基于Modbus協(xié)議的超聲波水流量計的設(shè)計

劉暢，劉建昌，李躍忠，2，羅先喜，2

（1.東華理工大學機械與電子工程學院，江西南昌，330013；2.江西新能源工藝與工程技術(shù)研究中心，江西南昌，330013）

關(guān)鍵字：超聲波流量計；Modbus協(xié)議；TDC-GP22；信號處理電路

0 引言

超聲波流量計相比于傳統(tǒng)的流量計具有測量精度高、可靠性高、集成度高等特點，在水流量檢測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。超聲波水流量計的遠程抄表傳輸數(shù)據(jù)方式較多，在通信協(xié)議上沒有統(tǒng)一的標準[3]。為了實現(xiàn)抄表方式的規(guī)范化，本文設(shè)計了一種基于Modbus協(xié)議的超聲波水流量計，可以實現(xiàn)對流量的測量以及數(shù)據(jù)遠距離傳輸。

1 時差法測量原理

當有流體在管道內(nèi)以一定的速度流動時，由于超聲波在順逆流方向的傳播速度不同，可知超聲波在順逆流方向的傳播時間存在差值，通過傳播時間反推可以計算出流體流速[4-5]。如圖1所示為時差法原理示意圖。

圖1 時差法原理示意圖

如圖1所示，超聲波在順流方向的傳播時間為tab：

逆流方向的傳播時間為tba：

式中c為被測介質(zhì)中超聲波的傳播速度。管道內(nèi)的線平均流速v如下式所示：

但是線平均流速只反映了聲道所在截面的流速，直接用于求取流體流量會使測量結(jié)果有較大誤差，所以需要將線平均流速轉(zhuǎn)換為面平均流速vs。v和vs的關(guān)系如下：

式中k為流速分布的修正系數(shù)，由此得到瞬時流量Q的計算式：

式中D為管道直徑。

2 超聲波水流量計硬件設(shè)計

2.1 硬件電路整體框架

超聲波水流量計硬件主要由MSP430F5438A微處理器、高精度計時芯片TDC-GP22、信號處理電路、模擬切換開關(guān)電路、電源模塊、通訊模塊等幾部分組成，如圖2所示。MSP430F5438A具有高集成度、內(nèi)部資源豐富、低功耗等特點，并且通過其豐富的接口與TDC-GP22等其他模塊進行通訊。系統(tǒng)的工作流程簡述如下：微處理通過SPI接口控制TDC-GP22芯片產(chǎn)生1MHz脈沖激勵信號并將此信號首個脈沖的產(chǎn)生時間作為時間差計算的起點，通過模擬開關(guān)選擇換能器A發(fā)送超聲波信號；信號在管道流體中傳播并由換能器B接收，接收到的超聲波信號經(jīng)過信號處理電路的濾波、放大，產(chǎn)生測量結(jié)束信號，同時計時芯片測量出超聲波傳播的時間，由此完成順流測量。同理微處理器通過控制模擬開關(guān)切換測量方向完成逆流方向傳播時間的測量，并將測量的數(shù)據(jù)傳輸至微處理器；微處理器接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)時差法原理的相關(guān)計算公式計算出流量等。

圖2 硬件系統(tǒng)框架

2.2 時間測量電路設(shè)計

本設(shè)計中完成超聲波在流體中傳播時間差測量的核心功能模塊是TDC-GP22高精度計時芯片，該芯片具有高速脈沖發(fā)生器、接收信號使能、溫度測量和時鐘控制等功能，僅需要數(shù)量很少的電容電阻就能實現(xiàn)對超聲波傳播時間差測量，并可搭配PT1000溫度傳感器實現(xiàn)溫度的測量，TDC-GP22接口電路如圖3所示。

圖3 TDC-GP22接口電路

TDC-GP22模塊中START引腳在超聲波進行時間測量時用于接收開始信號并觸發(fā)開始時間計時，STOP引腳用于接收時間測量的結(jié)束信號，由內(nèi)部ALU計算開始信號和結(jié)束信號的時間差。在設(shè)計中采用通道一進行時間測量通道，即在FIRE_UP引腳發(fā)送激勵脈沖信號并觸發(fā)START引腳，回波信號經(jīng)過處理后進入STOP1引腳結(jié)束此次測量。

2.3 信號處理電路的設(shè)計及測試

超聲波信號在流體中傳播，會受到各種噪聲的干擾、流速變化等因素影響，從而導致信號有較大的衰減，使換能器接收到的回波信號幅值較小，因此需要對其進行放大濾波處理。本設(shè)計的放大濾波電路為六階巴特沃茲電路，具體電路如下圖4所示。

圖4 信號放大濾波電路

設(shè)計中使用的運算放大器為AD8039芯片，該運放帶寬高達350MHz，寬供電電壓3V～12V，其低功耗電流僅為1mA。通過LTspice軟件對上圖的電路進行仿真如圖5所示，可知該電路的中心頻率在1MHz左右，帶寬在400KHz左右，回波信號的頻率在帶寬之內(nèi)且增益在9dB左右，符合設(shè)計要求。

