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1設(shè)計(jì)思想

 TMR為隧道磁電阻傳感器的簡(jiǎn)稱，它利用了電子的自旋特性，通過量子遂穿效應(yīng)穿過氧化鎂絕緣層，然后有選擇的穿過磁性層；常溫條件下，TMR的最大電阻變化率可達(dá)到500%以上。TMR傳感器的優(yōu)勢(shì)為功耗低、靈敏度高、工作范圍寬、工作溫度范圍大、響應(yīng)頻率高，可達(dá)GHz。

 流量控制器設(shè)計(jì)主要目的是為取代原有干式水表上方的機(jī)械齒輪計(jì)度器，提高計(jì)量準(zhǔn)確度、豐富計(jì)量信息和監(jiān)控功能。機(jī)械齒輪計(jì)度器采用固定的傳動(dòng)比，水量機(jī)芯葉輪每旋轉(zhuǎn)一圈所累計(jì)的水體積在整個(gè)流量區(qū)間范圍內(nèi)都是固定的。相比機(jī)械計(jì)度器，流量控制器可將整個(gè)流量區(qū)間范圍劃分成若干個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的單圈水體積，控制器根據(jù)葉輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速查表得到單圈水體積，計(jì)量更精準(zhǔn)。另外流量控制較傳統(tǒng)的機(jī)械計(jì)度器，其計(jì)量內(nèi)容更豐富，可計(jì)量正向累計(jì)流量、記錄反向累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量凍結(jié)數(shù)據(jù)等。

2硬件設(shè)計(jì)方案

 流量控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)單元組成，分別是MCU主控單元、計(jì)量單元、M_bus通信單元等。

2.1 MCU主控單元

  MCU主控單元采用TI半導(dǎo)體公司（德州儀器）的16位430系列單片機(jī)，具有極低的電源功耗，140 uA/MHz，3.0 V，活動(dòng)模式；它內(nèi)部資源豐富，帶有128 KB的FLASH存儲(chǔ)器，16位的定時(shí)器，內(nèi)部帶有液晶驅(qū)動(dòng)器，并最多可以外接300段以上的液晶顯示；帶有3路硬串口，2路SPI接口，帶有標(biāo)準(zhǔn)的JTAG升級(jí)接口和兩線制的簡(jiǎn)化接口；寬電壓工作范圍：1.8~3.6 V；溫度范圍：-40℃~85℃�？刂破鲀�(nèi)部組成框圖如圖1所示。

2.2水量計(jì)量單元及原理

  采用隧道磁電阻傳感器的方式，推挽式雙極鎖存輸出，從而消除了輸出的抖動(dòng)。超低功耗，在連續(xù)工作時(shí)，功耗小于3 uA;高頻率響應(yīng)可達(dá)1 kHz；器件在1.5—5.5 V之間均可工作。

  將TMR傳感器安裝于位于水表機(jī)芯葉輪頂部的中心位置，水流帶動(dòng)該磁環(huán)旋轉(zhuǎn)。磁電阻傳感器TMR1、TMR2位于磁環(huán)上方，彼此成45。角。當(dāng)磁環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，TMR1、TMR2輸出信號(hào)如圖2和圖3所示。

  正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)變化為：01、11、10、00、01、1 1、10、00

  反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)變化為：10、11、01、00、10、11、01、00

  具體的工作過程為：基表中環(huán)形磁鐵的N極靠近磁敏傳感器時(shí)，磁敏傳感器輸出低電平；當(dāng)環(huán)形磁鐵的S極靠近磁敏傳感器時(shí)，磁敏傳感器輸出高電平。兩個(gè)磁敏傳感器將采樣到水量信息以方波信號(hào)的形式傳輸?shù)紺PU主控單元，微處理器通過接收來自兩個(gè)磁敏傳感器傳來的高低不同的電平信號(hào)，判斷磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而判斷水表的水流方向。同時(shí)，CPU主控單元通過計(jì)量磁敏傳感器輸出的脈沖數(shù)，換算成水表相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，由此獲得水表相應(yīng)的流量信息。

 由于兩個(gè)磁敏傳感器相差一定的角度，使得在雙磁極環(huán)形磁鐵旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，可以獲得8個(gè)磁場(chǎng)狀態(tài)量。當(dāng)水表的葉輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎�轉(zhuǎn)時(shí)，水表機(jī)芯每旋轉(zhuǎn)一周，兩個(gè)磁敏傳感器共輸出一組8個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，即01、11、10、00、01、11、10、00；CPU主控單元將正轉(zhuǎn)的用量信息數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的正轉(zhuǎn)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行累加，水表反轉(zhuǎn)的用量信息數(shù)值不變；當(dāng)水表的葉輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)時(shí)，機(jī)芯每旋轉(zhuǎn)一周，兩個(gè)磁敏傳感器共輸出對(duì)應(yīng)的另一組8個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，即10、11、01、00、10、1 1、01、00；CPU主控單元將反轉(zhuǎn)的用量信息數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行累加；通過正轉(zhuǎn)用量信息數(shù)據(jù)減去反轉(zhuǎn)的用量信息數(shù)據(jù)，得到實(shí)際用水量的信息數(shù)值。反之，當(dāng)水表安裝成反方向時(shí)，可以通過磁敏傳感器將反轉(zhuǎn)用量信息數(shù)據(jù)減去正轉(zhuǎn)的用量信息數(shù)據(jù)，得到實(shí)際用水量的信息數(shù)值。由此實(shí)現(xiàn)了正向數(shù)據(jù)的計(jì)量，也實(shí)現(xiàn)了反向數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

