王衛(wèi)兵 孫鐵波

(江蘇食品職業(yè)技術學院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

當前，因洪水等自然災害所引發(fā)的突發(fā)事故危害巨大［1］。因此，對水位進行遠程動態(tài)監(jiān)控，為工程和相關地區(qū)防洪工程提供安全保障顯得尤為重要?，F(xiàn)階段我國主要使用浮子式自動水位計和非接觸式氣介水位計，采用測井法測量水位［2］。這就存在自動化程度低以及由于江河泥沙的淤積，影響水位檢測精度這兩方面的缺陷。

借鑒國外先進技術，提出了一種采用FWD-F系列磁致伸縮液位傳感器與TMS320F2812單片機系統(tǒng)配合設計的水位遠程連續(xù)報測系統(tǒng)［3］。磁致伸縮傳感器可直接置于水中，在傳感器周圍裝有穩(wěn)流裝置［4］，無需標注高度;采集的水位數(shù)據通過GPRS通信傳送至信息主站，實現(xiàn)水位信息遠程自動監(jiān)測，提高了水位報測速度和精度。

1 系統(tǒng)工作原理

水位遠程報測系統(tǒng)主要由磁致伸縮液位傳感器、運算放大器、TMS320F2812單片機、穩(wěn)壓電源和GPRS模塊等組成［5］。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle of the system

將磁致伸縮液位傳感器置于水中，利用傳感器內兩個不同的磁聲相交，使其波導管發(fā)生波導扭曲，產生一個超聲波信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，從而換算出準確的水位高度信號［6］。輸出的電壓信號經運算放大器LM324直接送至TMS320F2812單片機，使用單片機內部的A/D轉換完成信號采集處理后，輸出編碼信號，由異步串行通信接口送至GPRS模塊進行通信。PC機能實時地顯示各測量點的水位情況。

2 硬件設計

2.1 磁致伸縮液位傳感器

磁致伸縮線性液位傳感器主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)(浮球)組成，測桿內裝有磁致伸縮線(波導絲)。工作時，由電子倉內的電子電路產生起始脈沖。此起始脈沖在波導絲中傳輸?shù)耐瑫r產生了沿波導絲方向前進的旋轉磁場。當這個磁場與磁環(huán)(浮球)中的永久磁場相遇時，波導絲發(fā)生扭動，產生扭動脈沖［7］。扭動脈沖被安裝在電子倉內的拾能機構所感知，并轉換成相應的電流脈沖，電流脈沖經積分后得到一個工業(yè)標準電壓信號，傳給TMS320F2812單片機。通過計算發(fā)送激勵脈沖的時間和接收到回波的時間，可計算出時間差ΔT，再根據超聲波的傳播速度v，可計算出檢出頭與液面之間的距離L0=v×ΔT，而測桿的總長度L1已知，則可得出水位L為:

2.2 運算放大電路

信號放大采用集成LM324N帶寬補償電路，如圖2所示。

圖2 運算放大電路Fig.2 Circuit of the operation amplifier

該電路為正比例放大電路，雙電源供電，交流耦合輸入、輸出放大倍數(shù)為G=1+Rf/R2。圖2中，C2、C4為電源濾波電容;C1、C3起到信號輸入、輸出的交流耦合作用;R1維持運算放大器同向、反向差分輸入級的對稱性;Rf、R2為反饋網絡電阻;C5為補償電容，帶寬補償主要通過調整電容C5的取值來實現(xiàn)。

在非理想運算放大電路的數(shù)學模型基礎上，推導出補償電容C5的理論計算公式為:

式中:ω0為低頻主極點對應的轉折頻率;K0為開環(huán)增益;Rf、R2為反饋網絡電阻值;ωb為需要補償?shù)膸?，從而可以在保持系統(tǒng)原有增益不變的情況下，擴展其頻帶，提高運放的時域響應速度。

2.3 單片機部分

系統(tǒng)采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812為核心，主要完成數(shù)據采集、處理及控制系統(tǒng)的工作，協(xié)調異步串口SCI向信息主站發(fā)送信息。使用單片機內部A/D完成信號采集。與外擴A/D相比，這能明顯降低產品成本，減少芯片數(shù)量，對降低功耗、提高可靠性也有好處［8］。上傳數(shù)據時需要附加時間信息，還要外擴帶SPI接口的時鐘芯片DS1305。同時，為保證斷電時信息不丟失，還需要外擴EEPROM芯片。

