作者：张文
现在生活中使用的水量计量90%以上为机械式水表。随着中国城市供水公司体制改革的不断深入，国家对全面实行城镇居民阶梯水价制度作了部署，目前已有约30%的设市城市建立了阶梯水价制度，大部分实行阶梯水价的城市实践表明，推行居民用水阶梯价格对促进节约用水的效果明显。各供水企业逐渐认识到流量水表精确计量、智能化管理的重要性，因此水表本身的微小流量计量能力和精度以及在表计内部实现阶梯水价的功能，成为了急需解决的问题。本文主要研究了基于隧道磁电阻传感器计量方式，可以很好地解决以上问题。
1设计思想
TMR为隧道磁电阻传感器的简称，它利用了电子的自旋特性，通过量子遂穿效应穿过氧化镁绝缘层，然后有选择的穿过磁性层；常温条件下，TMR的最大电阻变化率可达到500%以上。TMR传感器的优势为功耗低、灵敏度高、工作范围宽、工作温度范围大、响应频率高，可达GHz。
流量控制器设计主要目的是为取代原有干式水表上方的机械齿轮计度器，提高计量准确度、丰富计量信息和监控功能。机械齿轮计度器采用固定的传动比，水量机芯叶轮每旋转一圈所累计的水体积在整个流量区间范围内都是固定的。相比机械计度器，流量控制器可将整个流量区间范围划分成若干个小区间，每个小区间对应一个特定的单圈水体积，控制器根据叶轮当前转速查表得到单圈水体积，计量更精准。另外流量控制较传统的机械计度器，其计量内容更丰富，可计量正向累计流量、记录反向累计流量、瞬时流量、累计流量冻结数据等。
2硬件设计方案
流量控制器采用模块化设计，整个系统由多个单元组成，分别是MCU主控单元、计量单元、M_bus通信单元等。
2.1 MCU主控单元
MCU主控单元采用TI半导体公司（德州仪器）的16位430系列单片机，具有极低的电源功耗，140 uA/MHz，3.0 V，活动模式；它内部资源丰富，带有128 KB的FLASH存储器，16位的定时器，内部带有液晶驱动器，并最多可以外接300段以上的液晶显示；带有3路硬串口，2路SPI接口，带有标准的JTAG升级接口和两线制的简化接口；宽电压工作范围：1.8~3.6 V；温度范围：-40℃~85℃。控制器内部组成框图如图1所示。
2.2水量计量单元及原理
采用隧道磁电阻传感器的方式，推挽式双极锁存输出，从而消除了输出的抖动。超低功耗，在连续工作时，功耗小于3 uA;高频率响应可达1 kHz；器件在1.5—5.5 V之间均可工作。
将TMR传感器安装于位于水表机芯叶轮顶部的中心位置，水流带动该磁环旋转。磁电阻传感器TMR1、TMR2位于磁环上方，彼此成45。角。当磁环旋转时，TMR1、TMR2输出信号如图2和图3所示。
正转旋转的状态变化为：01、11、10、00、01、1 1、10、00
反转旋转的状态变化为：10、11、01、00、10、11、01、00
具体的工作过程为：基表中环形磁铁的N极靠近磁敏传感器时，磁敏传感器输出低电平；当环形磁铁的S极靠近磁敏传感器时，磁敏传感器输出高电平。两个磁敏传感器将采样到水量信息以方波信号的形式传输到CPU主控单元，微处理器通过接收来自两个磁敏传感器传来的高低不同的电平信号，判断磁铁的旋转方向，进而判断水表的水流方向。同时，CPU主控单元通过计量磁敏传感器输出的脉冲数，换算成水表相应的转动圈数，由此获得水表相应的流量信息。
由于两个磁敏传感器相差一定的角度，使得在双磁极环形磁铁旋转一周时，可以获得8个磁场状态量。当水表的叶轮旋转方向为正转时，水表机芯每旋转一周，两个磁敏传感器共输出一组8个状态数据，即01、11、10、00、01、11、10、00；CPU主控单元将正转的用量信息数据传输至数据存储设备的正转存储区进行累加，水表反转的用量信息数值不变；当水表的叶轮旋转方向为反转时，机芯每旋转一周，两个磁敏传感器共输出对应的另一组8个状态数据，即10、11、01、00、10、1 1、01、00；CPU主控单元将反转的用量信息数据传输至数据存储设备的反转存储区进行累加；通过正转用量信息数据减去反转的用量信息数据，得到实际用水量的信息数值。反之，当水表安装成反方向时，可以通过磁敏传感器将反转用量信息数据减去正转的用量信息数据，得到实际用水量的信息数值。由此实现了正向数据的计量，也实现了反向数据的检测。
2.3通信控制单元
本设计采用国际上水汽热趋于通用的通信方式，即M_bus通信方式，M_bus是一种低成本的一点对多点的总线通信系统，具有通信设备容量大（500点）、通信速率高(9 600 bit/s)、成本低、设计简单、布线简便（无极性可任意分支，普通双绞线）、抗干扰能力强，并且总线可提供高达500 mA电源的特点。系统具有自动登录功能，此功能可完成设备的自动登录、结点中断报警等双向可中断的先进通信功能。通过通信回路，主站相关人员可以实时查询到用户的流量信息记录，并进行综合判断，最后决定是否开关阀动作。
