基于国产处理器的超声波流量计研究与应用

程潇黠，徐方明，蓝 彦，景波云

(1．国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106;

2．南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106)

0 引言

时差法超声波流量计凭借其精度高、测量范围大、无压力损失、安装方便、对管道口要求低等优势，被广泛使用在电力、石油、化工，特别是水利系统中。传统的超声波流量计大多采用外接电源供电。在供电困难的情况下，其使用受到了一定的限制。采用电池供电可以较好地解决这个问题。但在使用电池供电时，用户的关注点在于流量测量的功耗及准确性［1］。同时，控制芯片受制于人的局面一直都困扰着中国的整机企业，尤其是美国制裁中兴通迅事件的发生，使得芯片国产化呼声再起。流量计作为关系国计民生的工业领域，其控制芯片的国产化势在必行。针对以上问题，本文主要介绍了超声波流量计测量原理、高精度测量方法、国产处理器低功耗模式以及系统低功耗的软硬件实现。

1 硬件设计

1．1 超声波测量原理

超声波流量计主要采用时差法测量流速。时差法超声波流量计的测量原理如图1所示。在上下游分别布置有2只换能器P1和P2，其间距为L;流体流速为V;室温下静水中声速为C。在水流的作用下，声波沿正向传播所经历的时间(即正向传播时间T2)小于逆向传播所经历的时间(即逆向传播时间T1)［2-3］。

图1 测量原理图Fig．1 diagram of measuring principle

正向传播时间可以表示为:

逆向传播时间可以表示为:

式中:θ为声波路径与流向的夹角。

由式(1)、式(2)，可以导出在1条声路上的流速表达式:

然而，对于直径较大的圆管，流态复杂多变。为了提高测量精度，超声波流量计管道一般采用多声路的布置方式，如图2所示。

图2 管道布置图Fig．2 diagram of pipe layout

根据IEC规程，可采用2、4和8声路。根据各声路上的流速对测量断面进行积分，可得通过测量断面的流量，并有:

式中:D为管道直径;n为测量断面上的声路数;Wi为第i声路的加权系数;Vi为第i声路上的线平均流速。

1．2 总体设计

低功耗超声波流量计由电源单元、中央处理器单元(central processing unit，CPU)、通用分组无线服务(general packet radio service，GPRS)通信单元［4］、蓝牙通信单元［5］、流量测量计时单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、RS-485通信单元、LCD显示单元、刷卡器单元及人体接近感应单元组成。低功耗超声波流量计总体框架如图3所示。

图3 总体框架图Fig．3 Overall framework

图3中:CPU单元用于控制外围电路及流量的计算;流量测量计时单元用于测量超声波正向和反向传播时间;模拟量输入单元用于采集水位信息(可支持明渠流量的测量);刷卡器单元用于流量收费;RS-485通信单元、模拟量输出单元用于将流量信息传输至用户接收装置;蓝牙通信单元用于超声波流量计的系统配置;开关量输出单元用于控制流量管道阀门;LCD显示单元用于显示流量、测量状态等信息;人体接近感应单元用于判断人体是否接近，从而控制LCD显示单元、刷卡器单元、蓝牙通信单元的供电开关。

1．3 电源供电

系统采用太阳能电池板和铅酸蓄电池保证12 V独立供电，非常适用于缺电、无电地区。其与铅蓄电池组合使用，提高了供电的可靠性。在太阳能充足时，太阳能电池板给设备供电，并为铅蓄蓄电池充电。没有太阳时，由铅蓄蓄电池给设备供电。系统采用开关电源，将12 V电压变换为4．3 V，然后通过低功耗线性电源转换成为3．3 V。系统供电原理如图4所示。

图4 供电原理图Fig．4 diagram of power supply

1．4 CPU 单元

CPU单元采用北京智芯微电子科技有限公司生产的海燕330处理器作为控制核心。海燕330处理器特制高精度内部高频时钟，为用户节约外部晶振资源，并提供丰富的内存配置，集成了多种外设接口。芯片采用独创超低功耗设计理念，CPU功耗模式比较如表1所示。

