彭 麗，劉鵬翼

（婁底水文水資源勘測(cè)中心,湖南 婁底 417000）

引 言

轉(zhuǎn)子式流速儀是我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)不可或缺的重要設(shè)備之一。轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)的采集和通訊傳輸一直是水文部門長(zhǎng)期研究的課題。轉(zhuǎn)子式流速儀內(nèi)部安裝有接觸絲或干簧管，通過水體推動(dòng)旋漿(或旋杯)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生通斷信號(hào)。如果在流速變化不劇烈的情況下，轉(zhuǎn)子式流速儀產(chǎn)生的流速信號(hào)為周期性的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，但是由于接觸絲的機(jī)械抖動(dòng)、干簧管的磁抖動(dòng)干擾、天然河道水體不同水阻的變化、感應(yīng)雷擊等影響，使得轉(zhuǎn)子式流速信號(hào)的采集相當(dāng)復(fù)雜。在采集轉(zhuǎn)子式流速儀內(nèi)部接觸絲或干簧管觸點(diǎn)的通斷信號(hào)時(shí)，很多情況下沒有充分考慮流經(jīng)觸點(diǎn)的電流要小，最好不大于2 mA的電流。只有盡量降低流過觸點(diǎn)電流，才能提高轉(zhuǎn)子式流速儀的使用壽命。有些廠家的轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)采集，為了消除水阻的影響，對(duì)轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)輸入端往往采用“小電壓大電流”的設(shè)計(jì)方案，以降低流速儀使用壽命的方式確保信號(hào)采集的可靠性。

目前水文流速測(cè)驗(yàn)采集的轉(zhuǎn)子式流速儀的流速信號(hào)，往往是通過水文纜道循環(huán)索鋼絲繩和水體構(gòu)成的回路傳輸，這是目前流速信號(hào)利用水文纜道最常用的一種信號(hào)傳輸方式。為了解決利用纜道傳輸流速信號(hào)受干擾問題，信號(hào)傳輸時(shí)多采用交流調(diào)頻信號(hào)傳輸方式。但實(shí)際上水文站的纜道橫跨從幾十米到幾百米不等，架設(shè)高度從幾米到幾十米，偌大的跨河鋼絲繩在空間變成一個(gè)巨大的天線，這根天線不停地接收空間的各種電磁干擾信號(hào)，使得正常流速信號(hào)和干擾信號(hào)夾雜在一起，有時(shí)干擾信號(hào)的強(qiáng)度比流速儀的頻率信號(hào)要強(qiáng)，頻譜也比流速信號(hào)要寬，所以多年來流速信號(hào)的通訊傳輸一直困擾著水文測(cè)驗(yàn)人員，實(shí)際測(cè)流時(shí)，往往是水文測(cè)驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷有效的流速信號(hào)，人為剔除干擾信號(hào)，才能基本完成測(cè)流任務(wù)。

隨著水文測(cè)驗(yàn)科技的進(jìn)步，利用轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)流是當(dāng)下的迫切需求，對(duì)此怎樣確保流速信號(hào)采集和傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、可靠性及穩(wěn)定性是我們水文工作者需要重點(diǎn)研究的課題。筆者根據(jù)多年在水文一線測(cè)驗(yàn)的實(shí)踐探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出了一套全新的轉(zhuǎn)子式流速儀采集和傳輸方案，對(duì)解決困擾水文流量測(cè)驗(yàn)工作的流速儀信號(hào)問題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)的采集

1.1 流速信號(hào)的采集電路

轉(zhuǎn)子式流速儀是在河道的水體中工作的，天然河道的水體含有不同的雜質(zhì)，水體的導(dǎo)電性能也是復(fù)雜多樣。轉(zhuǎn)子式流速儀的信號(hào)線接線柱淹沒在水中，水體不同的導(dǎo)電率會(huì)使轉(zhuǎn)子式流速儀通斷信號(hào)產(chǎn)生誤導(dǎo)通，影響流速信號(hào)的采集。為了避免該種現(xiàn)象的發(fā)生，筆者設(shè)計(jì)了流速信號(hào)的采集電路。根據(jù)轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)避免受水阻變化影響，達(dá)到觸點(diǎn)過流電流值小的要求，按“小電壓小電流”的方案設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)的采集。轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)采集電路如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子式流速信號(hào)的采集