M_bus通信电路如图4所示。图中的Fl、V7、V8在电路中主要起保护作用，通过调节R30的阻值，来决定M_bus电路在总线回路中所消耗的静态功耗。
3软件设计方案
软件设计采用模块化程序设计方案，将各个模块的功能单独封装，以方便调试和检查。主要包括计量模块、通信模块、液晶显示模块、数据存储模块、电池监测单元、lC卡读写模块等，各模块的独立设计保证了软件良好的稳定性和可移植性，采用C语言在IAR forMSP430集成环境中编辑、编译连接、调试后，直接通过JTAG接口将程序下载到16位单片机中。软件整体框图如图5所示。
3.1 计量模块参数定义及处理流程
根据水量计量原理和方法，流量设计时，内部参数定义相应的数组如下：
1)deasil[2][8] = {{0,1}, {1,1}, {1,0},10，0}，{0，l}，{1，1}，{1，0}，{0，0}}正转旋转状态序列
2) anticlock[2][8]={{1,0},{1,1},{0,1},{0，0}，{1，0}，{1，1}，{0，l}，{O，0}}反转旋转状态序列
3) queue[8]:记录叶轮旋转一圈过程中TMR输出状态的变化轨迹
4) queue_deasil[ 10]：记录每次正转旋转一圈所花费的时间
5) queue_anticlock [10]：记录每次反转旋转一圈所花费的时间
6) Ncircle+：某次走水叶轮正转旋转的实际圈数
7) Ncircle -：某次走水叶轮反转旋转的实际圈数
8) Qn:某次校表所选的流量点
9) Tone_circle:在某一流量点下叶轮旋转一圈所用的时间
10) Vone_circle:在某一流量点下叶轮旋转一圈流经水表水量的体积
11) Va:某次校表流经水表水量的实际真实体积，台体量筒读数
12) Ta:某次校表从开始走水到结束走水所经历的实际时间对应的流程图如图6所示。
3.2通信模块的处理
M_bus通信采用2 400波特率（1起始位、8数据位、1偶校验、1停止位），总线供电的方式，相关的初始化定义如下：
#include”app_mbus.h”
#include”msp430f6736.h”
#include”app_data_process.h”
#include”app_task.h”
#include”app_valve.“”
#define BUFFER_SIZE 140 //buffer缓冲区的大小
#define WATERMETER_TYPE Oxl0 ／／表类型：冷水表
#define SECCOEF( 36*32768) //188协议定义
#define Frame188_Header_L II
#define Frame188_TaiI_L 2 ／／定义并初始化buffr缓冲区
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}； ／／接收帧结构
sframe_struct_188 rx_data; ／／发送帧结构
sframe_struct_188 tx_data;
uint8_t clear_flg=0；
void Disable_lnfrPwm( void);
uint16_t Get188Status();
4结束语
在整个流量控制器装置的设计开发过程中，目前经历了设计、样机开发、样机验证等阶段，各项功能指标达到了设计要求，计量精度达到0. 01 L。本文对计量方案进行了创新，采用非接触的磁场检测技术，精确地计量水流的正转和反转水量信息，即使表计反装的情况下，也可以正确地读取到用户的用水信息；工作人员可以了解到用户的真实用水情况，根据对水量数据的分析，了解用户的使用情况。当计量结果在一般非用水时间（例如午夜）连续几天均出现持续微变的数值，则可判定该用户的水表存在漏水故障；当计量结果是持续大流量值时，则可判定该水表所在位置存在爆管故障。基于MSP430单片机技术的水量计量装置功能完备、操作方便、性能可靠。可以预见，这种计量技术在流量计量领域具有很好的应用前景，而且具有开发周期短的特点，成为未来发展的一大趋势。
5摘要：
为了减少水资源浪费，针对机械式流量计量中的计量精度不高、抄收和管理手段落后的问题，设计了一种以TMR（隧道磁电阻传感器）为核心的计量方式，可以精确计量到1/8圈的用水量（即12 mL左右的的水量），并通过M_bus有线通信方式，将计量的数据实时传送到主站系统；相关工作人员通过查看抄读回的用户使用数据信息，对用户的使用情况进行检测和控制。实验表明，此控制器装置可以达到精确计量的目的，为后续的漏损分析提供了重要的依据。
