CN112484797A - 一种极低功耗超声波水表及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极低功耗的超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器和主控MCU。本发明还公开了一种极低功耗超声波水表工作方法。本发明结构简单，通过尽可能降低主控MCU的运行时间来降低电量的消耗，同时将主控MCU的功能通过低功耗的水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2、时间差门限寄存器reg3、中断状态寄存器reg4和数据缓冲器buf来替代，同时兼顾了能耗与测量精度的矛盾平衡。
Description
技术领域
本发明涉及无线远传超声波水表领域，尤其涉及极低功耗的物联网IOT设备在传统涉水行业的应用等。
背景技术
超声波水表是通过检测超声波声束在水中顺流、逆流传播时因速度发生变化而产生的时差，分析处理得出水的流速，从而进一步计算出水的流量的一种新式水表。其内部无活动配件，不存在磨损导致的计量不准确问题，灵敏度高，可检测到流速的微小变化。同时，对被测介质几乎无要求，具有极宽的量程比，能够解决传统水表小流量不计量的问题。传统超声波水表和其它无线远传水表一样，全电子的水流检测模块和无线远传模块都由电池供电，且行业要求6～8年的使用寿命，这对系统的低功耗提出了极高的要求。由于超声波水表每次对水流速的测量，MCU都要参与，而MCU的功耗要远大于TDC时间数字转换芯片的功耗，造成传统超声波水表的很难达到6～8年寿命这个要求。传统的解决办法是降低采样的频率，使MCU尽可能的长时间休眠。这样的方法虽然能降低部分功耗，但也很难达到要求的使用年限，而且通过降低采样的频率，会导致计量误差较大，不能体现超声波水表的优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前通过降低采样的频率延长使用年限而导致计量误差较大的超声波水表，提供一种极低功耗的超声波水表。
一种极低功耗的超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器和主控MCU，
其特征在于，
所述超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲，包括沿水流方向前后设置的第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；
所述时间数字转换TDC模块包括TDC芯片、水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2和数据缓冲器buf，
所述TDC芯片用过检测水流，通过第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，之后通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，最后获得时间差Δt＝t21-t12，并将时间差Δt发送至所述数据缓冲器buf缓存；
所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期，控制TDC芯片单位时间内检测水流的次数；
所述水流测量次数寄存器reg2预设测量水流次数的门限值并记录TDC芯片测量水流次数，当TDC芯片测量水流次数超过预设测量水流次数的门限值时，所述水流测量次数寄存器reg2产生中断，向主控MCU发出提取全部测量数据信号，触发MCU提取所述数据缓冲器buf缓存的数据；
所述数据缓冲器buf用于存储预设测量周期内所述TDC芯片计算获得的多个时间差Δt；
所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期、水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值和时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt、所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期和所述水流测量次数寄存器reg2记录的测量水流次数，计算出水管累加流量，获得用水量。
为了获得更好的技术效果，所述时间数字转换TDC模块还包括时间差门限寄存器reg3，所述时间差门限寄存器reg3存储超声波在水管中的预设飞行时间差门限上限值和下限值，
当时间差Δt值小于等于预设飞行时间差门限下限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期延长信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期延长；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限下限值且小于等于预设飞行时间差门限上限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期恢复信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1恢复初始预设测量周期；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限上限值时，向主控MCU发送第二中断，所述主控MCU收到第二中断后，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；
若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位。
为了获得更好的技术效果，所述时间数字转换TDC模块还包括中断状态寄存器reg4，所述中断状态寄存器reg4用于保存TDC芯片中断的原因，存储值预设为bit0；当所述水流测量次数寄存器reg2产生中断时，所述中断状态寄存器reg4的存储值置为bit0；当时间差门限寄存器reg3产生中断时，所述中断状态寄存器reg4的存储值置为bit1，主控MCU通过读取所述中断状态寄存器reg4的存储值来判断中断的原因，
