基于UTA6905的超聲波熱量表設計

1 概述

隨著(zhù)供熱計費體制改革的不斷推進(jìn)，熱量表市場(chǎng)逐年擴大，目前國內熱量表以機械式和超聲波式為主，其中機械式熱量表成本比較低，但對水質(zhì)要求比較高，使用壽命短，而超聲波式熱量表因為沒(méi)有磨損部件，其精度和使用壽命都有較大優(yōu)勢，在市場(chǎng)中占居越來(lái)越大的份額。一款熱量表的核心功能是對熱量的精準測量，實(shí)現該目標的兩個(gè)最主要因素是對水流溫度和流量的精確測量，此外還要有合理的熱量計算法，并且整個(gè)系統的功耗也要滿(mǎn)足電池供電的要求。從目前熱量表技術(shù)的發(fā)展看，溫度測量比較容易滿(mǎn)足精度要求，而對流量的精確測量是超聲波熱量表設計中的一大難點(diǎn)。

利用超聲波在順流和逆流中的傳輸速度不同實(shí)現流量的測量，如圖1所示，流量管道直徑為D，兩個(gè)換能器之間的水平距離為L(cháng)，超聲波在水中的傳輸速度為c，管道中流體速度為v，可以得到超聲波在順流和逆流傳播過(guò)程中的渡越時(shí)間分別為：

    （1）

    （2）

圖1 超聲波測量流量原理

其中，t₀為超聲波在水中垂直于水流方向的傳播時(shí)間和電路延遲時(shí)間之和，由式（1）、（2）可以推得超聲波在順流和逆流過(guò)程中的傳播時(shí)間差△t：

    （3）

由于超聲波在水中的傳播速度遠大于水的流速，故由式（3）可得：

    （4）

熱量表對時(shí)差的測量精度有很高要求，根據推算，時(shí)差的測量精度需要高達100ps左右，本文選用UTA6905芯片完成這一功能，使用UTA6905芯片測量傳播時(shí)間差△t的原理如圖2所示，它不是直接測量發(fā)射脈沖到回波信號的傳播時(shí)間，而是測量回波信號相對于發(fā)射信號同步參考信號的相位差，然后由順流相差和逆流相差得到順逆流回波信號的相位差，這個(gè)相位差和傳播時(shí)差是等效的。本文將介紹一款基于UTA6905的熱量表軟硬件設計方案，并提供測試測試數據及結論。

圖2 UTA6905芯片相差法原理

2 熱量表的硬件設計

2.1 UTA6905介紹

UTA6905是一款I(lǐng)CCI公司于2014年下半年推出的超聲波熱量表、流量表專(zhuān)用芯片，工作電壓為2.6~3.6V，適合使用電池供電。UTA6905通過(guò)SPI接口與MCU進(jìn)行通信，內部具備相位差測量單元、脈沖發(fā)生器、溫度測量單元、比較器、模擬開(kāi)關(guān)等超聲波熱量表必須的部件，還支持第一波檢測、換能器回波振幅檢測和換能器斷線(xiàn)檢測等功能。該芯片的溫度測量分辨率高達0.002℃；流量測量單元測量分辨率可達32ps；芯片靜態(tài)電流低至5nA，32kHz晶體振蕩器工作電流低至0.3uA，有利于降低整機的待機功耗。

2.2 熱量表硬件組成

基于UTA6905的熱量表方案硬件電路框圖如圖3所示，主要包括MSP430單片機，流量測量專(zhuān)用芯片UTA6905、管段及換能器、PT1000鉑電阻、紅外通信和MBUS通信接口等。方案實(shí)現的主要功能有相差法流量測量、回波信號幅值檢測、第一波檢測、空管檢測、換能器斷線(xiàn)/故障檢測等。

圖3 熱量表方案硬件電路框圖

UTA6905芯片內部集成大量功能電路，外圍只需較少的阻容器件即可配合MCU實(shí)現完整熱量表方案，并且UTA6905芯片PIN對PIN兼容于艾薩UTA6903芯片，方便用戶(hù)硬件升級。

