基于ARM的遠(yuǎn)程超聲波流量計(jì)的研究

吳興雄

【摘要】 超聲波流量計(jì)經(jīng)過近百年的發(fā)展，其多樣化測(cè)量方式和高度測(cè)量精度已經(jīng)能夠滿足大部分的需求。但超聲波流量計(jì)在運(yùn)用過程中，其數(shù)據(jù)傳輸通常通過RTU來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于許多現(xiàn)場(chǎng)，這種構(gòu)造提升了安裝成本，造成極大的資源浪費(fèi)。本文采用ARM7控制器，提出一種將時(shí)差法超聲波流量計(jì)和RTU的設(shè)計(jì)結(jié)合的方案。

【關(guān)鍵詞】 時(shí)差法超聲波流量計(jì) 遠(yuǎn)程通信

超聲波流量計(jì)是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化以及檢測(cè)技術(shù)中常用的計(jì)量儀表，通常采用232/485通信接口或者4～20mA模擬信號(hào)接口輸出。這種輸出方式在很長一段時(shí)間內(nèi)滿足了工業(yè)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。但隨著當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化的迅速發(fā)展尤其是各類檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，常規(guī)的輸出方式的弊病已經(jīng)越來越明顯，流量計(jì)的遠(yuǎn)程通信成為一種趨勢(shì)。現(xiàn)在常用的解決方案是通過RTU接收儀表的數(shù)據(jù)，再實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。

一、超聲波流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)

計(jì)量儀表的設(shè)計(jì)通常分為一次儀表與二次儀表兩部分，這種超聲波流量計(jì)的基本構(gòu)架設(shè)計(jì)也遵從這種方式，采用一次儀表與二次儀表分開設(shè)計(jì)。超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一次儀表主要實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的檢測(cè)與處理，

二次儀表主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)超聲波信號(hào)傳播時(shí)間，計(jì)算出相應(yīng)流速，并對(duì)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行判斷與驗(yàn)證，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與輸出?？梢哉f，二次儀表是計(jì)量儀表的大腦，所有的邏輯運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理都在二次儀表中進(jìn)行。

超聲波流量計(jì)總體由一次儀表與二次儀表構(gòu)成[1]，一次儀表包括壓電換能器及其相關(guān)電路，包括：

（1）超聲波信號(hào)收發(fā)部分：完成超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收，實(shí)現(xiàn)換能器對(duì)能量形式的轉(zhuǎn)換；

（2）超聲波信號(hào)處理部分：實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)信號(hào)的處理，使電路信號(hào)能夠與控制芯片信號(hào)較好的配合

二次儀表主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、信號(hào)處理等功能，其主要包括：

（1）最小系統(tǒng)：ARM芯片能夠工作的最基本系統(tǒng)條件，包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等

（2）數(shù)字信號(hào)處理部分：包括已調(diào)理信號(hào)的處理、數(shù)據(jù)輸入存儲(chǔ)器等

（3）驅(qū)動(dòng)服務(wù)：完成人機(jī)互動(dòng)、數(shù)據(jù)通信等功能

二、遠(yuǎn)程通信模塊的基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在常用的RTU采用485協(xié)議與儀表進(jìn)行通訊，然后通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。常見的網(wǎng)絡(luò)模塊包括ZIGBEE模塊、GPRS模塊、3G模塊以及最新的4G模塊等。

較為合理的遠(yuǎn)程通信方式可以考慮采用ZigeBee技術(shù)組成小范圍的無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決有線通信走線復(fù)雜的問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)傳感器的互聯(lián)互訪。再通過某一至兩個(gè)GPRS節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，這樣的結(jié)構(gòu)既可以節(jié)省485通信線路走廊，也可以節(jié)約GPRS節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

總之，整個(gè)通信流程中，ZigBee與GPRS通信技術(shù)相互配合，取長補(bǔ)短，能夠，采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)近距離通信，GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，兩種方式可以實(shí)現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離的傳感器組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。

三、遠(yuǎn)程超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程模塊的設(shè)計(jì)

3.1遠(yuǎn)程模塊硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)將常規(guī)超聲波流量計(jì)與RTU的設(shè)計(jì)相結(jié)合，采用ARM作為處理核心。由于ARM具備的多任務(wù)處理的能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與傳輸。這種方案在傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，只需要增加了傳感器的遠(yuǎn)傳模塊就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。傳感器基于Zigbee組網(wǎng)并通過GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，使傳感器成為真正意義上的遠(yuǎn)程流量計(jì)。

遠(yuǎn)程超聲波流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)流量計(jì)并沒有太大區(qū)別，但他的設(shè)計(jì)增加了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

以LPC2210作為控制器為例，通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與MC13192 Zigbee模塊的數(shù)據(jù)傳輸，再通過UART1串口實(shí)現(xiàn)與SIM800 GPRS的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

無線收發(fā)功能主要是由GPRS模塊和Zigbee模塊配合實(shí)現(xiàn)的無線收發(fā)模塊的應(yīng)用程序各主要任務(wù)如表1所示：

通過優(yōu)先級(jí)的不同，依次完成各任務(wù)。

四、總結(jié)

通過將二次儀表的設(shè)計(jì)與RTU相結(jié)合，流量計(jì)的可嵌入性得到極大的提升，極大的降低了工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、流量監(jiān)控系統(tǒng)等運(yùn)用場(chǎng)所中的安裝成本與設(shè)計(jì)難度，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，具有較好的研發(fā)前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]桂永芳. 相關(guān)法超聲波流量計(jì)二次儀表的研究[D].浙江大學(xué)，2004.

[2]陳靜. 超聲波流量計(jì)的研制[D].西安科技大學(xué)，2004.

[3]陳潔，余詩詩，李斌，樊辰陽. 基于雙閾值比較法超聲波流量計(jì)信號(hào)處理[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，11：1024-1033.