若中断状态寄存器reg4存储值为bit0置位，表示TDC测试时间到，所述主控MCU读取数据缓冲器buf来计算用水流量；
若中断状态寄存器reg4存储值为bit1置位，表示测试出现异常，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，
若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限上限值时，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；
若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；
若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位。
为了获得更好的技术效果，还有无线通信模块NB，所述无线通信模块NB将所述主控MCU获得用水量上传至上位机服务器。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种极低功耗超声波水表工作方法，其步骤包括，
(1)一种极低功耗超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器和主控MCU，
所述超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲，包括沿水流方向前后设置的第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；
所述时间数字转换TDC模块包括TDC芯片、水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2、中断状态寄存器reg4和数据缓冲器buf，
所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期和水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值；
(2)所述TDC芯片通过第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，之后通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，最后获得时间差Δt＝t21-t12，并将时间差Δt发送至所述数据缓冲器buf缓存；
(3)所述时间数字转换TDC模块根据步骤(1)配置的水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期重复步骤(2)；
(4)所述水流测量次数寄存器reg2预设测量水流次数的门限值并记录TDC芯片测量水流次数，当TDC芯片测量水流次数超过预设测量水流次数的门限值时，所述水流测量次数寄存器reg2产生中断，向主控MCU发出提取全部测量数据信号，触发MCU提取所述数据缓冲器buf缓存的数据；
(5)所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期、水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值和时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限，提取所述数据缓冲器buf中存储的时间差Δt、所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期和所述水流测量次数寄存器reg2记录的测量水流次数，计算出水管累加流量，获得用水量。
为了获得更好的技术效果，还包括时间差门限寄存器reg3，在步骤(1)中，主控MCU配置时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限上限值和下限值；
在步骤(2)后，还包括步骤(2.1)，所述时间差门限寄存器reg3将步骤(1)配置的预设飞行时间差门限上限值和下限值与步骤(2)获得的时间差Δt值进行比较，
当时间差Δt值小于等于预设飞行时间差门限下限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期延长信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期延长；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限下限值且小于等于预设飞行时间差门限上限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期恢复信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1恢复初始预设测量周期；
当时间差Δt值预设飞行时间差门限上限值时，产生第二中断，主控MCU收到第二中断后，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；
若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位；
步骤(3)重复步骤(2)和步骤(2.1)。
本发明结构简单，通过尽可能降低主控MCU的运行时间来降低电量的消耗，同时将主控MCU的功能通过低功耗的水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2、时间差门限寄存器reg3、中断状态寄存器reg4和数据缓冲器buf来替代，同时兼顾了能耗与测量精度的矛盾平衡。
附图说明
图1为本发明实施例电路原理图；
图2为本发明实施例超声波水表中水流测量示意图；
图3为本发明实施例中断流程示意图；
图4为本发明实施例时间数字转换TDC模块工作流程示意图；
图5为本发明对比例电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步详细阐述本发明的内容。
