[導(dǎo)讀] 針對寧夏回族自治區(qū)水利信息化建設(shè)的需求，提出利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)建立水利數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)的方案。通過將數(shù)據(jù)系統(tǒng)與Internet相連，達(dá)到對寧夏水資源信息化管理的目的，并提出一種采用時差法測量原理、基于GPRS的超聲波明渠流量計的設(shè)計方案，給出了流量計的硬件結(jié)構(gòu)和具體設(shè)計方案，并對GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行了研究和設(shè)計。
我國屬于水資源短缺國家，而在地處西北地區(qū)的寧夏回族自治區(qū)，該問題尤為突出。這就迫切需要更加合理的利用水資源，而合理利用水資源的一個重要的前提就是要對寧夏的水資源有一個系統(tǒng)的信息化管理.實現(xiàn)寧夏水利信息化，其關(guān)鍵技術(shù)在于水利信息的準(zhǔn)確采集和信息的有效傳輸。長期以來，我區(qū)水利信息化建設(shè)投入不足，水利信息基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，水利信息采集和傳輸手段較為落后，至今尚未建成覆蓋全區(qū)水利系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)，在涉及國計民生的防洪抗旱、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測、水土保持等重要領(lǐng)域還沒有形成全區(qū)范圍的應(yīng)用系統(tǒng)。
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（GeneralPACketRadioService）的英文簡稱，本課題組提出利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)建立水利數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)，通過將數(shù)據(jù)系統(tǒng)與Internet相連，達(dá)到我區(qū)水資源信息化管理的目的.研究項目涉及數(shù)據(jù)采集及其傳輸?shù)睦碚?、傳感器和通信領(lǐng)域GPRS的技術(shù)、數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和管理以及Internet等一系列較先進(jìn)的實用技術(shù).本文研究的重點在于前端的數(shù)據(jù)采集和信息傳輸，并提出了一種基于GPRS的超聲波明渠流量計的設(shè)計方案。
1 時間鎖定環(huán)路（TLL）的結(jié)構(gòu)
本課題研究的超聲波流量計是采用時差法測量原理[1]而設(shè)計的，其核心思想是時間鎖定環(huán)路（TLL）的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
由圖1所示，在TLL環(huán)路中設(shè)立一個鎖相環(huán)（PLL），一個計數(shù)器進(jìn)行時間檢測，通過開關(guān)來切換順流和逆流方向。圖1中START80KHZ、START1和START2均為測量啟動控制信號；SIN為接收到的頻率信號。當(dāng)切換到順流方向時，系統(tǒng)開始對鎖相環(huán)輸出頻率進(jìn)行N分頻，分頻后的第1個脈沖用來產(chǎn)生順流方向的發(fā)射啟動信號，觸發(fā)發(fā)射電路工作產(chǎn)生超聲脈沖串。第2個脈沖經(jīng)過延時τd后送往計數(shù)器，聲波從發(fā)射到接收的時間是t1+τ，經(jīng)過延時回路的時間信號為N/F1+τd。其中：F1為VCO的振蕩頻率，Hz；τd為延遲時間，s.如果τd=τ，被檢測時間差是N/F1-t1，將時間差信號送入積分器將之轉(zhuǎn)換為電壓信號，用此電壓信號來控制VCO，可以調(diào)節(jié)VCO的振蕩頻率，直至檢測到時間差信號為0，即N/F1-t1=0，這樣可以得到順流時的振蕩頻率F1。同理可得，逆流時振蕩頻率F2。當(dāng)順流方向和逆流方向都處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，下式成立：
即
其中：c為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s；υ為水的流速，單位為m/s；D為明渠的寬度；θ為超聲波傳播方向與水流方向的夾角。由此可得：
則：
隨著不斷地切換轉(zhuǎn)換開關(guān)，順流方向和逆流方向交替地進(jìn)行采樣，不斷地校準(zhǔn)壓控振蕩器的頻率，將其進(jìn)行差頻計算，就可以得到與流速υ成正比的差頻信號ΔF。由于整個系統(tǒng)工作處于閉環(huán)狀態(tài)，因此系統(tǒng)的響應(yīng)快，實時性好，精度高。
