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基于TI单片机MSP430FW427的热量表解决方案

目前,供热服务首要关心的是高精度的测量、计费和管理,因此设计出超低功耗、计量准确的热量表成为首要解决的问题[1]。热量表由流量计、温度计和积算仪3个部分组成。热量属于过程量,传统的测量方法对过程计量的本身就存在较大的难度,而且存在测量误差大、修正因素多等问题,对于小温差、小流速流体,很难完成温度的高精度测量;并且很多热量表的功耗很大,无法满足电池长时期驱动的要求。因此,国内市场急需高性能低价格、适合国情的热量表。基于MSP430FW427的热量表能够实现低功耗、准确的测量以及设置、计算、显示、数据FLASH存储交换和串口通信,是新一代的新型高质量热量表。

1 热量表的测量原理

  以热(冷冻)水为媒介的集中供热(供冷)系统中用户所消耗的热(冷)量,与热(冷)水流量和供、回水焓值有关[2]。热能值的物理学含意是热功率与时间的乘积。按照热力学定义可表达如下:
A=m·(h1-h2) (1)
式中:A为热能值;m为指定热能载体的质量;h1为进水温度的热焓;h2为回水温度的热焓。
如式(1)所示,热能值无法直接测量,只能通过其他的物理学参数确定。通过热能表可以测定体积用以替代质量,然后通过查水的焓值和密度表来计算热能值。或测定温度用以替代热焓差。因此上式需转化。在实践中可表达如下:

A=V·ΔT·K  (2)

  式中:V为指定热能载体的体积;ΔT为进回水温差;K为热能系数,取决于载体密度随温度的变化和对应于流量计所测温度的热焓值。
因为用这种方法来测定热能值,因热能系数是校正计算的基本参数,流量计的安装一定要与标牌所指示的安装方式和位置一致。

2 热量表系统的硬件设计

  热量表由流量传感器、供回水温度传感器及计算、显示装置组成。热量表利用温度传感器对供水管道水温和回水管道水温进行测量,从而得到两者的温差,利用流量传感器对供水管道的瞬时热水流量进行计量。经过一定时间的积累,得到用户所消耗的热量值。并且利用M-BUS总线TSS721传输数据而且能远程供电的功能,实现远程抄表系统。热量表系统的工作原理图如图1所示。

                               

2.1 MSP430FW427单片机

  MSP430系列单片机是16位超低功耗单片机,它的电源电压采用1.8~3.6V,RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA,活动模式耗电250μA/MIPS(MIPS:每s百万条指令数),I/O输入端口的漏电最大仅50nA[3]。在低功耗方面,它具有5种工作模式,而且各种低功耗工作模式和活动模式之间可快速有指令进行切换[4]。MSP430系列单片机由3.0VDC锂电池供电,外接32768Hz的时钟晶振,内部有数字控制振荡器(DCO)提供高速时钟源。在非活动状态进入低功耗模式3(LMP3)的休眠状态,此时电流仅有17μA,当外部中断时,唤醒休眠状态进入活动状态仅需6μs,并且内有FLASH存储器、LCD驱动模块、12位A/D转换器和参考电压,从而减少了分离元件,进一步降低系统功耗。另外MSP430系列单片机采用了精简指令集结构从而具有强大的处理能力,并且具有高性能模拟技术及丰富的片上外围模块,为系统的单片解决方案提供了极大的方便。MSP430系列单片机系统工作稳定,且有高效的开发环境。系统中用到的微处理器是MSP430FW427,它具有MSP430系列单片机的所有特点,而且具有无磁传感模块功能的MSP430FW427是专门用于水表、气表、热表等的开发设计。

2.2 温度测量

  系统采用Pt1000铂电阻作为温度传感器。Pt1000随着温度的变化阻值发生变化,具体可以参考相应的分度表。一般在0℃时为1kΩ,在100℃时为1379.7Ω,不同厂家的Pt1000会略有不同。MSP430FW427本身没有16位的A/D,但是它在片内集成了一个精密型比较器,利用这个比较器,再加上一些必要的电路则可以实现性价比极高的A/D转换:sigma2deltaA/D[5]。A/D测量电原理图如图2所示。

                                      

 在图2中,P1.6和P1.7分别是比较器的2个输入端,Vin是待测电压,A/D的概念就是用一个已知的电压Vout去匹配待测电压Vin,其中P2.4口用于产生1位DAC。该DAC在一个固定次数的循环n内输出一定数量的短脉冲,经过低通滤波在电容上产生Vout,使得Vout=Vin。通过比较器来决定DAC输出是高还是低,当比较器CAOUT为高时,DAC输出为低,当CAOUT为低时,DAC输出位高,计算出DAC为高的次数m,即为所需要的A/D值,n对应于一定的分辨率。一般情况下,A/D值与MSP430FW427的VCC成比例关系。这样通过测量1kΩ和1.4kΩ标准电阻时的A/D值,根据这2个值就可以求出任意介于1kΩ和1.4kΩ之间(0~105.4℃)的电阻值R,再根据分度表中R与T的关系得到温度。

2.3 流量测量

  MSP430FW427单片机中有无磁传感模块,所以利用MSP430FW427中的SCANIF模块的LC振荡测量方法便可以测量出系统中所需的流量。MSP430单片机中SCANIF模块能够在低功耗下自动检测振荡的振幅或者包络线[6]。SCANIF模块由3块组成:模拟前端(AFE)、信号处理状态机(PSM)、定时状态机(TSM)。模拟前端用来激励传感器、检测信号并把信号转换为数字形式;这些数字信号进入信号处理状态机,信号处理状态机根据这些信号分析并计数旋转运动;而定时状态机用来控制模拟前端和信号处理状态机。SCANIF模块框图如图3所示。

