朱民

【摘  要】与机械式热量表相比，超声波热量表具有对外界环境要求不高、测量精度高、不会出现磨损等优点，因而深受冬季广大采暖用户的喜爱。但在使用的过程中，超声波热量表的功耗一直居高不下，影响了其使用寿命和用户体验。本文从硬件与软件两个方面，对超声波热量表低功耗设计进行了分析和探究。

【关键词】超声波热量表;低功耗;设计

通常北方的城镇在冬季来临时，采取传统的按住宅面积进行收费存在一些不足，用户无法根据自身需要对住宅内温度进行调节，出现了浪费现象。热量表的出现为用户解决了这些问题，既节省了采暖费用和又避免了浪费。当前，很多用户使用的是超声波热量表，虽然具有精度高、对水质要求低等优点，但也存在高功耗的问题，需要加强对该设备深入的研究，才能找到对策，有效地解决其高功耗的问题。

一、超声波流量测量与热量积算

热量表是一种在冬季采暖期来临时，安装在供热管道之上，对采暖用户所消费的热量进行累积记录，以此作为收费标准的装置。超声波流量表是通过超声波在流体里的逆流与顺流流动的时间差来得到间接流量与流速的。流量测量传感器就是安装在管道上的一对超声波换能器。超声波换能器通常是单声道，1赫兹的工作频率，压电型收发两用[1]。

经过推导，就能得出测量方案里体积流量公式：

Q= ·

此公式中，t是在顺流与逆流下声波信号的传播时间差：△=t逆-t顺;t均= ;修正流量的系数为K，为线平均流速和面平均流速之间的比值。超声波热量表热量计量原理：热量表由入、回水温度测量，热量积算与超声波测量3部分组成，热量积算通过以下公式得出来：

Q= h·dt= h·dt

在这个公式里，Q是释放热量，单位是kj;qm是通过热量表的热水的质量流量，单位是kg/s;qv是体积流量，单位是m3/s;p是流过的热水密度，单位kg/m3;△是通过的热水在进出口的焓值差，单位是kj/kg;s是时间。

采用焓值差开展热量计算时，可以先计算出在一定时间间隔里所释放出来的热量值，分段时间内热量值的累积之和就是总的热量值。

Q=qv（hrpr—hcpc）

在这个公式里，qv是这段时间里的体积流量;hchr是出口与入孔温度下的热水焓值;pcpr是出口与入口下温度中的热水密度。无论是热水密度与焓值都和温度有关系，在城镇行业建设关于热量表的标准中，专门给出了处于不同温度情况下水的密度值和焓值，只需通过线性差值运算方法和查表法就可以计算得到在一定间隔时间里所释放出来的热量多少。

二、优化超声波热量表系统方案設计

运用热量积算原理，就能设计出来超声波热量表系统结构。该系统主要包括超声流量测量模块、主控电路模块、人机交互模块、温度测量模块、通信模块、电源模块、备份数据模块以及其他方式的输出模块等。

主控制器采用的是单片机，单片机通常十分使用在无磁热量表中，方便进行升级或转型换代。时间数字转换器就是时间测量芯片，可以在超声波流量信号检测中测量时间的长度[2]。一般时间测量范围是500ns—4ms;每个信号通道的测量是90ps的分辨率，也可以达到22ps的最高;能提供十分准确的检查停止信号。这种时间转换器还可以在其内部专门集成一个测量温度的模块，通过与铂电阻温度传感器外接就能进行温度的测量。

三、超声波热量表的低功耗设计

因为超声波热量表的用户型都是以电池进行供电，所以要让热量表的运行实现低功耗，这就成为热量表设计的重点。以下就从硬件及软件两个方面对如何实现低功耗设计进行论述。

（一）低功耗的硬件设计

1、主控制器与时间数字转换器的低功耗选型

主控制器选用的单片机要具有超低功耗的运行特性，具体要求如下：工作电流低，在1MHz、2.2v工作方式下为200μA;待机模式下0.7μA;维持关断模式时只为0.1μA;工作电压要低，在1.8v—3.6v;除了一种活动模式之外还要有5种以上选择的低功耗模式，在这些低功耗的模式之下，主/子辅助系统时钟、CPU、锁频环、内部数字振荡器等皆处于停用状态，这就能在温度、流量的非检测期通过不同模式的选择来进一步减少消耗和降低工作电流[3]。

另外，主控制器的单片机还应该包括比较丰富的外部扩展接口以及内部功能模块：2—3个8/16位的定时/计数器、6×8个/O端口、看门狗定时器、比较器、能对电压值展开实时监测的电源监视器以及96段LCD显示驱动模块等，这样能节约硬件成本、简化外围电路，并且使系统运行的功耗大大降低。

超声波传输实践测量芯片的选用要使其分辨率可以满足对时差测量精度的要求，同时也必须具备低功耗运行的特性：低工作电压要2.5v—3.6v;采取内部集成电路模式测量温度与流量时，要能低至2.2μA平均工作电流;采取自带温度测量模块对温度实施30s/次的测量时，需要的平均温度为0.08μA，这样就能大大降低所需要的功耗，这种温度测量方式只需要很简单的外围电容与电阻，就能降低的硬件成本和简化了设计。

