惠延波 李永超 王 莉 牛群峰

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的無(wú)線超聲流量計(jì)設(shè)計(jì)

惠延波 李永超 王 莉 牛群峰

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

針對(duì)復(fù)雜工礦環(huán)境和高度自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境對(duì)無(wú)線流量計(jì)的需求，對(duì)超聲波測(cè)流量的原理及實(shí)現(xiàn)方法和藍(lán)牙低功耗技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種高精度的無(wú)線超聲流量計(jì)。系統(tǒng)以TI的DSP芯片TSM320F28027為核心，采用高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22測(cè)量超聲波傳播的時(shí)差，采用TI的CC2540作為藍(lán)牙通信芯片。針對(duì)流量測(cè)量過(guò)程會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)差數(shù)據(jù)，提出了一種基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)處理算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該流量計(jì)具有高精度流量計(jì)量，遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線傳輸及無(wú)線組網(wǎng)等功能。

超聲流量計(jì) 時(shí)差法 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換 藍(lán)牙 低功耗 DSP

0 引言

流量計(jì)量在工業(yè)生產(chǎn)、石油輸送、城市供水等領(lǐng)域有著重要作用，流量計(jì)量的精度對(duì)生產(chǎn)效率的提高以及節(jié)能起著至關(guān)重要的作用。超聲波流量計(jì)憑借非接觸、無(wú)腐蝕、精度高等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)4.0及智慧城市的提出，智慧節(jié)點(diǎn)也成為儀器儀表發(fā)展的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的流量計(jì)一般配備RS-232、RS-485接口，無(wú)法融入智能控制網(wǎng)絡(luò)，具有無(wú)線傳輸能力的流量計(jì)已經(jīng)成為一種迫切的需求。本文設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間精確測(cè)量技術(shù)和低功耗藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線超聲波流量計(jì)。該流量計(jì)在應(yīng)用高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)處理算法，可以有效地提高流量計(jì)量精度。流量計(jì)增加藍(lán)牙通信模塊可以減少數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作量[1]，避免危險(xiǎn)環(huán)境造成的人身傷害[2]；還可以作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，方便流量監(jiān)控和管理。

1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)原理有時(shí)差法、多普勒法、波束偏移法等，其中時(shí)差法在超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用最為廣泛。時(shí)差法超聲波流量計(jì)是利用液體流動(dòng)對(duì)超聲波傳輸?shù)挠绊憗?lái)計(jì)算流量的[3]。超聲波流量計(jì)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 超聲波流量計(jì)示意圖

在A、B之間順流和逆流的飛行時(shí)間不同，隨著流速v變化，設(shè)順流飛行時(shí)間為t1，逆流飛行時(shí)間為t2，電路傳輸延遲為t0，則由如下關(guān)系式可以換算出流體的流速v。超聲波順流飛行時(shí)間t1為:

(1)

超聲波逆流飛行時(shí)間t2為:

(2)

超聲波順、逆流飛行時(shí)差Δt為：

(3)

式中：L為超聲波探頭之間的直線距離；D為管道內(nèi)徑；c為超聲波在靜態(tài)流體介質(zhì)中的傳播速度；θ為超聲波探頭飛行路線和流體流動(dòng)方向的夾角。

由于c2>>v2θ2，因此可以將v2θ2忽略[4]，得到流速v的計(jì)算公式：

(4)

由流速v可以得到瞬時(shí)流量值Q:

(5)

式中：k為修正因子，其與管道流速不均勻分布有關(guān)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線超聲流量計(jì)系統(tǒng)采用最新的藍(lán)牙4.0技術(shù)，每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)連接多個(gè)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)分為流量計(jì)、藍(lán)牙基站、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、服務(wù)器四層。臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦和支持低功耗藍(lán)牙的手持設(shè)備是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層，可以直接讀取超聲流量計(jì)數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，也可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

圖2 無(wú)線超聲波流量計(jì)網(wǎng)絡(luò)

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)線超聲波流量計(jì)整體系統(tǒng)框圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由主控制器、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、輸入模塊、藍(lán)牙模塊、時(shí)差測(cè)量模塊六部分組成。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2.1 主控制器

主控制器采用TI的TMS320F28027，它具有32位DSP內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)60 MHz。TMS320F28027具有豐富的外設(shè)和豐富的外部總線接口，如UART、SPI、I2C外部通信接口。顯示模塊和時(shí)差測(cè)量模塊采用SPI通信方式，藍(lán)牙模塊采用UART通信方式，存儲(chǔ)模塊采用I2C通信方式。TMS320F28027具有IDLE、STANDBY、HALT等多種低功耗模式，適合流量計(jì)開發(fā)。

2.2.2 時(shí)差測(cè)量模塊

時(shí)差測(cè)量模塊的核心是德國(guó)ACAM公司的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22。GP22是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的時(shí)間延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量[5]。GP22測(cè)量時(shí)間間隔精度高達(dá)22 ps。GP22具有窗口延遲功能，可以設(shè)置從超聲波發(fā)射到接收超聲波回波之間的延遲時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)STOP引腳不接收外部信號(hào)。利用窗口延遲可以消除超聲波發(fā)射電路對(duì)接收電路的干擾及外部信號(hào)的干擾[6]。在GP22初始化過(guò)程中，要啟用窗口延遲功能，在時(shí)差測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)管徑的變化自適應(yīng)地調(diào)整窗口延遲時(shí)間。

