[导读] 针对宁夏回族自治区水利信息化建设的需求，提出利用现有的GPRS网络建立水利数据采集及远程实时监控系统的方案。通过将数据系统与Internet相连，达到对宁夏水资源信息化管理的目的，并提出一种采用时差法测量原理、基于GPRS的超声波明渠流量计的设计方案，给出了流量计的硬件结构和具体设计方案，并对GPRS数据传输终端进行了研究和设计。
我国属于水资源短缺国家，而在地处西北地区的宁夏回族自治区，该问题尤为突出。这就迫切需要更加合理的利用水资源，而合理利用水资源的一个重要的前提就是要对宁夏的水资源有一个系统的信息化管理.实现宁夏水利信息化，其关键技术在于水利信息的准确采集和信息的有效传输。长期以来，我区水利信息化建设投入不足，水利信息基础设施薄弱，水利信息采集和传输手段较为落后，至今尚未建成覆盖全区水利系统的信息网络，在涉及国计民生的防洪抗旱、水资源管理、水质监测、水土保持等重要领域还没有形成全区范围的应用系统。
GPRS是通用分组无线业务（GeneralPACketRadioService）的英文简称，本课题组提出利用现有的GPRS网建立水利数据采集及远程实时监控系统，通过将数据系统与Internet相连，达到我区水资源信息化管理的目的.研究项目涉及数据采集及其传输的理论、传感器和通信领域GPRS的技术、数据库的建设和管理以及Internet等一系列较先进的实用技术.本文研究的重点在于前端的数据采集和信息传输，并提出了一种基于GPRS的超声波明渠流量计的设计方案。
1 时间锁定环路（TLL）的结构
本课题研究的超声波流量计是采用时差法测量原理[1]而设计的，其核心思想是时间锁定环路（TLL）的结构，如图1所示。
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由图1所示，在TLL环路中设立一个锁相环（PLL），一个计数器进行时间检测，通过开关来切换顺流和逆流方向。图1中START80KHZ、START1和START2均为测量启动控制信号；SIN为接收到的频率信号。当切换到顺流方向时，系统开始对锁相环输出频率进行N分频，分频后的第1个脉冲用来产生顺流方向的发射启动信号，触发发射电路工作产生超声脉冲串。第2个脉冲经过延时τd后送往计数器，声波从发射到接收的时间是t1+τ，经过延时回路的时间信号为N/F1+τd。其中：F1为VCO的振荡频率，Hz；τd为延迟时间，s.如果τd=τ，被检测时间差是N/F1-t1，将时间差信号送入积分器将之转换为电压信号，用此电压信号来控制VCO，可以调节VCO的振荡频率，直至检测到时间差信号为0，即N/F1-t1=0，这样可以得到顺流时的振荡频率F1。同理可得，逆流时振荡频率F2。当顺流方向和逆流方向都处于稳定工作状态时，下式成立：
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即
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其中：c为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；υ为水的流速，单位为m/s；D为明渠的宽度；θ为超声波传播方向与水流方向的夹角。由此可得：
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则：
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随着不断地切换转换开关，顺流方向和逆流方向交替地进行采样，不断地校准压控振荡器的频率，将其进行差频计算，就可以得到与流速υ成正比的差频信号ΔF。由于整个系统工作处于闭环状态，因此系统的响应快，实时性好，精度高。
2 超声波明渠流量计的硬件设计
整个系统由主板部分和探头部分组成。在主板中，系统的核心部分由EZ-USB单片机芯片和CPLD（复杂可编程逻辑器件）芯片EMP240加锁相环电路构成，同时连接外围的电源管理、键盘、LCD、GPRS数据传输终端等模块.在探头部分，主要由探头发射驱动电路、超声波接收电路（它们共同构成超声波换能器电路）和超声波传感器（压电陶瓷）等构成。该系统硬件的结构框图如图2所示，下面分别介绍各个模块的功能与设计方案。
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图2 超声波流量计结构框图
2.1 用CPLD和锁相环实现时间锁定环路功能
如前所述，该设计的核心思想是时间锁定环路（TLL）的结构，它由一片CPLD芯片EMP240和锁相环芯片CD4046共同构成。
在该设计中，CPLD芯片完成了以下功能：首先是T/R控制功能，包括T/R的方向控制和脉冲串的发射控制；其次是实现了顺流和逆流的切换控制功能；第3是完成了时间测量功能，即接收时间计数功能；第4是实现了频率测量功能。为实现以上功能，选择ALTERA公司的CPLD芯片EMP240。该芯片属于MAXII系列新一代CPLD器件，0.18μmfalsh工艺，采用FPGA结构，配置芯片集成在内部，和普通CPLD一样上电即可工作.容量比上一代大大增加，逻辑单元（LE）为240个，等效宏单元192个，最大用户IO为80个，管脚间延时3.6～4.5ns，内部集成一片8kB串行EEPROM。因此，该芯片完全可以满足该设计的需求。
锁相环CD4046[2]是一种通用的CMOS数字锁相环，最高工作频率约1MHz。电源电压范围宽（为3～18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗极低，在中心频率f0=10kHz下，功耗仅为600μW，属微功耗器件。由于该设计中采用的超声波频率为80kHz，所以锁相环的中心频率设置在80kHz左右。
2.2 EZ-USBAN2131QC单片机及其相关电路