2、其他功能电路的低功耗的设计

外围功能电路包括电源、人机交互、数据备份、通讯、LCD显示等。对于这些电路的设计，要采取低功耗的方案为最佳：在确保可以实现功能的基础上，电路结构要尽量简化。例如设计人机交互时，独立式按键只需设计三个，用于功能/模式选择、设置参数、标定仪器等即可。因为大量的命令或参数只有通过这些按键才能传输至主控制器，如果对按键只进行常规的定义是无法满足实际需要的，所以可以在进行程序设计过程中通过双键复用、一键多义等方式解决这类矛盾;对于那些硬件接口功能能用软件模式方式来实现的就可以取消这些接口电路。例如，在系统里计时芯片与主控芯片之间的SPI通讯结构方式就是同软件进行模拟才得以实现的。备份存储器和主控制器之间的I2C通讯方式也是采取软件模拟得以实现;在电路里元器件要多采取低功耗的器件，如CMOS型器件。

（二）软件方面的低功耗设计

1、主控制器低功耗的程序选择

在主控制器里如果选择了自身具有5种以上的低功耗模式，这就能让程序选择不同的时间段来运行。在5种模式下，主/子辅助系统时钟、CPU、锁频环、内部数字振荡器等都能采取分别停用的方式来降低功耗。在这个程序里，当系统热量积算、初始化和关键参数测量完成后，就會按照相关的程序指令立即进入低功耗LPM3模式状态，直至外部或内部的中断信号将其唤醒才开始工作。在LPM3模式状态之下，MCLLK主系统时钟、CPU、内部数字振荡器、数字频率锁相环FLL控制、和发生器都会自动停止工作，只有MCLLK辅助系统时钟处于活动状态，这样就使得主控制器在运行时大大降低了功耗。

2、芯片工作频率的程控选择

芯片的功耗通常都是与其工作频率息息相关的，如果频率高，功耗也必然会更大。所以在程序设计过程中可以依据实际工作需求，采用专门的指令合理配置计时芯片的时钟源与主控制器，这样就能大大降低芯片的功耗。在通常情况下，主控制器使用芯片自带的DCO数控振荡器，尽管精度不是很高却具有功耗低的特性;在需要进行精准定时的时候，就可以采取外界的低频晶振;外接高频晶振要尽量不使用。

在进行TDC—GP21计时芯片间断工作时，通过程序按照需要来选择两个各自不同的振荡器：一个是高频晶振，4MKz。其采取的是陶瓷晶振，有低电流、低成本、启动快等特点，但缺点是有温漂明显、误差大，所以可以在粗值计数的时差测量中进行应用。另一种是仪表晶振，32.768MKz。以这个频率为基准，运用校准程序对粗值测量结果实施校准，测量精度十分高。在开启这两个振荡器工作电流时分别0.5μA与0.52μA。

3、测量电流的分时驱动与外围电流的按需驱动

对于进行热量计算的主要参数测量电路可以不再使用长期供电模式，同时可以在不同的时间节点上调用相应的程序实施分时统一调度与分时驱动。如以计时芯片为核心的流量测量电路可以每间隔两秒进行一次启动，完成测量流量参数;温度测量电流每隔30秒进行一次启动，完成对温度参数的测量。

根据需要，通过计算得出的热量值的输出可以选择其他方式，例如4—20mA及0—20mA电流环输出，0—1000Hz的频率信号，代表不同的脉冲数等不一样的输出方式与功能电路相对应，如输出电流环时就要有V/I与D/A转换电路，这些外围功能电路都可以由程序进行控制，在需要时启动时只需输入程序指令即可。

4、辅助功能程序多采取中断方式调用

在系统里如仪表参数设置、低压报警、保存历史热量值、界面状态显示等功能程序都是采用中断的方式调用，由系统执行相关的中断服务程序来完成这些功能的使用。这些中断请求（就是中断服务程序）有一些是来自外部中断口，例如人机交互的请求（一些I/O口都能作为独立的外部中断口）;还有一些是来自内部的中断源，例如时间定时到进行保存历史值等。这些功能程序在没有中断请求时，一般都会保持静默状态，这样就会让系统的功耗大幅降低。

5 程序中采用的其他方式降低系统功耗方法

在运行热量积算程序过程中，因为其中涉及的运算公式里包含很多复杂的数学表达式与函数，并且为使参与运算的数值都要保证精度，会采用5字节的浮点数进行运算，所以在运算精度得到满足的基础上，运算方式要尽量采取一维及二维的表格，或者采取差值的运算方法对运算过程进行简化，这样就使得程序的运行时间缩短，系统运行时产生的功耗也随之大幅下降。此外，因为冬季供暖期是有一年当中的几个月时间，当处于没有采暖期时，可以将热量的积算与温度、流量信号的采集等程序关闭，只是让计时时钟处于工作状态。在非采暖期的时间起始设计管理者可以通过人际交互界面进行设置。

结束语：

综上所述，通过硬件和软件两个方面采取超声波热量表的低功耗优化设计，能让整体超声波热量表系统实现超低耗运行，电器性能十分稳定，运行效率和运行精度都很高，大大降低了耗电和成本，具有很高的使用价值，值得普及和推广。

参考文献：

[1]刘振凯，姚骏，张露露，金裕坚，楼承云.基于STM32L152的低功耗超声波热量表的设计[J].电子测量技术，2016，39（07）：149-153.

[2]李世光，贾俊征，高正中，谭冲，李凯旋.基于改善水流特性的超声波热量表设计[J].现代电子技术，2016，39（23）：124-128.

[3]田海军，刘炜明，王霞.高精度超声波热量表的设计[J].东北师大学报（自然科学版），2017，49（03）：78-82.