实施例1
一种极低功耗的超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器、主控MCU和无线通信模块NB，
所述超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲，包括沿水流方向前后设置的第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；
所述时间数字转换TDC模块包括TDC芯片、水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2和数据缓冲器buf，
所述TDC芯片用过检测水流，通过第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，之后通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，最后获得时间差Δt＝t21-t12，并将时间差Δt发送至所述数据缓冲器buf缓存；
所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期，控制TDC芯片单位时间内检测水流的次数；
所述水流测量次数寄存器reg2预设测量水流次数的门限值并记录TDC芯片测量水流次数，当TDC芯片测量水流次数超过预设测量水流次数的门限值时，所述水流测量次数寄存器reg2产生中断，向主控MCU发出提取全部测量数据信号，触发MCU提取所述数据缓冲器buf缓存的数据；
所述数据缓冲器buf用于存储预设测量周期内所述TDC芯片计算获得的多个时间差Δt；
所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期、水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值和时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt、所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期和所述水流测量次数寄存器reg2记录的测量水流次数，计算出水管累加流量，获得用水量；
所述数据缓冲器buf用来存储预设测量周期内的多个时间差Δt值，以让主控MCU在休眠状态下，所述TDC芯片独立工作时不至于数据丢失；
所述无线通信模块NB将所述主控MCU获得用水量上传至上位机服务器。
作为一种改进技术方案，
所述时间数字转换TDC模块还包括时间差门限寄存器reg3，所述时间差门限寄存器reg3存储超声波在水管中的预设飞行时间差门限上限值和下限值，
当时间差Δt值小于等于预设飞行时间差门限下限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期延长信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期延长，降低设备功耗，延长使用时间；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限下限值且小于等于预设飞行时间差门限上限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期恢复信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1恢复初始预设测量周期，确保测量精度；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限上限值时，向主控MCU发送第二中断，所述主控MCU收到第二中断后，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位。
这是因为时间差Δt值大于预设飞行时间差门限上限值时，一般是发生了异常，如水中进了杂质、汽泡或者空管，这时利用时间差Δt计算用水量会产生很大的误差。
作为另一种改进技术方案，
所述时间数字转换TDC模块还包括中断状态寄存器reg4，所述中断状态寄存器reg4用于保存TDC芯片中断的原因，存储值预设为bit0；当所述水流测量次数寄存器reg2产生中断时，所述中断状态寄存器reg4的存储值置为bit0；当时间差门限寄存器reg3产生中断时，所述中断状态寄存器reg4的存储值置为bit1，主控MCU通过读取所述中断状态寄存器reg4的存储值来判断中断的原因。如果是中断状态寄存器reg4存储值为bit0置位，是TDC测试时间到，需要所述主控MCU来读取数据缓冲器buf来计算用水流量，如果是中断状态寄存器reg4存储值为bit1置位，则是测试出现异常，需要上报异常信息或复位处理。
实施例2
一种极低功耗超声波水表工作方法，其步骤包括，
(1)一种极低功耗超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器和主控MCU，
所述超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲，包括沿水流方向前后设置的第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；
所述时间数字转换TDC模块包括TDC芯片、水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2、时间差门限寄存器reg3、中断状态寄存器reg4和数据缓冲器buf，
所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期，控制TDC芯片单位时间内检测水流的次数，预设测量周期值越大，检测的精度越高；
所述水流测量次数寄存器reg2预设TDC芯片的测量水流次数的门限值；
所述时间差门限寄存器reg3预设超声波在水管中的飞行时间差门限上限值和下限值；