2.2.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊采用最新的藍(lán)牙低功耗技術(shù)(bluetooth low energy，BLE)。藍(lán)牙低功耗技術(shù)是藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的一部分，與傳統(tǒng)的藍(lán)牙2.0、3.0以及藍(lán)牙4.0中的傳統(tǒng)藍(lán)牙部分相比，BLE技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等特點(diǎn)。CC2540是TI公司BLE芯片，它集成了工業(yè)級(jí)的8051內(nèi)核和RF收發(fā)電路，發(fā)射功耗為24 mA，接收功耗為19.6 mA，最大傳輸距離可達(dá)100 m[7]。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊使用的是無(wú)背光OLED顯示屏，并采用了SSD1306控制器。和LCD、TFT顯示屏相比，OLED功耗更低、顯示效果更好，且無(wú)需考慮對(duì)比度問(wèn)題。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括時(shí)差測(cè)量模塊和藍(lán)牙通信模塊。時(shí)差模塊和藍(lán)牙模塊與主控制器連接如圖4所示。

圖4 主要硬件電路圖

時(shí)差測(cè)量模塊包括TDC-GP22最小系統(tǒng)、溫度傳感器、濾波電路和超聲波換能器四部分。GP22內(nèi)部集成了超聲波驅(qū)動(dòng)單元，可以直接將超聲波換能器接在脈沖輸出端和STOP信號(hào)接收端。為了抑制外部干擾，在電路中加入了高通濾波電路。當(dāng)觸發(fā)上游換能器時(shí)，STOP1接地，STOP2接收回波；同理，當(dāng)觸發(fā)下游超聲波換能器時(shí)，STOP2接地，STOP1接收回波。系統(tǒng)需要兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)是4 MHz的時(shí)鐘，另一個(gè)是32 kHz的時(shí)鐘，32 kHz的時(shí)鐘用來(lái)校準(zhǔn)高速時(shí)鐘，4 MHz的時(shí)鐘用來(lái)提供時(shí)間測(cè)量時(shí)基。時(shí)差測(cè)量模塊和主控制器之間通過(guò)四線制SPI方式連接，主控制器通過(guò)該接口可以完成對(duì)GP22的初始化以及測(cè)量結(jié)果讀取。

藍(lán)牙模塊主要包括CC2540最小系統(tǒng)、巴倫匹配電路和天線三部分。藍(lán)牙模塊有兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)是32 kHz的低速時(shí)鐘，一個(gè)是32 MHz的高速時(shí)鐘。當(dāng)系統(tǒng)工作在低功耗模式時(shí)，使用32 kHz時(shí)鐘；當(dāng)系統(tǒng)工作在正常收發(fā)模式時(shí)，使用32 MHz時(shí)鐘。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主控制器程序設(shè)計(jì)和藍(lán)牙模塊程序設(shè)計(jì)兩部分。主控制器程序主要完成流量的測(cè)量，藍(lán)牙模塊程序主要完成流量的傳輸。

4.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、定時(shí)器中斷程序、UART中斷程序、數(shù)據(jù)處理子程序。

4.1.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序完成外設(shè)參數(shù)的配置以及OLED、GP22的初始化，并設(shè)定時(shí)間和日期。完成初始化后主控制器進(jìn)入低功耗模式[8]。GP22初始化主要包括打開模擬測(cè)量、自動(dòng)校準(zhǔn)、選擇時(shí)鐘工作方式、啟動(dòng)窗口延遲等。

4.1.2 定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)

兩次時(shí)差測(cè)量的時(shí)間間隔由定時(shí)器設(shè)定，設(shè)置為20 ms。每次獲取時(shí)差后更新當(dāng)前時(shí)間，每完成15次時(shí)差測(cè)量，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序。

4.1.3 UART中斷程序設(shè)計(jì)

主控制器通過(guò)UART和CC2540進(jìn)行通信，當(dāng)有藍(lán)牙設(shè)備連接時(shí)，CC2540充當(dāng)數(shù)據(jù)中繼器的角色，將數(shù)據(jù)在流量計(jì)和外部藍(lán)牙設(shè)備之間傳遞。UART中斷程序的工作是判斷CC2540發(fā)送的數(shù)據(jù)類型[9]。接收到的數(shù)據(jù)分為三類，第一類是請(qǐng)求主控制器發(fā)送當(dāng)前流量數(shù)據(jù)，第二類是請(qǐng)求修改當(dāng)前流量參數(shù)，第三類是誤操作。如果接收到發(fā)送流量數(shù)據(jù)請(qǐng)求，則主控制器通過(guò)UART將瞬時(shí)流量和累計(jì)流量數(shù)據(jù)發(fā)送給外部藍(lán)牙設(shè)備；如果發(fā)送的是修正流量參數(shù)的請(qǐng)求，則主控制器修改接收到的值；如果是誤操作，則立即退出。4.1.4 數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計(jì)