本系统在正常运行时采用运行模式1，低功耗运行时采用待机模式1。

在正常运行状态下，运行模式1可保证流量计CPU的高速运行及外设的正常工作。任务全部处理结束后，系统进入待机模式1，并通过实时时钟(real-time clock，RTC)中断定时，唤醒CPU开启测量、RS-485、GPRS传输等功能降低功耗。

表1 CPU功耗模式比较Tab．1 Comparison of CPU power consumption modes

1．5 流量测量计时单元

流量测量计时单元采用时间数字转换器实现超声波发射、接收和计时［6］。时间数字转换器集成脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数可调的脉冲序列，通过发送命令来激活脉冲发生器。其时间数字转换以信号通过内部门电路的传播计数来进行高精度时间间隔测量。时间数字转换器使用高速单元，测量从开始或结束信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间。在2次精密测量之间，时间数字转换器记下基准时钟的间隔时间。时差测量原理如图5所示。

图5 时差测量原理图Fig．5 Time difference measurement principle

其测量公式如下:

式中:T为正向或逆向传播时间;Tref为基准时钟周期;Coarsecount为基准时钟的计数器值;Finecount1、Finecount2分别为开始、结束信号与相邻基准时钟上升沿之间的高速单元测量计数器值;Cal1，Cal2分别为1个基准时钟与2个基准时钟的高速单元测量计数器值。

时间数字转换器最主要的提升就是内部集成了第一回波识别模块［7］。其采用可编程触发电平来可靠检测第一回波的到达情况。检测到第一回波后将触发电平变为0 V，实现过零比较;同时，通过比较器，将回波信号转换成为方波信号。第一回波的方波宽度将会与后续完整半波方波(如第五波)的宽度进行比较，其比值将会用作信号强度的提示。超声波接收第一回波模式如图6所示。

图6 超声波接收第一回波测量模式图Fig．6 Ultrasonic receiving first echo measarement mode

该模式的优点在于:第一回波可编程电平过滤了噪声的干扰;同时，双触发模式［8］(第一回波为可编程电平触发，后面为0 V触发)可精确测量回波的到达时间，避免了可编程触发电平引入的测量误差。

2 软件设计

RTC事件与人体接近事件是低功耗设计的核心。系统初始化后，开启人体接近感应事件(人体接近感应事件主要为开启蓝牙通信、刷卡器、LCD显示)及RTC中断(每1 s开启一次RTC中断)，并进入事件循环。

软件流程如图7所示。

图7 软件流程图Fig．7 Software flowchart

RTC中断定时执行RTC事件即开启流量测量及GPRS无线通信［9］，而人体接近感应经过一定的延时后关闭蓝牙通信、刷卡器、LCD显示单元，在再次感应到人体接近时，开启上述单元。如果所有任务执行结束，则进入低功耗模式。该流程保证了流量计各单元在需要使用时开启、不使用时关闭，有效地降低了功耗。

3 系统功耗分析

系统功耗主要包括基本功能功耗和扩展功能功耗。基本功能包括流量测量(测量周期为1次/s)、RS-485通信(发送周期为1次/h)、GPRS通信(发送周期为1次/h)及人体接近感应(长期运行)。扩展功能包括开关量输出、模拟量输入输出，蓝牙通信、刷卡器及LCD显示。其中:开关量输出、模拟量输入输出功能在电池供电模式下关闭，蓝牙通信、刷卡器及LCD显示功能只有在感应到人体接近时才供电;由于开启的时间较短，功耗几乎可以忽略不计。系统各设备功耗如表2所示。

表2中:线性电源的转换效率为100%，但存在50 μA的静态功耗，而开关电源的转换效率约为70%。系统整体功耗较低，在277 μA左右。

表2 系统各设备功耗Tab．2 Power consumption of equipments

4 结束语

本文设计了一种基于国产处理器的低功耗超声波流量计。该流量计通过选择CPU供电模式及控制外围电路的供电来降低功耗，以实现电池长期供电，通过时间数字转换器皮秒级别的计数器和超声波接收第一回波模式，实现高精度时间测量及噪声干扰滤除。同时，丰富的外围接口扩展了该流量计的应用场景。经过实验室测试，在低功耗模式下，超声波流量计的功耗与理论计算较为接近。该流量计已经通过计量院超声波流量计1级标准检定［10］，可以满足在供电及通信传输困难地区的应用。