新一代手持式多功能置數(shù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵燦輝，卓四明，高振東

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，南京210032）

人工置數(shù)主要應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)天然河道的流速和流量，這些數(shù)據(jù)對(duì)水利監(jiān)管部門而言是及其重要的，并且對(duì)此類數(shù)據(jù)的精度要求很高。目前在測(cè)量天然河道流速的方法中，利用纜道測(cè)流速是一種精度較高的方式。由于偏遠(yuǎn)地區(qū)沒有市電，這就需要人工去操作纜道鉛魚，然后記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出流量和平均流速。然后利用多功能置數(shù)器通過有線或無線的方式傳送給現(xiàn)地遙測(cè)站，然后遙測(cè)站點(diǎn)用GPRS、北斗等無線通信模塊上送給水情中心站。此次設(shè)計(jì)的多功能置數(shù)器還具備歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、零漂測(cè)試，溫漂測(cè)試、參數(shù)校準(zhǔn)、采樣通道選擇、無線傳輸?shù)裙δ?。多功能置?shù)器的MUC 選用了GD32F103 芯片，高達(dá)108 MHz 的運(yùn)算速度，256 KB的FLASH 和48 K 的SRAM，以及多達(dá)5 個(gè)UART串口、3 個(gè)SPI 口、2 個(gè)IIC 口、80 個(gè)GPIO 口，完全滿足了此設(shè)備的功能需求[1]。將無線短距離通信技術(shù)也應(yīng)用到了該裝置，采用了透?jìng)魉{(lán)牙芯片，可以滿足200 m 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，可以直接下載校正參數(shù)和人工置數(shù)、減少了水文測(cè)量人員的工作量。為了使該裝置能有更好的適應(yīng)性，該裝置與遙測(cè)站點(diǎn)的通訊滿足《SL651-2014 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)約》，并且該裝置還可以外接GPRS 無線通信模塊，使其具備模擬遙測(cè)站點(diǎn)的能力。圖1 所示為多功能置數(shù)器的硬件構(gòu)成原理圖。

圖1 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電源回路

由于多功能置數(shù)器是手持式設(shè)備，必須自備電源。本裝置選用的是總?cè)萘繛?800 mAh 的18650型鋰電池供電，此電池容量足夠裝置正常使用24 h以上。為了方便對(duì)電池進(jìn)行充電管理，選用了非常通用的手機(jī)充電TYPE-C 接口，既方便充電器供電，同時(shí)也能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信。充電管理芯片選用的是成熟的鋰電池充電管理芯片TP4056 芯片，其高達(dá)1000 mA 的可編程充電電流，并具有可在無過熱危險(xiǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能。精度可達(dá)到±1.5%的4.2 V 預(yù)設(shè)充電電壓，擁有充電狀態(tài)雙輸出、無電池和故障狀態(tài)顯示[2]。圖2所示為鋰電池充電管理電路，提供2 個(gè)發(fā)光二極管來指示充電狀態(tài)。

圖2 電池充電管理電路Fig.2 Battery charging management circuit

1.2 液晶顯示模塊

本裝置選用的是硬石科技0.96 寸的OLED 液晶模組，由于OLED 是有機(jī)發(fā)光二極管，具備自發(fā)光，不需要背光源，且對(duì)比度高，并且由于其低功耗、廣視角、寬工作溫度范圍十分滿足多功能置數(shù)器的要求。該OLED 具備128*64 的高分辨率，正常顯示功耗為0.06 W，只需使用兩線的IIC 接口控制，或者普通的IO 口模擬IIC 也能控制，兼容3.3 V 和5 V 的工作電源[3]。圖3 所示為液晶模組的接線電路圖，接線原理簡(jiǎn)單方便。

圖3 液晶驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 OLED driving circuit

1.3 參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

本裝置對(duì)數(shù)據(jù)的操作主要是人工置數(shù)、參數(shù)率定、遙測(cè)站歷史數(shù)據(jù)讀取，這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，圖4 所示為EEPROM 與FLASH 的電路圖。EEPROM 芯片由于讀寫速度快，操作方便但容量普遍不大很適合將提前編輯水文要素和率定校正好的參數(shù)存儲(chǔ)在里面。由于遙測(cè)站點(diǎn)多、歷史數(shù)據(jù)量大，適合存儲(chǔ)在容量較大的FLASH 芯片里面。EEPROM 選用的是鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24V10，其容量為1 Mbit，與MCU 之間的通信為常用IIC 方式，工作電壓為3.3 V，工作溫度范圍為-40 ℃～+85 ℃，所存數(shù)據(jù)10年不丟失。其工作電流小于150 μA，靜態(tài)電流小于90 μA，很適合對(duì)功耗要求較高的手持型設(shè)備。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，利用本置數(shù)器可以很方便地讀取遙測(cè)站點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)，然后將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入水情中心站服務(wù)器，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行水文計(jì)算和洪水預(yù)報(bào)就顯得十分便利。FLASH 選用的是ATMEL 公司的AT45DB642D，與MUC 之間為SPI方式通信，其存儲(chǔ)容量為8 MB，擁有8192 頁主存儲(chǔ)器，待機(jī)電流25 μA，數(shù)據(jù)保持20年。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路Fig.4 Circuit of data save

