基于藍牙低功耗技術(shù)的無線超聲流量計設(shè)計

惠延波 李永超 王 莉 牛群峰

(河南工業(yè)大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

基于藍牙低功耗技術(shù)的無線超聲流量計設(shè)計

惠延波 李永超 王 莉 牛群峰

(河南工業(yè)大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

針對復雜工礦環(huán)境和高度自動化生產(chǎn)環(huán)境對無線流量計的需求，對超聲波測流量的原理及實現(xiàn)方法和藍牙低功耗技術(shù)進行了研究，設(shè)計了一種高精度的無線超聲流量計。系統(tǒng)以TI的DSP芯片TSM320F28027為核心，采用高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22測量超聲波傳播的時差，采用TI的CC2540作為藍牙通信芯片。針對流量測量過程會出現(xiàn)錯誤的時差數(shù)據(jù)，提出了一種基于拉依達準則的數(shù)據(jù)處理算法。實驗結(jié)果表明該流量計具有高精度流量計量，遠距離、低功耗無線傳輸及無線組網(wǎng)等功能。

超聲流量計 時差法 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換 藍牙 低功耗 DSP

0 引言

流量計量在工業(yè)生產(chǎn)、石油輸送、城市供水等領(lǐng)域有著重要作用，流量計量的精度對生產(chǎn)效率的提高以及節(jié)能起著至關(guān)重要的作用。超聲波流量計憑借非接觸、無腐蝕、精度高等特點得到廣泛的應用。隨著工業(yè)4.0及智慧城市的提出，智慧節(jié)點也成為儀器儀表發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)的流量計一般配備RS-232、RS-485接口，無法融入智能控制網(wǎng)絡，具有無線傳輸能力的流量計已經(jīng)成為一種迫切的需求。本文設(shè)計了一種基于時間精確測量技術(shù)和低功耗藍牙技術(shù)的無線超聲波流量計。該流量計在應用高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)處理算法，可以有效地提高流量計量精度。流量計增加藍牙通信模塊可以減少數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作量[1]，避免危險環(huán)境造成的人身傷害[2]；還可以作為無線網(wǎng)絡的節(jié)點，方便流量監(jiān)控和管理。

1 超聲波流量計測量原理

超聲波流量計原理有時差法、多普勒法、波束偏移法等，其中時差法在超聲波流量計中的應用最為廣泛。時差法超聲波流量計是利用液體流動對超聲波傳輸?shù)挠绊憗碛嬎懔髁康腫3]。超聲波流量計測量原理如圖1所示。

圖1 超聲波流量計示意圖

在A、B之間順流和逆流的飛行時間不同，隨著流速v變化，設(shè)順流飛行時間為t1，逆流飛行時間為t2，電路傳輸延遲為t0，則由如下關(guān)系式可以換算出流體的流速v。超聲波順流飛行時間t1為:

(1)

超聲波逆流飛行時間t2為:

(2)

超聲波順、逆流飛行時差Δt為：

(3)

式中：L為超聲波探頭之間的直線距離；D為管道內(nèi)徑；c為超聲波在靜態(tài)流體介質(zhì)中的傳播速度；θ為超聲波探頭飛行路線和流體流動方向的夾角。

由于c2>>v2θ2，因此可以將v2θ2忽略[4]，得到流速v的計算公式：

(4)

由流速v可以得到瞬時流量值Q:

(5)

式中：k為修正因子，其與管道流速不均勻分布有關(guān)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 藍牙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

無線超聲流量計系統(tǒng)采用最新的藍牙4.0技術(shù)，每個藍牙設(shè)備可同時連接多個設(shè)備，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

如圖2所示。網(wǎng)絡分為流量計、藍牙基站、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、服務器四層。臺式計算機、筆記本電腦和支持低功耗藍牙的手持設(shè)備是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層，可以直接讀取超聲流量計數(shù)據(jù)并上傳至服務器，也可對流量計進行遠程操控。

圖2 無線超聲波流量計網(wǎng)絡

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線超聲波流量計整體系統(tǒng)框圖如圖3所示，整個系統(tǒng)由主控制器、顯示模塊、存儲模塊、輸入模塊、藍牙模塊、時差測量模塊六部分組成。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2.1 主控制器

主控制器采用TI的TMS320F28027，它具有32位DSP內(nèi)核，時鐘頻率高達60 MHz。TMS320F28027具有豐富的外設(shè)和豐富的外部總線接口，如UART、SPI、I2C外部通信接口。顯示模塊和時差測量模塊采用SPI通信方式，藍牙模塊采用UART通信方式，存儲模塊采用I2C通信方式。TMS320F28027具有IDLE、STANDBY、HALT等多種低功耗模式，適合流量計開發(fā)。