极低功耗超声波水表上电后，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期、水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值和时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限上限值和下限值；
(2)所述TDC芯片在顺水流方向通过第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，大约60微秒后，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，之后在逆水流方向通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，大约60微秒后，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，最后获得逆流和顺流的时间差Δt＝t21-t12，并将时间差Δt值发送至所述数据缓冲器buf缓存；缓存的目的使TDC脱离主控MCU也能独立运行、独立存储测量结果，让主控MCU尽可能的休眠，达到降低功耗的目的；
(2.1)利用时间差门限寄存器reg3进一步减少功耗，
所述时间差门限寄存器reg3将步骤(1)配置的预设飞行时间差门限上限值和下限值与步骤(2)获得的时间差Δt值进行比较，
当水管中没有水流动或细微流动的时候，时间差Δt值小于等于预设飞行时间差门限下限值，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期延长信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期延长，这样在相同的测量次数下，主控MCU能得到更大的休眠时间，也减少TDC芯片工作次数，降低功耗；
当一旦水管中有水流动，则时间差Δt值大于预设飞行时间差门限下限值且小于等于预设飞行时间差门限上限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期恢复信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1恢复初始预设测量周期，恢复TDC芯片正常，保证测量精度，达到功耗和精度的平衡；当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限上限值时，向主控MCU发送第二中断，所述主控MCU收到第二中断后，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位；
(3)时间数字转换TDC模块根据步骤(1)配置的水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期重复步骤(2)和步骤(2.1)；
(4)所述水流测量次数寄存器reg2预设测量水流次数的门限值并记录所述TDC芯片测量水流次数，当TDC芯片测量水流次数超过预设测量水流次数的门限值时，所述水流测量次数寄存器reg2产生第一中断，向主控MCU发出提取全部测量数据信号，主控MCU提取所述数据缓冲器buf缓存的数据，以免所述数据缓冲器buf溢出，造成数据丢失；
(5)并提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内所述TDC芯片计算获得的多个时间差Δt值、所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期和所述水流测量次数寄存器reg2记录的测量水流次数，计算出水管累加流量，获得用水量。
对比例
如图2所示，传统超声波水表，包括TDC芯片、超声波换能器、主控MCU和无线通信模块NB；
其中主控MCU配置好TDC芯片以后，通过向TDC的控制寄存器写入顺流测试指令，TDC芯片会在顺流通道上通过第一换能器P1发出数个超声波脉冲，在第二换能器P2上收到这些超声波脉冲。TDC芯片记录接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，见图2和图3；
主控MCU通过和TDC芯片的通信接口读取这个顺流时的时间差t12；
同理，主控MCU通过向TDC芯片的控制寄存器写入逆流的测试指令，TDC芯片会在顺流通道上通过第二换能器P2发出数个超声波脉冲，在第一换能器P1上收到超声波脉冲，TDC芯片记录这个接收超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21；
主控MCU通过和TDC芯片的通信接口读取这个逆流时的时间差t21；
主控MCU计算用水量：
规定图3中向右顺水流方向为正向，换能器发射出的超声波与水流的流向垂直；换能器与反射片的距离为s，超声波在水中的速度为c，反射片与水平面夹角为45°，两反射片的中心距离为L，管道直径为D，水的正向流速即线速度vl为v，则由第一换能器P1发射、第二换能器P2接收的超声波数顺流时间为：
由第二换能器P2发射、第一换能器P1接收的超声波数逆流时间为：
由(1)和(2)可以求出顺逆流时间差Δt，由于超声波速度远超过水的流速，因此可以得到近似公式：
由于在水中超声波的速度远大于水流的速度，即c2>>v2。用c2代替c2-v2。
得到水流的线速度：
由水流的线速度和管道横截面积，对时间t积分，就能得到水的累计流量Q：
其中K为修正系数。
可以看到，传统超声波水表工作流程中，主控MCU需要定时给TDC芯片发送测试命令，TDC芯片执行并记录顺、逆流下的超声波飞行时间差t12和t21，计算出时间差Δt＝t21-t12。主控MCU读取数据后，分析计算累计流量Q。然后主控MCU休眠，定时唤醒后进入下一次循环。MCU全程参与整个测量过程，不停的唤醒/休眠间转换。尤其是测量周期越短，测量的精度越高，但也就更耗电。
本发明通过对超声波水表各个模块的功耗分析、实验、测试，发现TDC芯片功耗最低，能长久工作；无线远传模块虽然峰值功耗高，但每天仅仅工作一到二次，时间很短；主控MCU功耗一般，但远远大于TDC芯片。传统超声波水表的主控MCU的工作流程是：唤醒→向TDC芯片发送一次测试命令→等待测试结果→读出TDC芯片的测试结果→计算流量值并处理→进入休眠。
