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長期以來，我國的供暖系統(tǒng)是按面積收費而不是按用戶的能耗收費，用戶不能根據(jù)居室條件自行調(diào)節(jié)供暖時間和溫度，智能化程度低，造成了能源的浪費。國家建設(shè)部已將熱量計量收費列入《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)劃》，熱量的計量收費已作為建筑節(jié)能的一項基本措施[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量部件多采用葉輪結(jié)構(gòu)，對水質(zhì)的要求高，易造成葉輪軸承的磨損，外界環(huán)境變化對測量有較大的影響，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ACAM公司設(shè)計的TDC-GP2時間轉(zhuǎn)換芯片，可以方便準(zhǔn)確的實現(xiàn)對流量和溫度的測量。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E+H超聲波熱量表測量算法

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

圖1 時差法測量原理

    時差法超聲波測量是根據(jù)超聲波在順流和逆流的液體中傳播時，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不同的傳播時間，從而得出它們的傳播時間差值，再計算出液體的流速。在圖1中，有兩個換能器：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'為延遲時間。

    順、逆流時間差為

   

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

      （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，而所需測量的是面平均流速，需要進(jìn)行修正，乘以一個流量修正系數(shù)K，因此瞬時體積流量公式為

     （6）

    熱量計算算法焓差法為

   

    將式（6）代入到式（7）中，就可以計算出熱量

      （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）；q_v——瞬時體積流量（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，只需要測出超聲波的順、逆流時間差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)，在實際運算中，壓力變化對計算結(jié)果的影響較小，可以忽略，因此在本設(shè)計的運算中將這兩個參數(shù)作為溫度的變量考慮，采用查表法計算，從而保證測量的精度。

硬件系統(tǒng)設(shè)計及器件的選擇

硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

    本系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計，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E+H溫度傳感器安裝在進(jìn)水管和出水管上，用來測量進(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，通過時間芯片TDC-GP2記錄時間，進(jìn)行相應(yīng)的處理后，微處理器根據(jù)熱量計算算法算出向用戶提供的熱量，與存儲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)，同時用戶可以對鍵盤操作，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

   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的時鐘條件下運行，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。運算速度高，在8MHZ晶振驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有3個時鐘信號，包括1個高頻時鐘，1個低頻時鐘和1個DCO。靈活的時鐘選擇使得系統(tǒng)可以在zui合理的時鐘下進(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。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，充足的存儲空間，可以保證嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)正常運行，方便系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)為活動模式，非常符合熱量表系統(tǒng)的設(shè)計要求。

 e+h 流量和溫度的測量

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

    流量的測量

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

   E+H  TDC-GP2的流量測量模塊原理如圖3所示，數(shù)字TDC-GP2測量單元由start信號觸發(fā)，接收到stop信號停止，通過環(huán)形振蕩器的位置和粗值計數(shù)器可以計算出start信號和stop信號之間的時間間隔，測量精度范圍可達(dá)20位。首先MSP430啟動飛行時間的測量，fire引腳發(fā)射脈沖信號，同時啟動start信號，開始計時，脈沖信號激勵超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波；超聲波信號穿過管道中的流動液體，接收換能器將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過模擬電路部分的濾波放大，觸發(fā)TDC-GP2的stop信號，停止計時，zui后由TDC-GP2中的ALU計算出通過流體的時間。在啟動fire時，MSP430通過模擬電路部分對測量方向進(jìn)行定時切換，這樣就可以分別得出順流和逆流方向的時間，zui后由MSP430對兩次時間進(jìn)行差值運算，得出Δt。

圖3 流量測量模塊

    溫度的測量

    TDC-GP2內(nèi)部包含了一基于PICOSTRAIN的高精度低功耗測量單元，測量出每個電阻和電容組成的RC電路的放電時間[3]。TDC-GP2的溫度測量模塊設(shè)計如圖4所示，溫度傳感器采用Ptl000鉑電阻。溫度的測量是全自動的，通過微控制器發(fā)送啟動代碼啟動后，TDC-GP2自動控制4次測量，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算，通過查表就可以得出冷水和熱水的溫度了。溫度測量的精度可以達(dá)到0.004℃。

圖4 溫度測量模塊

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

   其它模塊的設(shè)計

    為實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，本系統(tǒng)設(shè)計了基于M-bus總線的通訊模塊，M-bus儀表總線（歐洲EN1434-3標(biāo)準(zhǔn)）是專為消耗測量儀器和計數(shù)器傳送信息的數(shù)據(jù)總線，用于水表、電表、氣表等各種測量裝置的自動抄表總線結(jié)構(gòu)，用兩條無極性的傳輸線來同時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)計的報文格式，具有布線簡單、抗干擾能力強(qiáng)和成本低等優(yōu)點[4]。具體選用TI的終端收發(fā)芯片TSS721A來實現(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，總線正常供電時提供3.3v穩(wěn)壓源，給微處理器供電。當(dāng)總線供電故障時，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沙太陽人電子公司的SMS0810B熱量表顯示模塊[5]。在簡化硬件的同時功能卻大大加強(qiáng)，顯示容量為8位帶小數(shù)點數(shù)字+15段符號，與CPU的接口方式為三線式串行接口，接口簡單，編程方便，大大降低了研制時間。為降低功耗，通常LCD處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有健按下時，LCD顯示熱量累積值，再次按下按鍵時，顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)中未使用復(fù)雜的按鍵，只使用了一個獨立按鍵，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、熱量和時間。

  嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計

    傳統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)一般采用的都是前后臺式的軟件設(shè)計方法，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)計過程中，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性和可靠性 C/OS-Ⅱ是由JeanJ.Labrosse編寫的免費公開源代碼的實時操作系統(tǒng)，不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁減、多任務(wù)和可剝奪型的實時內(nèi)核等特點，而且其實時性、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系統(tǒng)移植的條件，使用C語言交叉編譯器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，各個任務(wù)完成相對獨立的功能，任務(wù)的調(diào)度按優(yōu)先級的高低進(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，多個數(shù)據(jù)組成消息隊列，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個任務(wù)，優(yōu)先級的設(shè)置是按照整個系統(tǒng)運行的時序來確定的，對系統(tǒng)安全運行較重要的和對實時性要求較嚴(yán)格的任務(wù)，設(shè)定較高的優(yōu)先級。各任務(wù)的優(yōu)先級由高到低依次如下：流量測量任務(wù)，溫度測量任務(wù)，計算任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲任務(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。每個任務(wù)的執(zhí)行時間具有相對的確定性，在計算測量結(jié)果時，加入必要的誤差消除算法可以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。在設(shè)計過程中，針對于系統(tǒng)本身低功耗的特點，當(dāng)系統(tǒng)空閑的時候應(yīng)該使其進(jìn)入低功耗狀態(tài)，因此根據(jù)實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超聲波測量的時間測量芯片TDC-GP2和嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-Ⅱ來設(shè)計熱量表系統(tǒng)，該系統(tǒng)耗能低，測量精度高，性能穩(wěn)定，使用壽命長，較好地解決了傳統(tǒng)的機(jī)械式熱量表的流量計部件受熱變形、運動磨損及臟堵等問題。將嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-Ⅱ移植到MSP430中給設(shè)計者提供了一個操作平臺，可擴(kuò)展性有很大的提高，設(shè)計過程變得更加簡單，實時性、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時任務(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。