2.2.2 時差測量模塊

時差測量模塊的核心是德國ACAM公司的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22。GP22是以信號通過內(nèi)部門電路的時間延遲來進行高精度時間間隔測量[5]。GP22測量時間間隔精度高達22 ps。GP22具有窗口延遲功能，可以設(shè)置從超聲波發(fā)射到接收超聲波回波之間的延遲時間，在這段時間內(nèi)STOP引腳不接收外部信號。利用窗口延遲可以消除超聲波發(fā)射電路對接收電路的干擾及外部信號的干擾[6]。在GP22初始化過程中，要啟用窗口延遲功能，在時差測量過程中，應根據(jù)管徑的變化自適應地調(diào)整窗口延遲時間。

2.2.3 藍牙模塊

藍牙模塊采用最新的藍牙低功耗技術(shù)(bluetooth low energy，BLE)。藍牙低功耗技術(shù)是藍牙4.0標準的一部分，與傳統(tǒng)的藍牙2.0、3.0以及藍牙4.0中的傳統(tǒng)藍牙部分相比，BLE技術(shù)具有傳輸距離遠、功耗低等特點。CC2540是TI公司BLE芯片，它集成了工業(yè)級的8051內(nèi)核和RF收發(fā)電路，發(fā)射功耗為24 mA，接收功耗為19.6 mA，最大傳輸距離可達100 m[7]。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊使用的是無背光OLED顯示屏，并采用了SSD1306控制器。和LCD、TFT顯示屏相比，OLED功耗更低、顯示效果更好，且無需考慮對比度問題。

3 硬件設(shè)計

硬件電路主要包括時差測量模塊和藍牙通信模塊。時差模塊和藍牙模塊與主控制器連接如圖4所示。

圖4 主要硬件電路圖

時差測量模塊包括TDC-GP22最小系統(tǒng)、溫度傳感器、濾波電路和超聲波換能器四部分。GP22內(nèi)部集成了超聲波驅(qū)動單元，可以直接將超聲波換能器接在脈沖輸出端和STOP信號接收端。為了抑制外部干擾，在電路中加入了高通濾波電路。當觸發(fā)上游換能器時，STOP1接地，STOP2接收回波；同理，當觸發(fā)下游超聲波換能器時，STOP2接地，STOP1接收回波。系統(tǒng)需要兩個時鐘，一個是4 MHz的時鐘，另一個是32 kHz的時鐘，32 kHz的時鐘用來校準高速時鐘，4 MHz的時鐘用來提供時間測量時基。時差測量模塊和主控制器之間通過四線制SPI方式連接，主控制器通過該接口可以完成對GP22的初始化以及測量結(jié)果讀取。

藍牙模塊主要包括CC2540最小系統(tǒng)、巴倫匹配電路和天線三部分。藍牙模塊有兩個時鐘，一個是32 kHz的低速時鐘，一個是32 MHz的高速時鐘。當系統(tǒng)工作在低功耗模式時，使用32 kHz時鐘；當系統(tǒng)工作在正常收發(fā)模式時，使用32 MHz時鐘。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括主控制器程序設(shè)計和藍牙模塊程序設(shè)計兩部分。主控制器程序主要完成流量的測量，藍牙模塊程序主要完成流量的傳輸。

4.1 主控制器軟件設(shè)計

主控制器的軟件設(shè)計主要包括主程序、定時器中斷程序、UART中斷程序、數(shù)據(jù)處理子程序。

4.1.1 主程序設(shè)計

主程序完成外設(shè)參數(shù)的配置以及OLED、GP22的初始化，并設(shè)定時間和日期。完成初始化后主控制器進入低功耗模式[8]。GP22初始化主要包括打開模擬測量、自動校準、選擇時鐘工作方式、啟動窗口延遲等。

4.1.2 定時器中斷程序設(shè)計

兩次時差測量的時間間隔由定時器設(shè)定，設(shè)置為20 ms。每次獲取時差后更新當前時間，每完成15次時差測量，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序。

4.1.3 UART中斷程序設(shè)計

主控制器通過UART和CC2540進行通信，當有藍牙設(shè)備連接時，CC2540充當數(shù)據(jù)中繼器的角色，將數(shù)據(jù)在流量計和外部藍牙設(shè)備之間傳遞。UART中斷程序的工作是判斷CC2540發(fā)送的數(shù)據(jù)類型[9]。接收到的數(shù)據(jù)分為三類，第一類是請求主控制器發(fā)送當前流量數(shù)據(jù)，第二類是請求修改當前流量參數(shù)，第三類是誤操作。如果接收到發(fā)送流量數(shù)據(jù)請求，則主控制器通過UART將瞬時流量和累計流量數(shù)據(jù)發(fā)送給外部藍牙設(shè)備；如果發(fā)送的是修正流量參數(shù)的請求，則主控制器修改接收到的值；如果是誤操作，則立即退出。4.1.4 數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計

