需8个内核时钟周期，而相应热表上运用的16位单片机却分别需要50和465个时钟周期。
而恰恰在时间数据转换芯片TDC-GP21上采集得到的数据均是32位长度，因此在运算和热量计算时均是32位的数据运算。
可见，采用EFM32TG840可以让超声波热量表有更好的运算性能，从而使得整机可以缩短处在运行计算状态状态，达到降低运行功耗的效果。
EFM32TG840具有EM0-EM4共5种低功耗模式。
在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可实现RTC运行，LEUART、LETIMER 及LESENSE的通信或控制功能，而功耗仅需900你A。
而且它具有灵活的唤醒方式和自主工作的PRS系统，可以由外部I/O、I2C通信接口、 LEUART 通信信号等等方式唤醒。
EFM32TG840集成了8×20段的LCD驱动器，满足直接驱动超声波热量表液晶屏的需求，而功耗仅为550nA。
EFM32TG840的 LCD驱动器内部集成电压升压功能和对比度调节功能，可实现在芯片内部VCMP电压比较器监控VDD电压，分等级开启LCD升压及对比度调节，达到LCD 的现象效果良好，即使系统电池随着使用时间增加出现电压跌落现象。
图2 主控MCU及显示电路
EFM32TG840的I/O可以设置为低功耗模式唤醒及GPIO中断模式，因此外部操作按钮可以在低功耗条件下实现交互控制动作。
TDC-GP21超声波采集电路模块
TDC-GP21是德国ACAM公司在2011年11月底推出的新一代专门针对超声波热量表检测计量所用的数字时间转换器。
TDC-GP21芯片采用QFN32封装，除了具备TDC-GP2的功能外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，例如模拟开关以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器。
TDC-GP21温度部分集成了施密特触发器，可直接接上温度传感器和参考电阻，就可以进行高精度的测量，测量的性能远远超过热量表所需的要求。
7x32bit的EEPROM单元，可用于存储热量表整表的ID信息及配置寄存器信息。
TDC-GP21需要两个供电电压，分别是核心电压VCC和I/O电压Vio，在本方案中采用了ACAM推荐的两个供电电压使用相同的电压源进行供电，并增加去耦双通道滤波电路以达到降低系统噪声的效果。
其他部分电路例如换能器、PTC电阻的连接以及晶体的接法均采用原厂提供的官方参考电路进行搭建。
在时钟方面TDC-GP21将输出32.768KHz时钟，为
EFM32TG840F32提供低频时钟，可节省主控MCU的低频晶振。
图3 TDC-GP21电路图
MBUS通信电路模块
超声波热量表通过MBUS（Meter Bus）总线通信进行自动抄表。
现场的热量表可通过MBUS 将数据上传到集中器，然后由集中器或再上一级集中器将数据通过以太网或无线GPRS通信模块将数据传输的供暖中心的后台，进行计费及管理。
本方案中采用TI公司的MBUS芯片为TSS721A。
TSS721A是一种用于仪表总线的收发器集成芯片，其内含接口电路可以调节仪表总线结构中主从机之间的电平，同时该收发器可由总线供电，对从机不增加功率需求，总线可无极性连接。
TSS721A的连接电路如图4所示。
图4 TSS721A连接电路
红外通信电路模块
根据《CJ/T 188-2004》技术规范文档，超声波热量表红外通信采用38KHz的载波对通信数据进行调制且有效通信距离大于2m，选用波长为940nm的红外发射管与接收管。
供热管理人员可以使用手持红外抄表设备对超声波热量表进行抄表。
红外通信电路如图5所示。
/儒道至圣。