这样的流程，消耗了很多无用的功耗，如何降低无用功耗是本发明构思解决能耗问题的重点思路。
表1超声波水表各模块功耗
一般情况下，TDC芯片是需要一直工作，这个功耗没办法节省。无线远程模块NB受标准的要求，也没有办法进一步的节能。本发明的核心是把主控MCU的部分工作放置在时间数字转换TDC模块上，时间数字转换TDC模块依据配置，自己定时自动对水流进行检测，把检测结果放置在数据缓冲器buf，缓存的作用目的使TDC脱离主控MCU也能独立运行、独立存储测量结果，让主控MCU在TDC测量时尽可能的休眠，达到降低功耗的目的。主控MCU尽量休眠，不参与这个工作。这样TDC芯片测试一定次数(次数通过主控MCU配置)后，通过中断，通知主控MCU一次读走数据缓冲器buf的全部数据，再一次性统一计算。由于时间数字转换TDC模块的功耗远远小于主控MCU模块,且时间数字转换TDC模块95％以上的时间处于非工作状态，因此功耗更低。通过计算和实验，能节约50％以上的功耗，使整个超声波水表的使用寿命大大延长。
本发明公开了一种极低功耗超声波水表及其工作方法，极低功耗超声波水表包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器、主控MCU和无线通信模块NB。本发明，把原本运行在主控MCU上水流计量流程控制部分放置在时间数字转换TDC模块上，时间数字转换TDC模块依据主控MCU的配置，自己定时自动对水流进行检测，把检测结果放置在数据缓冲器buf。主控MCU尽量休眠，不参与这个工作，TDC芯片测试一定次数后，通过中断，主控MCU一次读走数据缓冲器buf的全部数据，再统一计算。由于时间数字转换TDC模块的功耗(工作电流小于1mA，静态电流1uA)远远小于主控MCU模块(工作电流10～20mA，静态电流3uA),且时间数字转换TDC模块95％以上的时间处于非工作状态，因此功耗更低。通过计算和实验，能节约50％以上的功耗，能提高超声波水表使用年限一倍以上。
通过以上步骤，把传统超声波水表中MCU从事的控制测量的流程转移到时间数字转换TDC模块来实现。避免了MCU的频繁休眠唤醒操作，大大节约了整个超声波水表的功耗。同时、由于测量周期的减小，测量精度也得到了提高。
同时，在没有水流的情况下，逆流和顺流的时间差Δt小于时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限，这种情况下，TDC芯片可以长时间的检测水流，无需中断告知主控MCU，使主控MCU能尽可能的休眠，从而使整个系统的功耗做到最低。
Claims (6)
1.一种极低功耗的超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器和主控MCU，
其特征在于，
所述超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲，包括沿水流方向前后设置的第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；
所述时间数字转换TDC模块包括TDC芯片、水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2和数据缓冲器buf，
所述TDC芯片用于检测水流，通过第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，之后通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，最后获得时间差Δt＝t21-t12，并将时间差Δt发送至所述数据缓冲器buf缓存；
所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期，控制TDC芯片单位时间内检测水流的次数；
所述水流测量次数寄存器reg2预设测量水流次数的门限值并记录TDC芯片测量水流次数，当TDC芯片测量水流次数超过预设测量水流次数的门限值时，所述水流测量次数寄存器reg2产生第一中断，向主控MCU发出提取全部测量数据信号，触发主控MCU提取所述数据缓冲器buf缓存的数据；
所述数据缓冲器buf用于存储预设测量周期内所述TDC芯片计算获得的多个时间差Δt；
所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期、水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值和时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt、所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期和所述水流测量次数寄存器reg2记录的测量水流次数，计算出水管累加流量，获得用水量。
2.如权利要求1所述极低功耗的超声波水表，其特征在于，所述时间数字转换TDC模块还包括时间差门限寄存器reg3，所述时间差门限寄存器reg3存储超声波在水管中的预设飞行时间差门限上限值和下限值，
当时间差Δt值小于等于预设飞行时间差门限下限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期延长信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期延长；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限下限值且小于等于预设飞行时间差门限上限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期恢复信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1恢复初始预设测量周期；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限上限值时，向主控MCU发送第二中断，所述主控MCU收到第二中断后，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；
