基于ARM11的多聲道超聲波明渠流量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張庭亮, 甄倩倩

(1. 安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000; 2.安陽師范學院 軟件學院，河南 安陽 455000)

不論是農(nóng)業(yè)灌溉方式的改進、城市污水處理能力的提高還是江河水資源現(xiàn)狀的監(jiān)測，都需要流量檢測的支持[1].國家正在實施的大中型灌區(qū)節(jié)水改造工程的重點是干支渠的襯砌與配套，灌區(qū)水利信息管理的實時化與現(xiàn)代化，內(nèi)容相當廣泛；其中明渠流量實時監(jiān)測是其核心內(nèi)容之一，是推動計量灌溉，促進灌區(qū)節(jié)水和提高農(nóng)作物水分生產(chǎn)率的基礎(chǔ).

現(xiàn)在，灌區(qū)應用很廣泛的流量測量方法主要有：容積式測量方法、壓差式測量方法、流體阻力式測量方法、速度式測量方法[2].隨著灌區(qū)流量測量的要求不斷提高，精度不斷細化，很多方法由于施測計算復雜、成本較高等因素逐漸接近淘汰.超聲波在流體中傳播時，將會攜帶流體流速信息.通過檢測超聲波傳播速度信息，可以獲得液體的流速信息，進而獲得流量信息.在超聲波流量計的研究方面，很多學者[3-10]已經(jīng)做了一些工作.在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了以多聲道時差法為基礎(chǔ)，使用高性價比、低功耗S3C6410為CPU，實現(xiàn)實時通訊傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)，具有較好的實時性和測量精度.

1 設(shè)計原理

1.1 時差法測量原理

在明渠的兩側(cè)，按一定的傾斜角t2安裝一對波源A與B，由A向B傳播的超聲波順流速度為超聲波理論流速加上流體的流速，由B向A傳播的超聲波逆流速度為超聲波理論速度減去流體的流速.順流與逆流之間的差值結(jié)合已知的超聲波本身的理論速度就可以得出流體的流速[11-12].圖1顯示了具體的測量過程.

圖1 測量過程Fig.1 A schematic diagram of the measurement process

順流傳播的時間t1為

(1)

逆流傳播的時間t2為

(2)

式中:D為管道直徑；v為流體的流速；c為靜水超聲波速.

傳播時間差為

(3)

由于流速遠小于超聲波自身的傳播速度，在三角經(jīng)驗公式中，可以化簡c2-v2cos2θ≈c2，進而得到簡易公式

(4)

此時可得流體的流速為

(5)

工程應用中，我們可以看出，以上步驟所求的流速是一段距離內(nèi)的平均速度，要獲得明渠橫斷面上的瞬時速度，必須引入流體動力學中的分布系數(shù)進一步修正.

1.2 干擾類型與修正原理

實際測量中，流體溫度及環(huán)境溫度的變化會造成流體粘度及雷諾數(shù)的相繼改變.進而改變傳播過程中的阻力因素，波速也因此改變.對于溫度的變化有兩種修正方法，即數(shù)學模型法和溫度補償法.數(shù)學模型法對測量系統(tǒng)的總體精度提出了更高的要求，在后期信號處理過程中稍有偏差，整個實驗結(jié)果便會因為蝴蝶效應歸于失敗.因此，系統(tǒng)采用了溫度補償算法.溫度補償算法通過測量流體的實時溫度，對比獲得檢測瞬間超聲波自身速度，在計算過程中使用這一數(shù)值，保證溫度這一影響因子在檢測瞬時的確定性與準確性.而且，溫度測量的完成，也可以從側(cè)面對實際測量結(jié)果進行校對，避免粗大誤差.

不論從設(shè)計精度的角度還是從實際應用的角度，背景噪聲以及超聲波本身的混響都是不容忽視的.為了消除噪聲及混響的干擾，硬件電路設(shè)計中，每一級信號放大后都加上了濾波電路.通過三級放大濾波，噪聲及混響因素產(chǎn)生的干擾可以消除.

單聲道的測量只能確定某一層流的速度或者說是某一截深度水流的平均流速.這一流速不能代表整個橫斷面的平均流速.采取多聲道測量，取相鄰聲道的數(shù)據(jù)求得這兩個聲道圍成的區(qū)域面積的平均流速，區(qū)域面積流速積分獲得區(qū)域流量；再將多聲道測量所得的數(shù)個區(qū)域流量求和得到很斷面總體體積流量.理論上分析，多聲路測量中的聲道數(shù)與測量精度成線性增長.但是工程實際的測量經(jīng)驗得出，聲道數(shù)量達到五聲道后，增加聲道的方法，不僅不會減小正向誤差，相反，逆向誤差的出現(xiàn)降低了測量精度.而且，市場上的測量探頭成本不低，增加聲道，增加了翻倍的成本.所以，設(shè)計采用五聲道測量.

1.3 系統(tǒng)組成

超聲波流量測量采用多聲道時差法，為了便于實現(xiàn)溫度補償，要求測量時間足夠精確.為了解決天然河道布線困難，維護不易，超聲波發(fā)送與接收以及時間測量聯(lián)動性差的問題，采用無線傳輸實現(xiàn)指令下達以及數(shù)據(jù)傳輸.收發(fā)切換可以更好的利用無線模塊收發(fā)一體以及超聲波換能器收發(fā)一體的特點，消除非對稱性誤差.系統(tǒng)的總體設(shè)計為：電源模塊，S3C6410中央處理器模塊，收發(fā)切換模塊，時間測量模塊，無線模塊，超聲波收發(fā)模塊，顯示模塊，存儲模塊，鍵盤輸入模塊，通訊模塊，溫度測量模塊.系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

超聲波硬件設(shè)計原理繁雜，結(jié)構(gòu)模塊較多，篇幅所限，僅對有改進的模塊設(shè)計予以介紹.