2 數(shù)據(jù)校正及分析

由于傳感器固有特性，所測(cè)數(shù)據(jù)并非呈現(xiàn)出完全線性關(guān)系。隨著傳感器長(zhǎng)期投入使用，導(dǎo)致傳感器的測(cè)量精度也發(fā)生了變化，這就需要對(duì)傳感器測(cè)量精度進(jìn)行人工校正。盡管計(jì)算復(fù)雜，但最小二乘法具有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)依據(jù)，得到的擬合曲線精密度高、誤差小，很適合應(yīng)用在該裝置上[4]。本裝置對(duì)參數(shù)率定采用的算法是最小二乘法中的線性率定和二次項(xiàng)率定。針對(duì)偏差小，線性度較好的數(shù)據(jù)可以采用最小二乘法線性率定，并且裝置計(jì)算量小，率定速度較快。針對(duì)數(shù)據(jù)偏差大，線性度較差的情況下，兼具采樣裝置MUC 的計(jì)算能力，可以采用最小二乘法的二次項(xiàng)率定。工程人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)分布的實(shí)際情況選擇不同次項(xiàng)來率定數(shù)據(jù)，并且將率定的參數(shù)值存儲(chǔ)，以便后續(xù)的歷史數(shù)據(jù)分析和傳感器故障診斷。

差阻式傳感器和氣泡式水位計(jì)分別是巖土安全監(jiān)測(cè)工程和水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中比較常見的傳感器，但由于長(zhǎng)期頻繁使用和機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生了老化變形，所測(cè)數(shù)據(jù)不可避免的發(fā)生了漂移。測(cè)量設(shè)備隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用和溫度的變化，電子元器件的物理特性也發(fā)生了變化，所測(cè)數(shù)據(jù)精度也發(fā)生了改變，這就需要對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行重新率定[5]。經(jīng)過長(zhǎng)期使用觀察發(fā)現(xiàn)差阻式傳感器數(shù)據(jù)漂移量較小，利用線性法率定參數(shù)能夠滿足精度要求，而氣泡式水位計(jì)由于采樣設(shè)備老化和壓力傳感器的形變需要用二次項(xiàng)方法率定才能滿足采樣精度。表1 所示為利用線性法率定的差阻式傳感器讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過率定后精度保持在十萬分之二。由于氣泡式水位計(jì)采樣裝置MUC 運(yùn)算能力強(qiáng)，可以使用二次項(xiàng)法率定所測(cè)數(shù)據(jù)，如表2 所示，經(jīng)過率定后采樣誤差保持在1 cm 以內(nèi)，率定效果十分明顯。

表1 線性率定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of linear calibration

表2 二次項(xiàng)率定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of quadratic term calibration

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的人工置數(shù)器與遙測(cè)站點(diǎn)之間信道單一，并且遙測(cè)站點(diǎn)發(fā)送方式也固定。新一代的置數(shù)器可以利用多種方式讓置數(shù)器與遙測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行通信（RS485、RS232、藍(lán)牙等），在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的水文站點(diǎn)移動(dòng)信號(hào)并不理想，隨著我國(guó)北斗定位系統(tǒng)覆蓋面的增加，水文領(lǐng)域中使用北斗發(fā)送數(shù)據(jù)的可能性更大[6]。這就要求新一代置數(shù)器能夠選擇不同信道來實(shí)現(xiàn)人工設(shè)定數(shù)據(jù)上送到水情中心站。圖5 所示為置數(shù)器人工置水文要素值的流程，置數(shù)功能只是其眾多功能中的一種，進(jìn)入此分支流程后，水情值班人員根據(jù)現(xiàn)地天然河道實(shí)測(cè)流量、流速、時(shí)間和其它水文要素?cái)?shù)據(jù)設(shè)置到置數(shù)器中，然后選擇與遙測(cè)站點(diǎn)之間的信道，遙測(cè)站點(diǎn)與水文中心站之間的無線信道。操作時(shí)應(yīng)該盡量避免5 min 整數(shù)倍時(shí)間，以免遙測(cè)站點(diǎn)正處在采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間。然后確定發(fā)送，整個(gè)發(fā)送過程需要5 s，如果置數(shù)器收到回復(fù)報(bào)文則此次人工置數(shù)完成，如果沒有收到回復(fù)報(bào)文則返回信道選擇界面，選擇后備信道再次發(fā)送。重復(fù)此過程2 次后，就退出人工置數(shù)界面，檢查遙測(cè)站點(diǎn)無線通信信道是否能正常工作。

圖5 人工置數(shù)流程Fig.5 Manual setting of serial communication

4 結(jié)語

新一代多功能置數(shù)器不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的水文要素置數(shù)，并且由于其便攜方便，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)和無線藍(lán)牙功能的加持，極大地提高了置數(shù)器的整體性能。裝置不僅有多種通信方式，并且可以選擇不同的通信規(guī)約，提高了裝置的兼容性。該裝置使用的是擁有強(qiáng)大處理能力和豐富片外資源的國(guó)產(chǎn)芯片GD32F103，完成了數(shù)據(jù)的通信、傳感器的校正、參數(shù)設(shè)置等功能。由于其低功耗能力，實(shí)現(xiàn)了電池待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、工作穩(wěn)定。該裝置已經(jīng)在福建周寧水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，其超低的功耗、強(qiáng)大的通信能力、精準(zhǔn)的參數(shù)校準(zhǔn)能力等特點(diǎn)得到了業(yè)主單位的積極評(píng)價(jià)。