若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位。
3.如权利要求2所述极低功耗的超声波水表，其特征在于，所述时间数字转换TDC模块还包括中断状态寄存器reg4，所述中断状态寄存器reg4用于保存TDC芯片中断的原因，存储值预设为bit0；当所述水流测量次数寄存器reg2产生中断时，所述中断状态寄存器reg4的存储值置为bit0；当时间差门限寄存器reg3产生中断时，所述中断状态寄存器reg4的存储值置为bit1；
主控MCU通过读取所述中断状态寄存器reg4的存储值来判断中断的原因，若中断状态寄存器reg4存储值为bit0置位，表示TDC测试时间到，所述主控MCU读取数据缓冲器buf来计算用水流量；
若中断状态寄存器reg4存储值为bit1置位，表示测试出现异常，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，
若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限上限值时，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；
若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；
若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位。
4.如权利要求1所述极低功耗的超声波水表，其特征在于，还有无线通信模块NB，所述无线通信模块NB将所述主控MCU获得用水量上传至上位机服务器。
5.如权利要求1-4任一权利要求所述极低功耗超声波水表工作方法，其步骤包括，
(1)一种极低功耗超声波水表，包括时间数字转换TDC模块、超声波换能器和主控MCU，
所述超声波换能器接收和/或发送超声波脉冲，包括沿水流方向前后设置的第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2；
所述时间数字转换TDC模块包括TDC芯片、水流测试周期寄存器reg1、水流测量次数寄存器reg2和数据缓冲器buf，
所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期和水流测量次数寄存器reg2的预设测量水流次数的门限值；
(2)所述TDC芯片通过第一超声波换能器P1发出超声波脉冲，在第二超声波换能器P2上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t12，之后通过第二超声波换能器P2发出超声波脉冲，在第一超声波换能器P1上接收超声波脉冲，并计算接收到超声波时刻和发送超声波时刻的时间差t21，最后获得时间差Δt＝t21-t12，并将时间差Δt发送至所述数据缓冲器buf缓存；
(3)所述时间数字转换TDC模块根据步骤(1)配置的水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期重复步骤(2)；
(4)所述水流测量次数寄存器reg2预设测量水流次数的门限值并记录所述TDC芯片测量水流次数，当TDC芯片测量水流次数超过预设测量水流次数的门限值时，所述水流测量次数寄存器reg2产生中断，向主控MCU发出提取全部测量数据信号，触发MCU提取所述数据缓冲器buf缓存的数据；
(5)所述主控MCU提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内所述TDC芯片计算获得的多个时间差Δt、所述水流测试周期寄存器reg1预设测量周期和所述水流测量次数寄存器reg2记录的测量水流次数，计算出水管累加流量，获得用水量。
6.如权利要求5所述极低功耗超声波水表工作方法，其特征在于，还包括时间差门限寄存器reg3，在步骤(1)中，主控MCU配置时间差门限寄存器reg3的预设飞行时间差门限上限值和下限值；
在步骤(2)后，还包括步骤(2.1)，所述时间差门限寄存器reg3将步骤(1)配置的预设飞行时间差门限上限值和下限值与步骤(2)获得的时间差Δt值进行比较，
当时间差Δt值小于等于预设飞行时间差门限下限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期延长信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1的预设测量周期延长；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限下限值且小于等于预设飞行时间差门限上限值时，所述时间差门限寄存器reg3向主控MCU发送测量周期恢复信号，所述主控MCU配置水流测试周期寄存器reg1恢复初始预设测量周期；
当时间差Δt值大于预设飞行时间差门限上限值时，产生第二中断，主控MCU收到第二中断后，提取所述数据缓冲器buf中存储的预设测量周期内的多个时间差Δt，若某一时间差Δt大于预设飞行时间差门限，则判断该时间差Δt为异常数据，将该异常数据用上一个时刻获得的时间差Δt代替进行数据修正，并记录修正次数；若修正次数大于20，主控MCU向远程服务平台发出告警并闪灯；
若连续30分钟内的时间差Δt恢复到小于等于预设飞行时间差门限上限值时，则修正次数清零并取消告警；
若连续超过30分钟的时间差Δt数据仍大于预设飞行时间差门限上限值时，则系统断电重启复位；
步骤(3)重复步骤(2)和步骤(2.1)。
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| CN113588022A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-02 | 山东力创科技股份有限公司 | 一种户用三表低功耗超声波计量芯片及低功耗控制方法 |
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