根據(jù)圖1所示電路可見，R1表示水阻，和流速儀觸點(diǎn)開關(guān)及R3并聯(lián)。流速儀觸點(diǎn)開關(guān)串聯(lián)R3接入3.3 V電源。當(dāng)流速儀觸點(diǎn)開關(guān)導(dǎo)通，電流經(jīng)過R2電阻和流速儀觸點(diǎn)開關(guān)，為了使經(jīng)過流速儀觸點(diǎn)開關(guān)的電流小于2 mA，R2的電阻必須大于1.65 kΩ。流速儀觸點(diǎn)開關(guān)導(dǎo)通后，三極管Q1的基極為低電平，三極管Q1斷開，集電極電壓提高，流速信號(hào)采集端為高電平。

當(dāng)流速儀觸點(diǎn)開關(guān)斷開后，水阻R1和R3電阻并聯(lián)構(gòu)成電阻R13，R13電阻和R2電阻串聯(lián)，則二極管D1的負(fù)極電壓提高，二極管D1截止，三極管Q1的基極為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，三極管Q1的集電極電壓降低，流速信號(hào)采集端為低電平。流速信號(hào)采集口再接入觸發(fā)器，以輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，供后續(xù)單片機(jī)采集。

1.2 流速信號(hào)的數(shù)字化處理

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀信號(hào)采集處理，是通過水下綜合信號(hào)源設(shè)備，采集到流速信號(hào)后，根據(jù)電路調(diào)制成設(shè)定頻率的交流調(diào)頻模擬信號(hào)再傳輸。岸上接收設(shè)備將接收到的模擬信號(hào)經(jīng)過放大、整理，然后通過音頻譯碼鎖相環(huán)集成電路將流速信號(hào)分離并處理，由此可見影響流速信號(hào)采集傳輸?shù)闹黧w是水文纜道鋼絲繩、河道水體、水下綜合信號(hào)源設(shè)備及傳輸回路上的其他環(huán)節(jié)。

由于傳輸回路長(zhǎng)且中間環(huán)節(jié)較多，往往影響流速信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。水文測(cè)驗(yàn)人員對(duì)傳統(tǒng)流速采集設(shè)備總結(jié)出“低枯水信號(hào)一切正常，洪水時(shí)信號(hào)異常是常態(tài)”的突出現(xiàn)象。為解決傳統(tǒng)信號(hào)傳輸回路對(duì)信號(hào)采集的影響，筆者認(rèn)為將流速信號(hào)處理部分從岸上接收設(shè)備集成到水下綜合信號(hào)源設(shè)備中，用高性能單片機(jī)根據(jù)編制好的智能處理軟件直接處理流速信號(hào)，然后將處理的流速信號(hào)編碼成數(shù)字信號(hào)再傳輸。

將流速信號(hào)編制成可傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)優(yōu)勢(shì)如下：

1）數(shù)字信號(hào)可編碼，通過設(shè)計(jì)的編碼通訊協(xié)議，可智能完善漏傳丟失流速信號(hào)，傳輸差錯(cuò)可控。

2）數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，基本可排除外部干擾，且噪音不累計(jì)。

3）經(jīng)過編碼的數(shù)字信號(hào)包含的信息量較大，除可傳輸水面、流速和河底信號(hào)外，還可包含信號(hào)源內(nèi)置電池電壓，甚至可包含水溫、水壓、采集時(shí)間等數(shù)據(jù)。

4）經(jīng)過編碼的數(shù)字信號(hào)傳輸可靠性高，通過握手通訊機(jī)制大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5）數(shù)字信號(hào)可現(xiàn)地存儲(chǔ)。即使信號(hào)通訊受干擾中斷，但仍可通過信道恢復(fù)補(bǔ)發(fā)或固態(tài)存儲(chǔ)下載獲取數(shù)據(jù)。