最終流量數(shù)據(jù)在時差測量的基礎(chǔ)上計算得到。時差測量過程中不可避免地會出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，因此要采用軟件算法剔除錯誤的數(shù)據(jù)。流量變化是連續(xù)的，短時間內(nèi)時差數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生大的變化，因此，在時差數(shù)據(jù)處理過程中可采用拉依達準則將錯誤數(shù)據(jù)剔除。

算法實現(xiàn)是將每15次的測量數(shù)據(jù)分為一組，如果存在粗大誤差，則將其濾出。隨機取出連續(xù)測得的15次時差數(shù)據(jù)t1～t15，如表1所示。

表1 時差數(shù)據(jù)

計算出15次時差數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值為0.048 3，根據(jù)貝塞爾公式，求出標準差:

(6)

如果|Δti|>3，就認為ti為異常值，將其剔除。該組數(shù)據(jù)的標準差為0.000 92，則根據(jù)準則判斷數(shù)據(jù)中是否存在異常值。如0.045 1對應的偏差0.003 2>3σ，故將其剔除。剔除異常值后，計算時差的平均值，作為該段時間內(nèi)的時差。

4.2 藍牙模塊軟件設(shè)計

在流量計中，藍牙模塊工作在從模式下，不能主動和主設(shè)備進行連接，只能間歇性地廣播并等待主設(shè)備發(fā)出連接請求。與傳統(tǒng)的藍牙相比，CC2540廣播只使用了三個通道，通道號是37、38、39，比傳統(tǒng)的全通道廣播功耗更低[10]。按照藍牙的工作原理，將CC2540的程序分為兩個狀態(tài)，第一個狀態(tài)是待連接狀態(tài)，第二個狀態(tài)是連接狀態(tài)。待連接狀態(tài)主要工作包括廣播以及連接請求的確認。當收到主設(shè)備發(fā)出的連接請求時，從設(shè)備要進行身份驗證，主設(shè)備要輸入驗證密碼；如果驗證密碼正確，則兩個設(shè)備進行連接。連接狀態(tài)下，藍牙設(shè)備作為流量計與外部設(shè)備通信的接口，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時，CC2540處于睡眠模式，當收到主設(shè)備通過藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)或主控制器通過UART發(fā)送的數(shù)據(jù)時被喚醒，并對收到的數(shù)據(jù)進行處理。如果收到主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)，藍牙模塊會將數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給藍牙主設(shè)備；如果收到來自藍牙主設(shè)備的數(shù)據(jù)，藍牙模塊會將接收到的數(shù)據(jù)通過UART總線發(fā)送給主控制器。

5 試驗結(jié)果

試驗中超聲波頻率為1MHz，安裝傾角為45°，管道直徑為80mm，當流量在0～20m3/s時，流量測量值與標準表對比結(jié)果如表2所示。經(jīng)計算其精度在±2%之內(nèi)，可以滿足大部分應用場合的需求。通過手機客戶端可以修改流量計算公式中的修正因子。通過藍牙將修正因子發(fā)送給流量計，主控制器將對流量計算公式進行修正。

表2 測量結(jié)果

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片GP22和超低功耗的藍牙4.0芯片CC2540的無線超聲波流量計。無線超聲流量計采用硬件濾波和軟件數(shù)據(jù)處理算法提高計量精度，采用藍牙低功耗技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸。該流量計不僅可以實現(xiàn)本地高精度流量計量，還可以實現(xiàn)流量網(wǎng)絡監(jiān)控，適用于多種流體介質(zhì)及條件惡劣的工礦環(huán)境。

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Design of the Wireless Ultrasonic Flowmeter Based on Bluetooth Low Power Consumption Technology

In according with the demands for wireless flowmeters that can be operated under complex industrial and mining environment, and highly automated production environment, the principle and implementing method of ultrasonic flowmeter and bluetooth low power consumption technology are researched, and the highly accurate wireless ultrasonic flowmeter is designed. The system is composed of the DSP chip TSM320F28927 from TI as the core, and using high precision time to digital conversion chip TDC-GP22 for measuring time difference of propagation time of ultrasonic wave, and CC2540 from TI as the bluetooth communication chip. To against the errors of time difference data appear in flow measurement process, the data processing algorithm based on Pauta criterion is proposed. The result of experiments indicates that this flowmeter possesses functions of highly accurate flow measurement, long distance and low power consumption wireless transmission and wireless networking, etc.

Ultrasonic flowmeter Time difference method Time to digital conversion Bluetooth Low power consumption DSP

國家“十二五”科技支撐計劃基金資助項目(編號：2012BAF12B13)。

惠延波(1964-)， 男，1997年畢業(yè)于西安交通大學機械制造專業(yè)，獲博士學位，教授；主要從事制造業(yè)信息化和糧油食品檢測方面的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510011

修改稿收到日期：2015-06-08。