低功耗超声波热量表的设计与实现

　　1 热量表的原理和结构

　　1.1 热量表的原理

　　用户消耗的热量是流入热量与流出热量的差值。 超声波热量表的热量测量主要包括流量测量和温度测量。 流量测量采用超声波时差法测量，即利用超声波在被测液体中顺流和逆流状态下传输速度不同的原理实现液体流速的测量[4]。 温度测量使用热阻法来测量热水温度和冷水温度[5]。

　　热量计算采用热量表行业标准 CJ 128-2007中的焓差法计算[6]为：

　　1.2 热量表的结构

　　超声波热量表依据中华人民共和国城镇建设行业标准 CJ 128-2007 进行设计。 该设计采用德州仪器公司的一款 MSP430 系 列 的 单 片 机 和 德 国ACAM 公司的时间测量芯片 TDC-GP21。MSP430 作为一种低功耗的 16 位单片机，适用于电池长时间供电的工作场合。 由于 MSP430F4152有两个 16 位计时器，一个实时时钟，两个串行通信接口和较大的 Flash 内存， 还集成了 LCD 显示模块等，适合本热量表设计。

　　时间测量芯片 TDC-GP21 满足本文超声波热量表的设计要求。 图 1 为 TDC 的测量原理结构。TDC 通过数字逻辑电路进行高精度时间间隔测量。测量单元是通过 Start 脉冲信号触发，Stop 脉冲信号截止。 在接收到 Stop 信号前，逻辑电路会记录 Start信号通过反向器的数目。 由于通过单个反相器的时间是固定的， 就可根据被 Start 信号通过的反向器个数， 得到 Start 信号和 Stop 信号之间时间间隔。时间间隔的精度可达 45 ps。这个时间间隔可用来测量超声波顺流传播时间和逆流传播时间。

　　同时 TDC-GP21 还具有独立的温度测量单元。温度测量使用热阻法。 但实际上这个温度测量单元是通过测量温度传感器对内部参考电容的放电时间变化来实现传感器阻值的测量。 通过放电时间可得到阻值。 根据测量温度传感器的阻值来得到对应的温度。 当接 2 个 PT1000 温度传感器时，测量精度可达 0.004 ℃。

　　超声波热量表的系统框图如图 2 所示。 微控制器使用 MSP430F4152 单片机。 调试模块中使用JTAG 调试口 ，可实现在线调试 ，中断调试等功能 ，使得开发更加方便。 显示模块使用专用的 LCD 显示数据，如图 3 所示，在 4 MUX 模式中，4 个公共管脚(COM0，COM1，COM2，COM3) 都被用来显示数据。

　　按键模块主要用于功能选择。 电源模块，采用电池供电，如图 4 所示，其中 2 个电容分别用来消除高频和低频噪声。 通信接口模块预留 RS485 总线，M-BUS 总线和红外通信接口 。 下面着重介绍基于TDC-GP21 的热量测量模块。

　　2 热量表的设计

　　2.1 热量表的硬件设计