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案例頻道 作者簡介 ：崔玉玲， 機電工程系，講師，研究方向為控制工程與控制理論
摘 要：本論文利用超聲波在流動的液體中順流與逆流的時間差來測量流速，測量芯片 采用TDC－GP2，控制器采用MSP430。此熱量表可以避免傳統熱量表的阻塞問題，實現了與無線抄表系統相接合，可以在無人監管的情況下實現對用戶供熱信息的監控。
關鍵詞：MSP430；TDC－GP2； TSS721A
Abstract: Ultrasonicthe’s character is travel-time-difference between downstream and upstream.The heat meter makes use of this principle to measure velocity of flow.The measurement chips use high-speed time-digital measuring chip TDC－GP2. It’s MCU is MSP430 The heat meter can avoid the obstruction problem of the traditional heat meters. It connects with a wireless meter reading system phase grounding, so that the system can monitor the situation in the absence of the user heating under the control of information.
KeyWord: MSP430;TDC－GP2; TSS721A
本文設計了一種新型的熱量表，利用超聲波在流動的液體中順流與逆流的時間差來測量流速，測量芯片利用高速時間數字測量芯片。這種流量計測量精度非常高，可以避免傳統熱量表的阻塞問題。同時還設計了與外部通信的接口，本表可以與無線抄表系統相接合，因此，本系統可以在無人監管的情況下實現對用戶供熱信息的監控，系統框圖如圖1：
1 TI公司MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，具有16位RISC結構，CPU的16個寄存器和常數發生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率。
靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。數字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時間內被激活到正常的工作方式。MSP430系列單片機的16位定時器是應用于工業控制如紋波計數器、數字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內置的硬件乘法器大大加強了其功能，提高了數據處理能力。
TDC－GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代產品。它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業應用領域。GP2具有高速脈沖發生器，停止信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應用。在TDC-GP2 的內部集成了一個專門用來測量溫度的模塊，圖2所示：
3 通信的硬件電路
M-BUS目前是熱量表產品中廣泛支持的一種通信方式，它是一種可靠、開放、低成本的總線通信方式，網絡規模擴展性好，適合做為自動抄表系統中儀表及集中器層次的通信網絡。TSS721A是TI推出的一種用于M-BUS從機的專用收發器芯片。其特點如下：①滿足國際EN1434-3標準；②具有動態電平識別的接收邏輯；③無極性連接；④支持遠程供電，從機可由總線或后備電池供電；⑤支持UART協議；半雙工下波特率可達9600b/s；⑥可提供3.3v穩壓源。電路圖如圖3所示。
4 超聲波接收與處理電路
由于本熱量表采用電池供電，所以要求放大器的功耗要小。本文采用功耗較低的運放OP37，OP37功耗低，帶寬63MHz，供電電流小于2mA。用它組成二級放大電路來對接收到的信號進行放大，具體電路如圖4。第一、二級的放大增益分別為20dB，這兩級的放大增益為40dB，放大后的信號是不能直接做為GP2的STOP信號，它只能識別脈信號，所以還要對放大了的信號進行處理，把它變成數字信號。由于GP2的測量的是開始信號與結束信號之間的時間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。本文中采用MAXIM公司的高速比較器MAX9140來實現模擬信號的數字化（如圖4）。由于本熱量表采用電池供電，所以要求放大器的功耗要小。本文采用功耗較低的運放OP37，OP37功耗低，帶寬63MHz，供電電流小于2mA。用它組成二級放大電路來對接收到的信號進行放大，具體電路如圖4。第一、二級的放大增益分別為20dB，這兩級的放大增益為40dB，放大后的信號是不能直接做為GP2的STOP信號，它只能識別脈信號，所以還要對放大了的信號進行處理，把它變成數字信號。由于GP2的測量的是開始信號與結束信號之間的時間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。本文中采用MAXIM公司的高速比較器MAX9140來實現模擬信號的數字化（如圖5）。
5 軟件系統初始化主程序框圖如6所示。
圖6 主程序初始化流程圖
參考文獻
[1] 超聲波流量計的發展與應用《自動化儀表》[J] 黃攀雄 1998. 03
[2] 秦龍，MSP430單片機C語言程序設計[M].電子工業出版社
[3] 馮諾，超聲手冊[M].南京大學出版社，2000
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號