[導(dǎo)讀] 針對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的方案。通過(guò)將數(shù)據(jù)系統(tǒng)與Internet相連，達(dá)到對(duì)寧夏水資源信息化管理的目的，并提出一種采用時(shí)差法測(cè)量原理、基于GPRS的超聲波明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案，給出了流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)和具體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。
我國(guó)屬于水資源短缺國(guó)家，而在地處西北地區(qū)的寧夏回族自治區(qū)，該問(wèn)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(gè)重要的前提就是要對(duì)寧夏的水資源有一個(gè)系統(tǒng)的信息化管理.實(shí)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(zhǎng)期以來(lái)，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(guó)計(jì)民生的防洪抗旱、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水土保持等重要領(lǐng)域還沒(méi)有形成全區(qū)范圍的應(yīng)用系統(tǒng)。
GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GeneralPACketRadioService）的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)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(xiàng)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(kù)的建設(shè)和管理以及Internet等一系列較先進(jìn)的實(shí)用技術(shù).本文研究的重點(diǎn)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(jì)的設(shè)計(jì)方案。
1 時(shí)間鎖定環(huán)路（TLL）的結(jié)構(gòu)
本課題研究的超聲波流量計(jì)是采用時(shí)差法測(cè)量原理[1]而設(shè)計(jì)的，其核心思想是時(shí)間鎖定環(huán)路（TLL）的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
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由圖1所示，在TLL環(huán)路中設(shè)立一個(gè)鎖相環(huán)（PLL），一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間檢測(cè)，通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)切換順流和逆流方向。圖1中START80KHZ、START1和START2均為測(cè)量啟動(dòng)控制信號(hào)；SIN為接收到的頻率信號(hào)。當(dāng)切換到順流方向時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)鎖相環(huán)輸出頻率進(jìn)行N分頻，分頻后的第1個(gè)脈沖用來(lái)產(chǎn)生順流方向的發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)，觸發(fā)發(fā)射電路工作產(chǎn)生超聲脈沖串。第2個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)延時(shí)τd后送往計(jì)數(shù)器，聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間是t1+τ，經(jīng)過(guò)延時(shí)回路的時(shí)間信號(hào)為N/F1+τd。其中：F1為VCO的振蕩頻率，Hz；τd為延遲時(shí)間，s.如果τd=τ，被檢測(cè)時(shí)間差是N/F1-t1，將時(shí)間差信號(hào)送入積分器將之轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，用此電壓信號(hào)來(lái)控制VCO，可以調(diào)節(jié)VCO的振蕩頻率，直至檢測(cè)到時(shí)間差信號(hào)為0，即N/F1-t1=0，這樣可以得到順流時(shí)的振蕩頻率F1。同理可得，逆流時(shí)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(shí)，下式成立：
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即
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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：
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則：
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隨著不斷地切換轉(zhuǎn)換開(kāi)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(jì)算，就可以得到與流速υ成正比的差頻信號(hào)ΔF。由于整個(gè)系統(tǒng)工作處于閉環(huán)狀態(tài)，因此系統(tǒng)的響應(yīng)快，實(shí)時(shí)性好，精度高。
2 超聲波明渠流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)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(shí)連接外圍的電源管理、鍵盤(pán)、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(dòng)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(gè)模塊的功能與設(shè)計(jì)方案。
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圖2 超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
2.1 用CPLD和鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)時(shí)間鎖定環(huán)路功能
如前所述，該設(shè)計(jì)的核心思想是時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了順流和逆流的切換控制功能；第3是完成了時(shí)間測(cè)量功能，即接收時(shí)間計(jì)數(shù)功能；第4是實(shí)現(xiàn)了頻率測(cè)量功能。為實(shí)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(gè)，等效宏單元192個(gè)，最大用戶(hù)IO為80個(gè)，管腳間延時(shí)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(mǎn)足該設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(chǔ)器，同時(shí)外接容量為32kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)加強(qiáng)的8051內(nèi)核、一個(gè)智能USB串行接口引擎（SIE）、一個(gè)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(chǔ)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(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼，并執(zhí)行錯(cuò)誤更正、位填充以及其他一些USB需要的信號(hào)級(jí)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(guò)D＋和D－兩管腳與USB總線相連。