整個系統(tǒng)由主板部分和探頭部分組成。在主板中，系統(tǒng)的核心部分由EZ-USB單片機(jī)芯片和CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）芯片EMP240加鎖相環(huán)電路構(gòu)成，同時連接外圍的電源管理、鍵盤、LCD、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端等模塊.在探頭部分，主要由探頭發(fā)射驅(qū)動電路、超聲波接收電路（它們共同構(gòu)成超聲波換能器電路）和超聲波傳感器（壓電陶瓷）等構(gòu)成。該系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，下面分別介紹各個模塊的功能與設(shè)計方案。
圖2 超聲波流量計結(jié)構(gòu)框圖
2.1 用CPLD和鎖相環(huán)實現(xiàn)時間鎖定環(huán)路功能
如前所述，該設(shè)計的核心思想是時間鎖定環(huán)路（TLL）的結(jié)構(gòu)，它由一片CPLD芯片EMP240和鎖相環(huán)芯片CD4046共同構(gòu)成。
在該設(shè)計中，CPLD芯片完成了以下功能：首先是T/R控制功能，包括T/R的方向控制和脈沖串的發(fā)射控制；其次是實現(xiàn)了順流和逆流的切換控制功能；第3是完成了時間測量功能，即接收時間計數(shù)功能；第4是實現(xiàn)了頻率測量功能。為實現(xiàn)以上功能，選擇ALTERA公司的CPLD芯片EMP240。該芯片屬于MAXII系列新一代CPLD器件，0.18μmfalsh工藝，采用FPGA結(jié)構(gòu)，配置芯片集成在內(nèi)部，和普通CPLD一樣上電即可工作.容量比上一代大大增加，邏輯單元（LE）為240個，等效宏單元192個，最大用戶IO為80個，管腳間延時3.6～4.5ns，內(nèi)部集成一片8kB串行EEPROM。因此，該芯片完全可以滿足該設(shè)計的需求。
鎖相環(huán)CD4046[2]是一種通用的CMOS數(shù)字鎖相環(huán)，最高工作頻率約1MHz。電源電壓范圍寬（為3～18V），輸入阻抗高（約100MΩ），動態(tài)功耗極低，在中心頻率f0=10kHz下，功耗僅為600μW，屬微功耗器件。由于該設(shè)計中采用的超聲波頻率為80kHz，所以鎖相環(huán)的中心頻率設(shè)置在80kHz左右。
2.2 EZ-USBAN2131QC單片機(jī)及其相關(guān)電路
該系統(tǒng)的微處理器采用CYPRESS公司的EZ-USB單片機(jī)芯片AN2131QC[3]，以配備容量為8kB的I2C串行EEPROM24C64作為Boot存儲器，同時外接容量為32kB的數(shù)據(jù)存儲器SRAM62256，緩存采集到流量數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。
AN2131QC芯片包括一個加強(qiáng)的8051內(nèi)核、一個智能USB串行接口引擎（SIE）、一個USB收發(fā)器以及容量為8kB的存放程序和數(shù)據(jù)的RAM存儲器。USB串行接口引擎和USB收發(fā)器共同構(gòu)成USB內(nèi)核。其中，SIE對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼，并執(zhí)行錯誤更正、位填充以及其他一些USB需要的信號級操作，最后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)到USB端口或從USB端口接收數(shù)據(jù)字節(jié)；集成的USB收發(fā)器通過D＋和D－兩管腳與USB總線相連。
EZ－USB單片機(jī)具有一種獨特的優(yōu)點，即可以通過下載固件和重枚舉的方式動態(tài)的改變設(shè)備特性[4]。該特性使得開發(fā)者在PC機(jī)設(shè)計或修改好固件后，直接下載到EZ－USB，無需編程器，并且可以允許無限的升級和配置，從而非常簡單地改變USB設(shè)備的功能。這使得EZ－USB單片機(jī)非常適合作為該超聲波流量計的主控制器，滿足了系統(tǒng)中比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸和處理要求，連接豐富的外圍設(shè)備。同時，采用USB接口使得流量計可以很方便地與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，便于今后更多功能的擴(kuò)展，如文件傳輸功能的擴(kuò)展。
2.3 超聲波換能器電路設(shè)計
2.3.1 超聲波發(fā)射換能器驅(qū)動電路設(shè)計
驅(qū)動部分負(fù)責(zé)對CPLD輸出的觸發(fā)信號進(jìn)行功率放大，并用放大后的信號去驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)出超聲波。超聲波傳感器的振子將接收到的聲信號重新轉(zhuǎn)化成微弱的電信號，接收電路負(fù)責(zé)對這個信號進(jìn)行限幅、放大，并用電壓比較器進(jìn)行比較，將處理后輸出的信號輸入CPLD進(jìn)行后續(xù)處理。在驅(qū)動電路的設(shè)計上，首先將CPLD輸出的驅(qū)動信號提升至15V左右，然后，采用推挽方式驅(qū)動大功率MOSFET開關(guān)管IRF540N以超聲波的頻率進(jìn)行高速開閉，控制升壓變壓器，使24V的輸入電壓升至200～400V，從而驅(qū)動傳感器發(fā)射出超聲波。
2.3.2 超聲波接收電路設(shè)計