圖5 信號處理電路仿真圖

通過示波器觀察回波信號以及信號經(jīng)過信號處理電路的波形如圖6所示，圖左為未經(jīng)過信號處理的回波信號波形，可以看出其幅值在330mV左右；圖右是經(jīng)過信號處理電路的回波信號，其信號幅值在860mV。通過仿真及實際測試得出設(shè)計的信號處理電路滿足設(shè)計要求。

圖6 回波信號對比圖

2.4 RS485通訊模塊電路設(shè)計

通訊模塊為RS485通信接口模塊，采用的SP485芯片，由外部供電來提高傳輸距離，電路設(shè)計如圖7所示。微處理器將串行數(shù)據(jù)通過RS485_TXD傳輸給SP485，經(jīng)該芯片轉(zhuǎn)換為差分電平信號由A、B引腳輸出到上位機接收；接收信號時，上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)由A、B引腳經(jīng)芯片將差分信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號發(fā)送給微處理器。

圖7 通訊模塊電路

3 超聲波水流量計軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計主框架

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心部分，軟件程序設(shè)計的好壞直接影響到整個系統(tǒng)能否正常工作。整個系統(tǒng)程序如圖8所示大致劃分六個部分：流量計主程序、TDC-GP22程序、數(shù)據(jù)傳輸程序、LCD顯示程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)存儲程序。

圖8 系統(tǒng)軟件框架

3.2 Modbus協(xié)議與程序設(shè)計

Modbus是一種串行通信協(xié)議，是1979年Modicon公司為使用可編程邏輯控制器通信而發(fā)明。如今Modbus通信協(xié)議已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準，并且是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式之一。Modbus通信協(xié)議分為兩種串行通信模式，ASCII和RTU通信模式。本設(shè)計中采用RTU通信模式。基于Modbus實現(xiàn)讀取命令的數(shù)據(jù)幀如表1所示，其優(yōu)點是在相同的波特率下比ASCII方式傳輸更多的數(shù)據(jù)。

表1 發(fā)送的數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀的格式包含設(shè)備地址、功能碼、起始地址、寄存器個數(shù)和CRC校驗碼。功能碼03代表該數(shù)據(jù)幀的含義是用來讀取顯示數(shù)據(jù)。微處理器接收到指令后將響應(yīng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到上位機。響應(yīng)幀的數(shù)據(jù)格式如表2所示，返回的數(shù)據(jù)是16進制的瞬時流量，對應(yīng)為6立方米/小時。利用該方法只需要改變起始地址，就可以得到不同的返回數(shù)據(jù)，比如累計流量、壓力、溫度等。

表2 響應(yīng)的數(shù)據(jù)幀

如圖9所示的流程圖，微處理器在系統(tǒng)初始化后，調(diào)用串口接收上位機查詢指令的數(shù)據(jù)幀；確定查詢地址正確后，再確定CRC校驗是否正確；若校驗碼正確，則將對應(yīng)的數(shù)值保存在Modbus的響應(yīng)幀的數(shù)據(jù)位中返回；否則上位機收不到響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖9 Modbus指令流程

4 實驗結(jié)果與小結(jié)

超聲波水流量計軟硬件設(shè)計完成之后，在南昌工貿(mào)有限公司進行相關(guān)的實驗，圖10為流量計實驗裝置及管段。

圖10 流量計實驗裝置及管段圖

本次超聲波水流量計的實驗條件：超聲波換能器工作頻率1Mhz，兩對超聲波換能器均以45度安裝在管道內(nèi)，管徑為DN200mm。將超聲波水流量計安裝到實驗裝置的管段上，打開水泵使管段內(nèi)充滿水，保證管段內(nèi)的水處于滿管狀態(tài)。通過擰動裝置的閥門調(diào)節(jié)管段內(nèi)水流速的大小，并通過數(shù)據(jù)讀取軟件實時讀取基于Modbus協(xié)議傳輸?shù)乃矔r流速等參數(shù)，如圖11所示。

圖11 軟件讀取數(shù)據(jù)圖

如上圖所示，發(fā)送指令為01 03 00 65 00 02 D4 14，則獲取當前溫度；返回01 03 04 41 9B 33 33 CB 05，表示當前溫度為19.4攝氏度。同樣的發(fā)送當前流速指令 01 03 00 00 00 02 C4 0B，返回01 03 04 40 BA 8F 5C AA 1F表示當前流速5.83立方米/小時。

本文給出了基于Modbus協(xié)議的超聲波水流量計的設(shè)計方法，介紹了整體硬件框架及具體的模塊電路設(shè)計，以及Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計。并且進行了相關(guān)的實驗驗證了設(shè)計的可行性，滿足了設(shè)計要求。