2.1 超聲波收發(fā)模塊的設(shè)計

超聲發(fā)射電路采用了單脈沖發(fā)射電路，它由脈沖發(fā)生、放大電路構(gòu)成.TDC-GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代產(chǎn)品.它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業(yè)應用領(lǐng)域.GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止處理信號的使能端，能實現(xiàn)溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應用.采用TDC-GP2產(chǎn)生高速周期脈沖，經(jīng)三極管放大和變壓器升壓，達到足夠功率后推動換能器產(chǎn)生超聲波.這里變壓器的主要用途是升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負載(超聲換能器)阻抗匹配.變壓器與探頭接成單端激勵方式，具體的發(fā)射電路原理連接如圖3所示.TDC-GP2發(fā)出的脈沖信號經(jīng)放大和升壓，在適合的能量區(qū)間值獲得后驅(qū)動換能器.

圖3 發(fā)射模塊硬件圖Fig.3 Schematic transmitter module

超聲波在傳播過程中，由于各種干擾不斷減弱，接收端所能接收到的超聲波信號十分微弱，有可能只有幾毫伏.對這樣小的信號進行檢測處理，要想獲得較為理想的效果，放大電路是重中之重.為了提高系統(tǒng)的精度，必須將系統(tǒng)中存在的噪聲濾除.圖4所示為超聲波接收電路的整體硬件框圖，采用三級濾波放大.

圖4 超聲波接收電路硬件框圖Fig.4 The block diagram of ultrasonic receiver circuit hardware

接收模塊的第一部分為高通濾波放大.選用 OPA2350 運算放大器，這種運放是高速單電源滿幅度運放，帶寬很寬，可達為38MHz.輸入阻抗達 1013，適于匹配.放大 40dB.第二級為可控增益放大電路，由于采用多聲道測量，每個聲道都單獨自成一體.為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的精確測量，必須根據(jù)接收信號的強度對每一路信號進行智能可控調(diào)節(jié).經(jīng)過多次實測，最后獲得適合于某一特定區(qū)域的閾值電壓與增益倍數(shù).選用 AD603.第三部分與第一部分所選芯片相同，但是設(shè)計中電路采用帶通濾波放大.三級放大電路設(shè)計如圖5所示.

(a)第一級放大電路 (b)第二級放大電路 (c)第三級放大電路圖5 超聲波接收電路Fig.5 Ultrasonic receiving circuit

2.2 時間測量模塊的硬件設(shè)計

采用 TDC-GP2 的測量范圍 2 來測量超聲波傳播時間.在這種模式下，TDC 的高速單元并不測量整個時間間隔，僅僅測量從 Start 信號上升沿到下一個基準時鐘上升沿和 Stop 信號上升沿到下一個基準時鐘上升沿的時間間隔(fine-counts)，而在兩次精密測量之間，TDC 記下基準時鐘(Tref)的周期數(shù) (coarse-count).時間測量電路如圖6所示.

圖6 時間測量電路Fig.6 Time measurement circuit

2.3 無線傳輸模塊的總體硬件設(shè)計

傳統(tǒng)測量收發(fā)兩端通過布線達到通訊的目的，實用性較差，限制了明渠的寬度.針對這一問題，在收發(fā)端采用無線模塊采用C51RF-CC2520開發(fā)板.開發(fā)板集成了射頻發(fā)送、接收，數(shù)據(jù)存儲等功能，實測直徑50m對發(fā)對收信號穩(wěn)定.射頻芯片采用CC2430. 不僅可以實現(xiàn)收發(fā)兩端實時通信還可將測量數(shù)據(jù)及時傳輸給上位機.原理圖如圖7所示.

圖7 無線傳輸硬件原理圖Fig.7 The schematic digram of wireless transmission hardware

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)測量過程的實現(xiàn)：首先主機中央處理器下達運行指令，無線傳輸模塊將指令同時發(fā)送到超聲發(fā)射與超聲接收模塊.完成接收、測差、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?超聲接收模塊將接收時間返回處理器，處理器經(jīng)過計算考慮無線傳輸帶來的時間遲滯，獲得超聲波在水流中的傳播時間，完成硬件部分的測量功能，中央處理器通過算法計算獲得流量，第二次測量，收發(fā)位置反轉(zhuǎn)，流程相同.具體的流程圖如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Flow chart of the system program

4 結(jié)束語

本文利用高性價比、低功耗ARM 11處理器，結(jié)合自行設(shè)計的收發(fā)硬件模塊，實現(xiàn)了多聲道流速數(shù)字化采樣計算，并轉(zhuǎn)換為流量.通過無線傳輸模塊實現(xiàn)了收發(fā)聯(lián)動與上位機傳輸.設(shè)計中的不足有：流速斷面仍需人工給出，沒有實現(xiàn)水速與水位的多點實時測量.無線傳輸自身存在的發(fā)送數(shù)據(jù)丟失以及發(fā)送過程時間延遲的不固定對后期數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生影響.要解決這些問題還需開展更加深入的研究.

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