EZ－USB單片機(jī)具有一種獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即可以通過(guò)下載固件和重枚舉的方式動(dòng)態(tài)的改變?cè)O(shè)備特性[4]。該特性使得開(kāi)發(fā)者在PC機(jī)設(shè)計(jì)或修改好固件后，直接下載到EZ－USB，無(wú)需編程器，并且可以允許無(wú)限的升級(jí)和配置，從而非常簡(jiǎn)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(jì)的主控制器，滿(mǎn)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(shí)，采用USB接口使得流量計(jì)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(jì)
2.3.1 超聲波發(fā)射換能器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)對(duì)CPLD輸出的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行功率放大，并用放大后的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)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(hào)重新轉(zhuǎn)化成微弱的電信號(hào)，接收電路負(fù)責(zé)對(duì)這個(gè)信號(hào)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(hào)輸入CPLD進(jìn)行后續(xù)處理。在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，首先將CPLD輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提升至15V左右，然后，采用推挽方式驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET開(kāi)關(guān)管IRF540N以超聲波的頻率進(jìn)行高速開(kāi)閉，控制升壓變壓器，使24V的輸入電壓升至200～400V，從而驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)射出超聲波。
2.3.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
在接收電路的設(shè)計(jì)上，首先對(duì)回波信號(hào)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(jí)放大，將10～50mV的微弱信號(hào)放大至5V，得到需要的輸出?；夭ㄐ盘?hào)被放大之后，仍然是一個(gè)模擬的信號(hào)，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(hào)處理。將其輸入電壓比較器和預(yù)定的門(mén)檻電壓進(jìn)行比較，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，才能將這個(gè)信號(hào)輸入CPLD進(jìn)行處理。
2.4 外圍接口電路和電源設(shè)計(jì)
該流量計(jì)的外圍設(shè)備主要是一塊LCD顯示屏和一個(gè)4×4的小鍵盤(pán)。LCD選擇16字符×2行的字符型液晶顯示模塊，用來(lái)顯示流量計(jì)的工作狀態(tài)和信息。4×4鍵盤(pán)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(shí)現(xiàn)了流量計(jì)的人機(jī)交互功能。
整個(gè)流量計(jì)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?。?V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(dú)立工作時(shí)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(yáng)能電池作為后備電源。
3 超聲波明渠流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括3方面的內(nèi)容：EZ－USB單片機(jī)的固件（firmware）設(shè)計(jì)[4]、PC機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[4-5]及CPLD的軟件設(shè)計(jì)。前2方面的設(shè)計(jì)可參考相關(guān)文獻(xiàn)，CPLD的軟件劃分為傳感器信號(hào)切換和N分頻電路模塊、時(shí)間測(cè)量電路模塊、頻率測(cè)量電路模塊等3個(gè)模塊。采用ALTERA公司推出的第3代PLD開(kāi)發(fā)系統(tǒng)MAX+PLUSII軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用硬件描述語(yǔ)言VHDL實(shí)現(xiàn)，本文不作贅述。
4 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計(jì)方案
GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無(wú)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(huà)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(kāi)始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶(hù)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(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
該設(shè)計(jì)中GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端（簡(jiǎn)稱(chēng)DTU）設(shè)計(jì)的原理框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)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(jí)GPRS模塊MC39I，256kBSram&512kBFlash.RS232/485/TTL收發(fā)器模塊用來(lái)連接流量計(jì)主機(jī)，對(duì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，從而為用戶(hù)提供高速可靠的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，能夠支持語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時(shí)自動(dòng)斷線的功能，同時(shí)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(yǔ)
超聲波明渠流量計(jì)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(jì)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(jì)的設(shè)計(jì)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(shí)利用GPRS技術(shù)實(shí)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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