超聲波水表校正轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán) 曙，劉世偉

（1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031；2.安徽寶龍電器有限公司，宿州 234111）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)儀表的發(fā)展速度非?？欤S物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，已經(jīng)開始獲得越來越多的市場滲透率和接受度。其中，超聲波技術(shù)是智能儀表的一項(xiàng)重要技術(shù)[1-2]。國內(nèi)超聲波技術(shù)在表計(jì)行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展最開始受供熱改革政策驅(qū)動(dòng)，超聲波熱量表得以快速發(fā)展[3]。而當(dāng)前我國的水表市場的水表以機(jī)械水表為主，其內(nèi)部的機(jī)械計(jì)量由于磨損等因素使得水表的檢測準(zhǔn)確度和重復(fù)性指標(biāo)難以長期保持，檢測可靠性差，使用壽命短[4-5]。相比之下，超聲波水表憑借非接觸式檢測、精度高、寬量程等優(yōu)勢，正逐漸進(jìn)入城鎮(zhèn)供水等領(lǐng)域[6-7]。

超聲波水表是計(jì)量儀器儀表，為強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具，其計(jì)量精度直接影響著供水單位的計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和消費(fèi)者利益[8-9]。然后，由于每只水表的PCB 板測量的系統(tǒng)誤差不同，需要進(jìn)一步完成誤差的校正。在超聲波水表批量生產(chǎn)中，需要完成檢測臺上的多臺超聲波水表與上位機(jī)水表校正軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換轉(zhuǎn)發(fā)。

依據(jù)上述需求，本文設(shè)計(jì)了一套超聲波水表校正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，該套裝置的使用有助于提高超聲波水聲的批量生產(chǎn)的校正效率，關(guān)系到水表是否能夠成功量產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

一套完整的超聲波水表校正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和校正系統(tǒng)由PC 上的上位機(jī)校正軟件系統(tǒng)、USB 轉(zhuǎn)433信號收發(fā)器、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、被測水表（位于水表檢測臺）組成，如圖1 所示。水表檢測修正設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)圖1 中虛線框內(nèi)的功能，主要任務(wù)是建立水表和PC 軟件系統(tǒng)連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換及傳輸，在整個(gè)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。

圖1 校正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖Fig.1 Correction data forwarding diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)板（PCB）總體設(shè)計(jì)

超聲波水表校正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)板負(fù)責(zé)表體校正數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理，該P(yáng)CB 板上集成了433 通訊模塊接口、電池供電電路接口、調(diào)試接口、喚醒功能接口和紅外通訊接口，并與高性能低功耗的MCU（MSP430F149）芯片相連，如圖2 所示。PCB 板設(shè)計(jì)符合EMC 檢測標(biāo)準(zhǔn)，采用噴涂三防漆處理，喚醒功能接口采用磁感應(yīng)干簧管，感受到外部磁鐵靠近，干簧管會(huì)導(dǎo)通，觸發(fā)外部中斷喚醒功能，喚醒MCU 進(jìn)入正常工作狀態(tài)，433 通訊模塊采用澤耀科技的AS12-TTL 模塊，直接與MCU 串口連接。

圖2 板載硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Logical structure of onboard hardware

紅外通訊接口電路是采集表體測量數(shù)據(jù)和接收上位機(jī)校正數(shù)據(jù)的主要通道。這部分電路運(yùn)用紅外發(fā)光二極管，通過紅外光信號的有無，轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)信號的接收和發(fā)放，其紅外通訊電路如圖3 所示。

圖3 紅外通訊接口電路Fig.3 Infrared communication interface circuit

2.1.2 433 通訊接口電路

433 通訊接口電路使用澤耀科技的AS12-TTL模塊直接與MCU 相連，將紅外通訊電路接口接收到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)接收端，或?qū)⑸衔粰C(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過紅外通訊接口下載到表體中，其紅外通訊電路如圖4 所示。

圖4 433 通訊接口電路Fig.4 433 communication interface circuit

2.1.3 電源模塊接口電路

提供電源輸入通道，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用德玲達(dá)公司生產(chǎn)的電池，其供電電壓為3.7 V，電流3200 mAh。低功耗的設(shè)計(jì)可以使本裝置使用時(shí)間達(dá)到3 年之久，其具體工作接口電路如圖5 所示。

圖5 電源模塊接口電路Fig.5 Interface circuit of power module

2.1.4 喚醒接口電路

在實(shí)際的校正工作中，由于某些原因，導(dǎo)致校正工作中止。本系統(tǒng)約定，在10 min 內(nèi)如果沒有數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)將處于休眠狀態(tài)。如果繼續(xù)工作，則使用磁鐵靠近本裝置，在磁力的作用下，磁感應(yīng)干簧管會(huì)導(dǎo)通，觸發(fā)外部中斷喚醒功能，喚醒MCU進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.1.5 調(diào)試接口電路