MSP430F417是整個(gè)系統的控制核心，其低功耗特性特別適合電池供電場(chǎng)場(chǎng)合，其通過(guò)IO模擬SPI連接UTA6905、此外還通過(guò)不同的IO連接通信、電壓檢測等各個(gè)模塊。電源部分由穩壓芯片將電池電壓降低至3.0V，有利于進(jìn)一步降低功耗。UTA6905的外圍器件比較少，其工作所需的32K時(shí)鐘由MSP430單片機在芯片的CLK32OUT引腳上提供，4M高速時(shí)鐘選用起振速度快的陶瓷振蕩器；每個(gè)超聲波換能器分別通過(guò)一個(gè)電容和一個(gè)電阻接到芯片的FIRE和STOP引腳；溫度測量采用通用的PT1000電阻，測溫功能還需要充放電的電容選用TaiyoYuden公司cfcap系列100nf電容；MBUS通信電路包括ICCI的UTT821S芯片及其外圍電路；紅外通信包括紅外二極管以及必要的驅動(dòng)電路；LCD負責流量、熱量、溫度等參數的顯示，MSP430F417單片機自帶LCD驅動(dòng)，無(wú)須外加專(zhuān)用顯示驅動(dòng)芯片。

元件的選擇和PCB布局布線(xiàn)會(huì )對測量結果有所影響，為提高測量精度，在時(shí)差測量電路中，要求2只換能器嚴格配對、PCB走線(xiàn)對稱(chēng)，并加入地線(xiàn)屏蔽；測溫電路方面，要求選用低失真充放電電容，并且兩只PT1000電阻嚴格配對，PCB走線(xiàn)對稱(chēng)。實(shí)驗表明這些措施不僅有利于提高測量數據的精度和穩定性，還可以降低數據處理的工作量，降低功耗。

3 熱量表的軟件設計

基于UTA6905的熱量表方案主程序流程如圖4所示，上電復位完成后，系統進(jìn)行硬件的初始化，然后從存儲區域讀出后續測量必要的參數，之后開(kāi)始不同任務(wù)的循環(huán)調度。

圖4 熱量表軟件流程

MCU的主要任務(wù)包括：時(shí)差測量和瞬時(shí)流量的計算、溫度測量和計算、累積流量和熱量的計算、按鍵處理、通信處理、系統自檢、數據存儲等，在運行完當前所有要求的任務(wù)后，系統進(jìn)入待機狀態(tài)，這也是絕大部分情況下系統所處的狀態(tài)。在本方案中，每4秒鐘進(jìn)行一次流量測量，每30秒鐘進(jìn)行一次溫度測量，在充分滿(mǎn)足精度要求的前提下，系統平均功耗20uA；在進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，MSP430單片機僅有32K時(shí)鐘、定時(shí)器和外中斷系統處于工作狀態(tài)，UTA6905芯片的高速振蕩器和模擬電路關(guān)閉，整個(gè)系統只有6uA左右的消耗電流。

MCU控制UTA6905進(jìn)行流量測量的流程為：首先通過(guò)UTA6905提供的第一波功能判斷出第一個(gè)回波大體的回波時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間基礎上加上一個(gè)合適的數值，確保測量的屏蔽窗口設置在回波振幅已經(jīng)穩定的位置上，以保證參與測量的每個(gè)回波形狀一致；在測量相位差時(shí)，首先將寄存器配置為FIRE_UP發(fā)送脈沖，然后發(fā)送測量命令START_TOF，UTA6905開(kāi)始從FIRE_UP上發(fā)出指定個(gè)數的方波脈沖去驅動(dòng)發(fā)送換能器，發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)一段傳播時(shí)間到達接收換能器，在UTA6905內部，接收到的回波信號被比較器整形為方波信號，測量出該方波信號與一組FIRE_UP同步脈沖的相位差，其單個(gè)相位差的測量精度達到32ps，UTA6905可以連續測量1-31組這樣的相位差數據，之后進(jìn)行累加積分，得到順流回波信號相對于發(fā)射波的相位延遲，結果通過(guò)SPI讀出；以同樣的方式在FIRE_DOWN上進(jìn)行一次測量，得到逆流回波相對于發(fā)射波的相位延遲；之后根據UTA6905提供的計算方式可以計算出超聲波信號在順逆流中的傳播時(shí)差。