2.3通信控制單元

 本設(shè)計(jì)采用國際上水汽熱趨于通用的通信方式，即M_bus通信方式，M_bus是一種低成本的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的總線通信系統(tǒng)，具有通信設(shè)備容量大（500點(diǎn)）、通信速率高(9 600 bit/s)、成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、布線簡(jiǎn)便（無極性可任意分支，普通雙絞線）、抗干擾能力強(qiáng)，并且總線可提供高達(dá)500 mA電源的特點(diǎn)。系統(tǒng)具有自動(dòng)登錄功能，此功能可完成設(shè)備的自動(dòng)登錄、結(jié)點(diǎn)中斷報(bào)警等雙向可中斷的先進(jìn)通信功能。通過通信回路，主站相關(guān)人員可以實(shí)時(shí)查詢到用戶的流量信息記錄，并進(jìn)行綜合判斷，最后決定是否開關(guān)閥動(dòng)作。

M_bus通信電路如圖4所示。

3軟件設(shè)計(jì)方案

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方案，將各個(gè)模塊的功能單獨(dú)封裝，以方便調(diào)試和檢查。主要包括計(jì)量模塊、通信模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電池監(jiān)測(cè)單元、lC卡讀寫模塊等，各模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)保證了軟件良好的穩(wěn)定性和可移植性，采用C語言在IAR forMSP430集成環(huán)境中編輯、編譯連接、調(diào)試后，直接通過JTAG接口將程序下載到16位單片機(jī)中。軟件整體框圖如圖5所示。

3.1  計(jì)量模塊參數(shù)定義及處理流程

 根據(jù)水量計(jì)量原理和方法，流量設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)部參數(shù)定義相應(yīng)的數(shù)組如下：

 1)deasil[2][8]  =  {{0,1},  {1,1},  {1,0},10，0}，{0，l}，{1，1}，{1，0}，{0，0}}正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)序列

 2) anticlock[2][8]={{1,0},{1,1},{0,1},{0，0}，{1，0}，{1，1}，{0，l}，{O，0}}反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)序列

 3) queue[8]:記錄葉輪旋轉(zhuǎn)一圈過程中TMR輸出狀態(tài)的變化軌跡

 4)  queue_deasil[ 10]：記錄每次正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)一圈所花費(fèi)的時(shí)間

 5) queue_anticlock [10]：記錄每次反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)一圈所花費(fèi)的時(shí)間

 6)  Ncircle+：某次走水葉輪正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的實(shí)際圈數(shù)

 7)  Ncircle -：某次走水葉輪反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的實(shí)際圈數(shù)

 8) Qn:某次校表所選的流量點(diǎn)

 9) Tone_circle:在某一流量點(diǎn)下葉輪旋轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間

 10) Vone_circle:在某一流量點(diǎn)下葉輪旋轉(zhuǎn)一圈流經(jīng)水表水量的體積

 11) Va:某次校表流經(jīng)水表水量的實(shí)際真實(shí)體積，臺(tái)體量筒讀數(shù)

 12) Ta:某次校表從開始走水到結(jié)束走水所經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間

對(duì)應(yīng)的流程圖如圖6所示。

3.2通信模塊的處理

 M_bus通信采用2 400波特率（1起始位、8數(shù)據(jù)位、1偶校驗(yàn)、1停止位），總線供電的方式，相關(guān)的初始化定義如下：

 #include”app_mbus.h”

 #include”msp430f6736.h”

 #include”app_data_process.h”

 #include”app_task.h”

 #include”app_valve.“”

 #define BUFFER_SIZE 140 //buffer緩沖區(qū)的大小

 #define WATERMETER_TYPE Oxl0 ／／表類型：冷水表

 #define SECCOEF( 36*32768)

//188協(xié)議定義

 #define Frame188_Header_L II

 #define Frame188_TaiI_L 2

 ／／定義并初始化buffr緩沖區(qū)

 uint8_t _buffer[BUFFER_SIZE]=lo};

 signed int _index=一1；

 uint8_t _start=0：

 const uint8_t XOR[8]={Ox39 ,Ox35 ,Ox38 ,Ox32 ,Ox33 ,Ox37 ,Ox34,Ox36}；

  ／／接收幀結(jié)構(gòu)

  sframe_struct_188 rx_data;

  ／／發(fā)送幀結(jié)構(gòu)

  sframe_struct_188 tx_data;

  uint8_t clear_flg=0；

  void Disable_lnfrPwm( void);

  uint16_t Get188Status();

4結(jié)論

  本文對(duì)計(jì)量方案進(jìn)行了創(chuàng)新，采用非接觸的磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，精確地計(jì)量水流的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)水量信息，即使表計(jì)反裝的情況下，也可以正確地讀取到用戶的用水信息；工作人員可以了解到用戶的真實(shí)用水情況，根據(jù)對(duì)水量數(shù)據(jù)的分析，了解用戶的使用情況。當(dāng)計(jì)量結(jié)果在一般非用水時(shí)間（例如午夜）連續(xù)幾天均出現(xiàn)持續(xù)微變的數(shù)值，則可判定該用戶的水表存在漏水故障；當(dāng)計(jì)量結(jié)果是持續(xù)大流量值時(shí)，則可判定該水表所在位置存在爆管故障。基于MSP430單片機(jī)技術(shù)的水量計(jì)量裝置功能完備、操作方便、性能可靠。