若以NaOH形式衡量，以1800m3/h尾氣計(jì)算，采用雙脫吸收工藝改造后，每年將減少NaOH（固體堿，反應(yīng)用掉的）用量約9.5t，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于要外排一部分，保持一定的pH和堿濃度，其用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止，雙塔吸收工藝將減少廢堿渣和廢水的排放，減少對污水處理的影響，有利于環(huán)保。

方便用戶程序燒寫，用以程序編寫過程中的仿真模擬，其工作接口如圖6 所示。

圖6 調(diào)試接口電路Fig.6 Debugging interface circuit

2.1.6 NB_IoT 接口電路

本接口電路提供了一種校正數(shù)據(jù)上傳機(jī)制，用戶可以將這些校正數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以分析校正數(shù)據(jù)是否存在異常。此外，還可以通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺判斷該裝置近期是否在工作和工作多久等，其具體接口如圖7 所示。

圖7 NB_IoT 接口電路Fig.7 NB_IoT interface circuit

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)中心

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺是位于互聯(lián)網(wǎng)上的一臺主機(jī)，用于接收NB 模塊上傳的數(shù)據(jù)信息。在智能水務(wù)實(shí)踐中通常選擇中國電信IoT 平臺和中國移動(dòng)one-NET平臺作為水務(wù)終端數(shù)據(jù)的中繼平臺，用戶可以另寫程序從該中繼平臺獲取用戶數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用的是嵌入式應(yīng)用架構(gòu)思想，首先將一個(gè)應(yīng)用進(jìn)行功能模塊劃分，并對整體結(jié)構(gòu)分層（將API 分為驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層），然后設(shè)計(jì)能獨(dú)立的各個(gè)模塊（如協(xié)議模塊、通訊模塊等），在模塊之上開放公共接口，便于應(yīng)用的移植和功能模塊的可復(fù)用性，軟件工作流程如圖8 所示。系統(tǒng)軟件整體上由主程序和中斷處理程序兩部分組成。

圖8 軟件工作流程Fig.8 Software flow chart

3.1 中斷接口函數(shù)介紹

以下是各中斷接口函數(shù)，定時(shí)器負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)處理，串口中斷負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送，嵌入式程序主循環(huán)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，起到打通PC 和超聲波水表互通的鏈路功能。

3.2 主程序介紹

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；

Main_Timer_Init（）；//定時(shí)器配置

Main_Flash_Init（）；//運(yùn)行環(huán)境初始化

MemCopy（（u8*）0x1120，&buff_200[0]，0x21）；

Main_IO_Init（）；//IO 口配置

Main_USART0_Init（）；//串口0 配置

Main_USART1_Init（9600）；//U1 9600

_EINT（）；//使能中斷

4 系統(tǒng)運(yùn)行與驗(yàn)證

在系統(tǒng)運(yùn)行之前，首先把設(shè)計(jì)好的PCB 底圖交給PCB 制造廠商如嘉立創(chuàng)制版，然后再將制好的PCB 裸板委托第三方加工或自已加工制成PCBA版，在外接各種輔助性的插線或?qū)Φ谌酵ㄓ嵞K如AS12-TTL 模塊進(jìn)行頻道設(shè)置，此功能設(shè)置對于擁有多臺檢測臺的車間特別重要，如設(shè)置不當(dāng)，可引起檢測校正數(shù)據(jù)目標(biāo)錯(cuò)亂，失去校正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

前續(xù)基礎(chǔ)工作完成后，用戶可使用MSP430 單片機(jī)匹配的仿真器MSP-FET430UIF 將IDEA 編譯的用戶程序下載到本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的PCBA 板上，并分別與電腦上位機(jī)與檢測臺的超聲波水表相連。同時(shí)，將NB 模塊（L660）注冊到電信物聯(lián)網(wǎng)平臺，激活SIM 芯片，開啟NB 數(shù)據(jù)上傳通道，如圖9 所示。

圖9 NB 模塊注冊物聯(lián)網(wǎng)平臺示意圖Fig.9 Schematic diagram of NB module registering IoT platform

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的超聲波水表校正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)運(yùn)用433 頻率的無線通訊模塊和無線紅外通訊進(jìn)行校正數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，在IDEA 編譯環(huán)境中，采用C 語言對PCBA 板進(jìn)行編程開發(fā)。在設(shè)計(jì)中還使用了集成的芯片數(shù)據(jù)傳輸DTU 模塊并提供SIM 通訊芯片接口，與宏電的H7210DTU 不同，可以與PCBA上集成芯片集成到一起，整體結(jié)構(gòu)緊湊小巧。經(jīng)過客戶使用和反饋，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在長達(dá)7天的拷機(jī)實(shí)驗(yàn)中，表現(xiàn)出較好的品質(zhì)，該系統(tǒng)可以很好地滿足用戶的需求。