MCU控制UTA6905進(jìn)行流體溫度測量的流程為：發(fā)送START_TEMP命令，UTA6905會(huì )依次對4路溫度傳感器和電容構成電路進(jìn)行充放電，記錄四組放電時(shí)間，通過(guò)簡(jiǎn)單的比值計算可以得到兩路PT1000電阻的阻值，通過(guò)查表的方式得到對應的溫度值。

獲得時(shí)差和溫度參數后，MCU通過(guò)k系數法計算熱量，有標準的公式及計算方法可以參考，不再贅述。

熱量表的發(fā)展在保證計量精度的基礎上逐漸向智能化發(fā)展，在熱量表安裝和使用過(guò)程中出現的多種問(wèn)題，如果能夠實(shí)現自動(dòng)檢測和提前預知就會(huì )大大提高熱量表的智能化設計，UTA905芯片具有的狀態(tài)檢測功能可方便的幫助客戶(hù)實(shí)現上述設計。例如換能器在使用過(guò)程中可能會(huì )隨時(shí)間推移有老化、結垢的現象，導致回波振幅降低，引起測量精度下降，使用UTA6905芯片的回波幅值檢測功能，可使系統自動(dòng)讀取回波幅值大小，迅速找到問(wèn)題產(chǎn)生原因。換能器的特性是在激勵脈沖結束后仍能持續一段時(shí)間的余震，UTA6905利用這個(gè)現象可以迅速的判斷換能器是否出現斷線(xiàn)或者損壞故障。以配置FIRE_UP為脈沖發(fā)射端口為例，UTA6905在發(fā)送完成fire脈沖后，對STOP1引腳上收到的余波進(jìn)行脈沖整形和計數，若計數值為0則表示發(fā)射換能器已經(jīng)與線(xiàn)路板斷開(kāi)或者換能器損壞，不能產(chǎn)生余震。另外，UTA6905芯片還升級了空管檢測的方式，管段是否處于無(wú)水狀態(tài)可以通過(guò)START_TOF命令結束后狀態(tài)寄存器中的超時(shí)標志反映出來(lái)，不再需要外圍配置器件。對于溫度傳感器的開(kāi)路或者短路問(wèn)題，在UTA6905芯片START_TEMP命令結束后，即可在狀態(tài)寄存器中反映出來(lái)。這些功能均可大大方便客戶(hù)的智能化設計。

4 測試結果

對本方案的樣機進(jìn)行功能測試表明，溫度、流量、熱量、顯示和通信等功能均能正常運行；空管、換能器斷線(xiàn)、換能器振幅、溫度線(xiàn)的斷路和短路狀態(tài)、電池欠壓均等狀態(tài)均能正確地檢測出來(lái)；整機電流約為20uA，滿(mǎn)足電池長(cháng)期供電要求。

將多只樣機在熱量表專(zhuān)用校表機臺上進(jìn)行校準和性能參數的測試，測試結果表明，流量測量誤差完全滿(mǎn)足國標二級表的要求，同時(shí)對于更換測量時(shí)間段，更換表位的測試，誤差均保持良好的一致性。尤其對于小流量，突出顯示出相差法的測量?jì)?yōu)勢。因篇幅原因，僅列出35℃大中小三個(gè)典型流量點(diǎn)下3次重復測量的流量誤差統計，如表1所示。

表1 樣機測試結果誤差

5 總結

基于UTA6905的熱量表設計方案，采用相差積分法的原理進(jìn)行流量測量，采用集成的溫度單元進(jìn)行溫度測量，并充分利用了UTA6905提供的振幅檢測、斷線(xiàn)檢測等自診斷功能降低產(chǎn)品生產(chǎn)和維護成本，測試結果表明該方案能夠滿(mǎn)足熱能計量精度和功耗的要求，具有廣闊的應用前景。