摘 要：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).
關(guān)鍵詞：GPRS;時(shí)差法;超聲波;流量計(jì)
中圖分類號(hào)：TH814文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
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(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(jì)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) (General PACketRadio Service)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(shí)時(shí)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(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.
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，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(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)過延時(shí) τ d后送往計(jì)數(shù)器，聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間是 t 1+τ，經(jīng)過延時(shí)回路的時(shí)間信號(hào)為 N/F 1+τ d. 其中：F 1為 VCO 的振蕩頻率，Hz;τd為延遲時(shí)間，s. 如果 τ d=τ，被檢測時(shí)間是 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)來控制 VCO，可以調(diào)節(jié) VCO的振蕩頻率，直至檢測到時(shí)間差信號(hào)為 0，即 N/F 1-t 1=0，這樣可以得到順流時(shí)的振蕩頻率 F 1. 同理可得，逆流時(shí)振蕩頻率 F 2.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：
其中：c 為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為 m/s;v 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：
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(jì)算，就可以得到與流速 v 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、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.
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，0.18 μm falsh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 IO 為 80 個(gè)，管腳間延時(shí) 3.6～4.5 ns，內(nèi)部集成一片 8 kB 串行 EEPROM. 因此，該芯片完全可以滿足該設(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 1 MHz. 電源電壓范圍寬(為3～18 V)，輸入阻抗高(約 100 MΩ)，動(dòng)態(tài)功耗極低，在中心頻率 f0=10 kHz 下，功耗僅為 600 μW，屬微功耗器件. 由于該設(shè)計(jì)中采用的超聲波頻率為 80 kHz，所以鎖相環(huán)的中心頻率設(shè)置在 80 kHz 左右.
2.2 EZ-USB AN2131QC
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 8 kB的I2C 串行 EEPROM 24C64 作為 Boot 存儲(chǔ)器，同時(shí)外接容量為 32 kB 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 8 kB 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)，即可以通過下載固件和重枚舉的方式動(dòng)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(jì)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(jí)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(jì)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(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 15 V 左右，然后，采用推挽方式驅(qū)動(dòng)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 24 V 的輸入電壓升至 200～400 V，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10～50 mV 的微弱信號(hào)放大至 5 V，得到需要的輸出.回波信號(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. 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(jì)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(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 接口獲取+5 V 電源，其電流最大可達(dá) 500 mA，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+5 V 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)間測量電路模塊、頻率測量電路模塊等 3 個(gè)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(shí)現(xiàn)，本文不作贅述.
4 GPRS 無線數(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).
在該設(shè)計(jì)中 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸終端 (簡稱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 RDC R1122 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，256 kB Sram & 512 kB Flash. RS232/485/TTL 收發(fā)器模塊用來連接流量計(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(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.
5 結(jié) 語
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、防抗旱等一系列水利措施提供科學(xué)依據(jù).