该系统的微处理器采用CYPRESS公司的EZ-USB单片机芯片AN2131QC[3]，以配备容量为8kB的I2C串行EEPROM24C64作为Boot存储器，同时外接容量为32kB的数据存储器SRAM62256，缓存采集到流量数据及相关信息。
AN2131QC芯片包括一个加强的8051内核、一个智能USB串行接口引擎（SIE）、一个USB收发器以及容量为8kB的存放程序和数据的RAM存储器。USB串行接口引擎和USB收发器共同构成USB内核。其中，SIE对串行数据进行编码和译码，并执行错误更正、位填充以及其他一些USB需要的信号级操作，最后发送数据字节到USB端口或从USB端口接收数据字节；集成的USB收发器通过D＋和D－两管脚与USB总线相连。
EZ－USB单片机具有一种独特的优点，即可以通过下载固件和重枚举的方式动态的改变设备特性[4]。该特性使得开发者在PC机设计或修改好固件后，直接下载到EZ－USB，无需编程器，并且可以允许无限的升级和配置，从而非常简单地改变USB设备的功能。这使得EZ－USB单片机非常适合作为该超声波流量计的主控制器，满足了系统中比较复杂的数据传输和处理要求，连接丰富的外围设备。同时，采用USB接口使得流量计可以很方便地与PC机进行数据交换，便于今后更多功能的扩展，如文件传输功能的扩展。
2.3 超声波换能器电路设计
2.3.1 超声波发射换能器驱动电路设计
驱动部分负责对CPLD输出的触发信号进行功率放大，并用放大后的信号去驱动超声波传感器发出超声波。超声波传感器的振子将接收到的声信号重新转化成微弱的电信号，接收电路负责对这个信号进行限幅、放大，并用电压比较器进行比较，将处理后输出的信号输入CPLD进行后续处理。在驱动电路的设计上，首先将CPLD输出的驱动信号提升至15V左右，然后，采用推挽方式驱动大功率MOSFET开关管IRF540N以超声波的频率进行高速开闭，控制升压变压器，使24V的输入电压升至200～400V，从而驱动传感器发射出超声波。
2.3.2 超声波接收电路设计
在接收电路的设计上，首先对回波信号进行滤波和限幅，然后使用一片优质的音频放大器芯片NE5532进行2级放大，将10～50mV的微弱信号放大至5V，得到需要的输出。回波信号被放大之后，仍然是一个模拟的信号，不能直接输入CPLD进行处理，为此还必须进行进一步的信号处理。将其输入电压比较器和预定的门槛电压进行比较，得到对应的数字信号，才能将这个信号输入CPLD进行处理。
2.4 外围接口电路和电源设计
该流量计的外围设备主要是一块LCD显示屏和一个4×4的小键盘。LCD选择16字符×2行的字符型液晶显示模块，用来显示流量计的工作状态和信息。4×4键盘主要完成系统的参数设定、功能控制以及状态切换等任务。它与显示单元联系在一起，共同实现了流量计的人机交互功能。
整个流量计的供电电源采取2种方式产生：一是直接从PC机的USB接口获取＋5V电源，其电流最大可达500mA，该方式主要用于系统的调试阶段；二是外接直流电源至电路板，经三端稳压器7805后产生稳定的＋5V电源，该方式可用于系统独立工作时的电源。为了保证系统在野外环境下正常稳定工作，采用太阳能电池作为后备电源。
3 超声波明渠流量计的软件设计
该系统软件设计包括3方面的内容：EZ－USB单片机的固件（firmware）设计[4]、PC机驱动程序设计[4-5]及CPLD的软件设计。前2方面的设计可参考相关文献，CPLD的软件划分为传感器信号切换和N分频电路模块、时间测量电路模块、频率测量电路模块等3个模块。采用ALTERA公司推出的第3代PLD开发系统MAX+PLUSII软件进行开发，用硬件描述语言VHDL实现，本文不作赘述。
4 GPRS无线数据传输终端设计方案
GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统（BSS）从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。
该设计中GPRS无线数据传输终端（简称DTU）设计的原理框图如图3所示。该系统主要包括以下几个部分：16位RDCR1122低功耗嵌入式微处理器，Siemens公司高性能工业级GPRS模块MC39I，256kBSram&512kBFlash.RS232/485/TTL收发器模块用来连接流量计主机，对采集到的流量数据进行分析和处理.该DTU采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌TCP/IP协议栈，从而为用户提供高速可靠的虚拟专用网络，能够支持语音、短信、数据触发上线以及超时自动断线的功能，同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。
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图3 GPRS DTU原理框图
5 结语
超声波明渠流量计以其独特的优点在工业界得到了广泛的应用。本文在深入研究超声波明渠流量计工作原理的基础上，提出一种基于GPRS的超声波明渠流量计的设计方案。其中，可编程器件的使用使得该系统结构紧凑，功耗降低，提高了可靠性，同时利用GPRS技术实现数据的远程传输，为我区水资源的合理利用、防洪抗旱等一系列水利措施提供科学依据。
参考文献：
[1]孙长柏.时差法超声波渠道流量计[J].仪表技术与传感器，1995，136（2）：24-27.
[2]宋吉江，牛轶霞.锁相环技术及CD4046的结构和应用[J].半导体技术，2000（3）：61-64.
[3]颜容江.EZ-USB2100系列单片机原理、编程及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：15-30，60-89.
[4]车进，杨泽林，孙学宏.基于局域网的IP电话终端系统[J].宁夏工程技术，2006，5（3）：265-267.
[5]张克非.Windows环境下的USB设备驱动程序设计[J].计算机与现代化，2004，107（7）：5-8