2.4 GPRS 傳輸

2.4.1 GPRS 的選擇

通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)是建立在GSM網絡上，為用戶提供高速分組交換數(shù)據的新網絡業(yè)務，采用中國移動的虛擬專用網絡(virtual private network，VPN)。網絡中的每個GPRS模塊需要安裝一張SM卡，每張SM卡綁定中國移動分配的一個IP地址，并且擁有獨立上網的接入點(access point name，APN)。所有數(shù)據都是在VPN專網中傳輸，安全性得到充分保證［9］。西門子公司的MC55模塊是目前最小的三頻GSM/GPRS模塊，具有很高的可靠性和易用性，很適合在移動終端中作無線通信模塊。

2.4.2 MC55 單元電路

MC55單元完成無線上網數(shù)據傳輸功能。一方面通過RS-232接口與信息采集處理主控電路TMS320F2812連接;另一方面撥號登錄至GPRS網絡，實現(xiàn)數(shù)據采集終端和GPRS無線網絡的互聯(lián)。硬件電路如圖3所示。

圖3 MC55硬件電路Fig.3 MC55 hardware circuit

主控電路通過RS-232選擇時鐘信號。當無信號或沒有插入SM卡時，SYNC引腳輸出脈寬為600 ms、占空為1∶1的時鐘信號，LED均勻閃爍;當?shù)卿浀紾PRS網絡時，SYNC引腳輸出高電平脈寬為75 ms、低電平脈寬為3 s的時鐘信號，LED長滅短亮。

MC55提供的SM卡接口可直接驅動SM卡座。當SM卡座中插入卡時，CCN引腳輸出高電平，MC55工作;撥出SM卡時，CCN輸出低電平，MC55關閉。

主控電路的通用I/O口G1引腳與MC55引腳VDD連接，實現(xiàn)掉電異常檢測。模塊開機時，VDD輸出高電平，關機時，VDD輸出低電平。因此，系統(tǒng)通過監(jiān)測VDD引腳電平判斷模塊是否掉電。模塊掉電時要重新啟動，同時MC55模塊的內核需由IGT引腳以預定的時序激活，才能進入正常工作狀態(tài)。MCSS模塊啟動時序如圖4所示。

圖4 啟動時序圖Fig.4 Diagram of sequencing startup

3 GPRS通信數(shù)據的處理

GPRS的數(shù)據傳輸模式和命令模式均是通過AT命令來實現(xiàn)的，通過標準RS-232串口和外部控制器進行數(shù)據通信［10］，通過軟件置位完成對MC55的操作，即GPRS連接服務的建立和相關的數(shù)據傳輸。GPRS的數(shù)據傳輸流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據傳輸流程圖Fig.5 Flowchart of data transmission

圖5中，MC55的通信方式和任何通信相關的參數(shù)均利用AT命令通過串口本地更改設置。本設計將MC55模塊上線設置的AT命令放入二維數(shù)組modim command中。

其中，Socket通信主要完成終端歷史數(shù)據、實時水位信息和控制中心命令的傳輸?shù)取?/p>

4 系統(tǒng)主要功能

本設計在淮河水利工程中進行了GPRS組網運行試驗。經安裝和調試，系統(tǒng)運行正常，通信傳輸良好。

4.1 實時監(jiān)控功能

系統(tǒng)可動態(tài)地從數(shù)據庫中獲取數(shù)據，實時顯示各監(jiān)測點的水情，主要包括水位、雨量監(jiān)測數(shù)據實時變化。其中，數(shù)據后綴的紅燈表示警戒狀態(tài)、綠色表示正常狀態(tài)，報警上下限可以在功能區(qū)進行修改。狀態(tài)欄顯示時間和接收狀態(tài)，顯示燈呈綠色表示接收水情數(shù)據正常，紅色則表示異常。

4.2 數(shù)據查詢功能

水位雨量曲線可以根據時間和監(jiān)測點名稱進行數(shù)據查詢。點擊任何一個監(jiān)測點上的實時曲線繪制按鈕，即可實時顯示水位、雨量曲線信號，同時自動繪制雨量、水位曲線圖形，如圖6所示。

圖6 水位雨量曲線Fig.6 Curves of the water level and rainfall

5 結束語

利用磁致伸縮液位傳感器與TMS320 F2812單片機配合設計的水位數(shù)據采集，通過GPRS無線傳輸技術實現(xiàn)了遠程水位信息監(jiān)測，可在無人職守的情況下自動地通過GPRS網絡向控制中心發(fā)送水情信息。整套系統(tǒng)可靠性高，數(shù)據實時性好，具有很好的應用前景。

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