                           

 振荡测量法是通过将流体流动转换为旋转运动来实现对流体流量的检测。一个由叶轮或是螺旋齿轮构成的装置把流体流动转换为转动,把一个谐振回路中的电感置于叶轮的上方可以检测到叶轮的转动,这个叶轮的一半涂有具有阻尼特性的金属膜如锡、铝、铜等。LC传感器固定叶轮上方,并且2个电感成90°分布在转盘的表面,当流体流动时带动叶轮转动,即转盘转动,转盘转动使得2个传感器(LC传感器)交替经过涂有金属膜的一半,这样传感器(CPU定时给LC回路激励信号)在经过有金属的位置时,LC阻尼振荡的振幅衰减的速度快;相反不经过时,LC阻尼振荡的振幅衰减的速度就慢,这样通过SCANIF模块检测包络线或衰减的幅度可以判断LC传感器的状态。图4给出了2个传感器位于不同区域时的振荡波形,转动信号经过传感器转化成为电信号送至微控制器的SCANIF模块,SCANIF模块通过检测不同的振荡波形来计算转动(流体流量)速度和方向,便达到准确计量的效果。

                                 

2.4 数据通讯

   系统的数据传输、远程发送等任务是通过基于TSS721的仪表总线远程抄表系统来完成的。它具有通讯距离远、施工布线方便、超标率高、成本低等优点,有很高的安全性和可靠性。基于TSS721的仪表总线远程数据抄表系统采用半双工异步通讯协议,波特率可达9.6×103bit/s。用户表的数据信息通过仪表总线统一集中到中继器上,每个中继器最多可以带256个从机表,传输距离最少可达1km以上,一套抄表系统可达65535个从机表,可以满足目前最大小区安装数量。同时基于TSS721的仪表总线远程抄表系统利用主机接口可以同PC机相连,直接同计算机进行数据交换,由计算机统一管理每个从机,并且控制器可以向从机提供一定的电流,从机可以直接利用控制器提供的电能工作。

   仪表总线远程数据抄表系统的硬件部分包括:主控计算机、远程数据抄表系统主机(同时也能作为中继器)、仪表总线、各节点(TSS721芯片)等。主控计算机主要是建立良好的人机界面,实时采集各下位机的数据,统一管理每个从机;远程数据抄表系统主机带有M-BUS接口、220V电源接口、RS-232接口。RS-232计算机接口与PC的串口相连,用来向MCU表发送命令和接收从MCU表返回来的数据,M-BUS接口把M-BUS主机和具有M-BUS功能的从机相连,同时也可以通过中继线将控制主板作为M-BUS从机使用,远程数据抄表系统主机完成数据的传递和远程发送等任务;仪表总线是一个层次化的系统,有一个主设备、若干个从设备和一对线缆组成,所有的从设备并行连接在总线上,由主设备控制总线上的所有串行通信进程,仪表总线系统结构框图如图5所示[7]。TSS721是根据Meter-Bus通信标准(EN1434-3)生产的仪表总线专用终端收发芯片,其内含的接口电路可以调节仪表总线结构中主、从机之间的电平,可通过光电耦合器等隔离器件与总线连接,同时该收发器由总线供电,对从机不增加功率需求。由TSS721的内部组成结构保证了它能与M-Bus所采用的各类UART通信协议进行信息交换,TSS721与总线的数据交换在不同的传输方向上,分别采用电压变化和电流变化方式来实现[8]。并且TSS721可以实现3种供电方式,分别是远程供电、电池供电、远程和电池供电。系统采用远程供电与电池供电并用电路。
                                

3 热量表系统的低功耗软件设计

  基于MSP430FW427的热量表的系统采用模块化结构,共有7个模块,分别是:温度测量模块、SCANIF流量测量模块、LCD显示模块、K热焓修正系数确定模块、瞬时和累积流量热量计算模块、按键端口模块、通信模块。系统程序结构框图如图6所示。

  系统程序主要由主程序、中断服务程序和一系列的功能子程序组成。其中主程序主要完成系统的初始化、校准、数据计算与存储和开中断等;系统的测量、数据交换等都通过中断来完成。另外,基于MSP430FW427的热量表的系统是建立在低功耗的基础上,而系统的功耗正比于CPU的工作时间,所以程序结构设计时首先尽量缩短CPU运行时间,利用MSP430的各个工作模式,进行合理的切换。另外,利用I/O口对模块供电进行控制,即根据工作的需要接通相应的功能模块电源。通过对程序结构的设计,对流量的计算还有对温度的测量都不是需要CPU持续工作来测量的,甚至每次执行之间的间隔是相对较长的,同时这些操作任务可由单片机高速运行时短时间完成。所以为了避免单片机在有效运行后的长期处于等待状态,程序结构设计中,在完成测量后要进入低功耗模式LPM3,由定时器或外部中断唤醒,这样极大地降低了系统的待时功耗,做到系统有效运行和电路动态运行时才消耗电流[9]。同时充分利用片内的定时器实现按键和显示程序的延迟,尽量避免指令循环延时;利用单片机的外部中断特性,在程序设计时采用中断方式,尽量少用查询方式。

                             

4 结束语

   基于MSP430FW427的热量表系统实现了热量表的数据采集、运算及控制,并利用M-BUS实现数据远传和远程抄表实现了热量表的控制,基于MSP430FW427的热量表具有体积小、功耗低、精度高的特点,支持远程数据抄表系统,同时也能实现冷热计量的切换,所以具有广阔的市场前景和良好的社会效益。



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