在接收電路的設(shè)計上，首先對回波信號進(jìn)行濾波和限幅，然后使用一片優(yōu)質(zhì)的音頻放大器芯片NE5532進(jìn)行2級放大，將10～50mV的微弱信號放大至5V，得到需要的輸出?；夭ㄐ盘柋环糯笾?，仍然是一個模擬的信號，不能直接輸入CPLD進(jìn)行處理，為此還必須進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。將其輸入電壓比較器和預(yù)定的門檻電壓進(jìn)行比較，得到對應(yīng)的數(shù)字信號，才能將這個信號輸入CPLD進(jìn)行處理。
2.4 外圍接口電路和電源設(shè)計
該流量計的外圍設(shè)備主要是一塊LCD顯示屏和一個4×4的小鍵盤。LCD選擇16字符×2行的字符型液晶顯示模塊，用來顯示流量計的工作狀態(tài)和信息。4×4鍵盤主要完成系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、功能控制以及狀態(tài)切換等任務(wù)。它與顯示單元聯(lián)系在一起，共同實現(xiàn)了流量計的人機(jī)交互功能。
整個流量計的供電電源采取2種方式產(chǎn)生：一是直接從PC機(jī)的USB接口獲取＋5V電源，其電流最大可達(dá)500mA，該方式主要用于系統(tǒng)的調(diào)試階段；二是外接直流電源至電路板，經(jīng)三端穩(wěn)壓器7805后產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V電源，該方式可用于系統(tǒng)獨立工作時的電源。為了保證系統(tǒng)在野外環(huán)境下正常穩(wěn)定工作，采用太陽能電池作為后備電源。
3 超聲波明渠流量計的軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件設(shè)計包括3方面的內(nèi)容：EZ－USB單片機(jī)的固件（firmware）設(shè)計[4]、PC機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計[4-5]及CPLD的軟件設(shè)計。前2方面的設(shè)計可參考相關(guān)文獻(xiàn)，CPLD的軟件劃分為傳感器信號切換和N分頻電路模塊、時間測量電路模塊、頻率測量電路模塊等3個模塊。采用ALTERA公司推出的第3代PLD開發(fā)系統(tǒng)MAX+PLUSII軟件進(jìn)行開發(fā)，用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)，本文不作贅述。
4 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計方案
GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)。這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（BSS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
該設(shè)計中GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端（簡稱DTU）設(shè)計的原理框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：16位RDCR1122低功耗嵌入式微處理器，Siemens公司高性能工業(yè)級GPRS模塊MC39I，256kBSram&512kBFlash.RS232/485/TTL收發(fā)器模塊用來連接流量計主機(jī)，對采集到的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理.該DTU采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，從而為用戶提供高速可靠的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，能夠支持語音、短信、數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時自動斷線的功能，同時也支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能。
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圖3 GPRS DTU原理框圖
5 結(jié)語
超聲波明渠流量計以其獨特的優(yōu)點在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。本文在深入研究超聲波明渠流量計工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種基于GPRS的超聲波明渠流量計的設(shè)計方案。其中，可編程器件的使用使得該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功耗降低，提高了可靠性，同時利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，為我區(qū)水資源的合理利用、防洪抗旱等一系列水利措施提供科學(xué)依據(jù)。
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