最終流量數(shù)據(jù)在時(shí)差測(cè)量的基礎(chǔ)上計(jì)算得到。時(shí)差測(cè)量過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，因此要采用軟件算法剔除錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。流量變化是連續(xù)的，短時(shí)間內(nèi)時(shí)差數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生大的變化，因此，在時(shí)差數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可采用拉依達(dá)準(zhǔn)則將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)剔除。

算法實(shí)現(xiàn)是將每15次的測(cè)量數(shù)據(jù)分為一組，如果存在粗大誤差，則將其濾出。隨機(jī)取出連續(xù)測(cè)得的15次時(shí)差數(shù)據(jù)t1～t15，如表1所示。

表1 時(shí)差數(shù)據(jù)

計(jì)算出15次時(shí)差數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值為0.048 3，根據(jù)貝塞爾公式，求出標(biāo)準(zhǔn)差:

(6)

如果|Δti|>3，就認(rèn)為ti為異常值，將其剔除。該組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 92，則根據(jù)準(zhǔn)則判斷數(shù)據(jù)中是否存在異常值。如0.045 1對(duì)應(yīng)的偏差0.003 2>3σ，故將其剔除。剔除異常值后，計(jì)算時(shí)差的平均值，作為該段時(shí)間內(nèi)的時(shí)差。

4.2 藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)

在流量計(jì)中，藍(lán)牙模塊工作在從模式下，不能主動(dòng)和主設(shè)備進(jìn)行連接，只能間歇性地廣播并等待主設(shè)備發(fā)出連接請(qǐng)求。與傳統(tǒng)的藍(lán)牙相比，CC2540廣播只使用了三個(gè)通道，通道號(hào)是37、38、39，比傳統(tǒng)的全通道廣播功耗更低[10]。按照藍(lán)牙的工作原理，將CC2540的程序分為兩個(gè)狀態(tài)，第一個(gè)狀態(tài)是待連接狀態(tài)，第二個(gè)狀態(tài)是連接狀態(tài)。待連接狀態(tài)主要工作包括廣播以及連接請(qǐng)求的確認(rèn)。當(dāng)收到主設(shè)備發(fā)出的連接請(qǐng)求時(shí)，從設(shè)備要進(jìn)行身份驗(yàn)證，主設(shè)備要輸入驗(yàn)證密碼；如果驗(yàn)證密碼正確，則兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行連接。連接狀態(tài)下，藍(lán)牙設(shè)備作為流量計(jì)與外部設(shè)備通信的接口，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，CC2540處于睡眠模式，當(dāng)收到主設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)或主控制器通過(guò)UART發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)被喚醒，并對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果收到主控制器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給藍(lán)牙主設(shè)備；如果收到來(lái)自藍(lán)牙主設(shè)備的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)UART總線發(fā)送給主控制器。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中超聲波頻率為1MHz，安裝傾角為45°，管道直徑為80mm，當(dāng)流量在0～20m3/s時(shí)，流量測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)比結(jié)果如表2所示。經(jīng)計(jì)算其精度在±2%之內(nèi)，可以滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合的需求。通過(guò)手機(jī)客戶端可以修改流量計(jì)算公式中的修正因子。通過(guò)藍(lán)牙將修正因子發(fā)送給流量計(jì)，主控制器將對(duì)流量計(jì)算公式進(jìn)行修正。

表2 測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片GP22和超低功耗的藍(lán)牙4.0芯片CC2540的無(wú)線超聲波流量計(jì)。無(wú)線超聲流量計(jì)采用硬件濾波和軟件數(shù)據(jù)處理算法提高計(jì)量精度，采用藍(lán)牙低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。該流量計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)本地高精度流量計(jì)量，還可以實(shí)現(xiàn)流量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，適用于多種流體介質(zhì)及條件惡劣的工礦環(huán)境。

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Design of the Wireless Ultrasonic Flowmeter Based on Bluetooth Low Power Consumption Technology

In according with the demands for wireless flowmeters that can be operated under complex industrial and mining environment, and highly automated production environment, the principle and implementing method of ultrasonic flowmeter and bluetooth low power consumption technology are researched, and the highly accurate wireless ultrasonic flowmeter is designed. The system is composed of the DSP chip TSM320F28927 from TI as the core, and using high precision time to digital conversion chip TDC-GP22 for measuring time difference of propagation time of ultrasonic wave, and CC2540 from TI as the bluetooth communication chip. To against the errors of time difference data appear in flow measurement process, the data processing algorithm based on Pauta criterion is proposed. The result of experiments indicates that this flowmeter possesses functions of highly accurate flow measurement, long distance and low power consumption wireless transmission and wireless networking, etc.

Ultrasonic flowmeter Time difference method Time to digital conversion Bluetooth Low power consumption DSP

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAF12B13)。

惠延波(1964-)， 男，1997年畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事制造業(yè)信息化和糧油食品檢測(cè)方面的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510011

修改稿收到日期：2015-06-08。