6）數(shù)字信號(hào)配置靈活，根據(jù)不同的要求可擴(kuò)展功能，只需要更改軟件，不需要對(duì)電路重新設(shè)計(jì)。

7）數(shù)字信號(hào)便于單片機(jī)識(shí)別處理。根據(jù)流速測(cè)驗(yàn)的人為經(jīng)驗(yàn)，可編制成單片機(jī)軟件，以代替人工判別轉(zhuǎn)子式流速儀的抖動(dòng)信號(hào)，確保流速信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

2 流速信號(hào)的數(shù)字通訊傳輸

轉(zhuǎn)子式流速儀的流速信號(hào)利用水文纜道鋼絲繩傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)方式構(gòu)成的傳輸回路比較復(fù)雜，回路涉及的中間環(huán)節(jié)較多，故障現(xiàn)象千奇百怪，一旦出現(xiàn)問題也難以排查，往往即使更換水下綜合信號(hào)源等設(shè)備，也無法解決問題，這是廣大水文工作者遇到的普遍問題，也是多年未攻克的一個(gè)技術(shù)難題。筆者認(rèn)為要徹底解決此問題，需要完全拋開利用水文纜道鋼絲繩作為流速信號(hào)傳輸?shù)幕芈方M成部分，采用無線數(shù)傳回路建立相對(duì)獨(dú)立的傳輸通道。

2.1 流速信號(hào)數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成

流速信號(hào)數(shù)字通訊系統(tǒng)由水下綜合信號(hào)源和岸上接收設(shè)備組成。水下綜合信號(hào)源根據(jù)流速采集電路采集到流速信號(hào)后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)軟件經(jīng)過智能識(shí)別、判斷、處理、編碼成可傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，發(fā)送給數(shù)字電臺(tái)模塊發(fā)送。岸上接收設(shè)備可以是計(jì)算機(jī)、纜道控制臺(tái)、手持機(jī)等形式，岸上設(shè)備通過數(shù)字電臺(tái)接收到信號(hào)后，根據(jù)編碼協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，再以各種方式體現(xiàn)出流速信號(hào)。

2.2 數(shù)字通訊頻率的選擇

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，數(shù)字通訊開始進(jìn)入快速發(fā)展階段，尤其是超高速大容量、日益成熟的高效編碼等技術(shù)的進(jìn)步，標(biāo)志著新的數(shù)字化智能通訊將進(jìn)一步發(fā)展。

數(shù)字通訊的頻率非常多，從GPRS、CDMA這樣的公網(wǎng)數(shù)字通訊，到對(duì)講機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)字通訊都采用不同的頻率。433 MHz頻率是我國(guó)免申請(qǐng)段發(fā)射接收頻率，可直接使用，433 MHz頻率抗干擾強(qiáng)，支持各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊需要，具有收發(fā)一體、安全隔離、使用簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。故選擇433MHz頻率作為流速信號(hào)數(shù)字通訊系統(tǒng)的數(shù)傳頻率。

3 關(guān)鍵問題的解決

流速信號(hào)數(shù)字通訊系統(tǒng)所采用的433 MHz無線電波，在水體中傳輸時(shí)的衰減非常嚴(yán)重，導(dǎo)致無法通訊。所以如果流速測(cè)點(diǎn)較深導(dǎo)致水下綜合信號(hào)源天線完全入水不能實(shí)時(shí)傳輸流速信號(hào)，有些廠家提出采用浮標(biāo)天線或伸縮天線的方式解決天線入水不能發(fā)射信號(hào)的問題，筆者認(rèn)為不管是浮標(biāo)天線或伸縮天線，在低枯水時(shí)可確保正常使用，但是一旦發(fā)洪水，水面上將產(chǎn)生巨量的各類漂浮物，會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生破壞，從而影響系統(tǒng)使用穩(wěn)定性。

根據(jù)本文闡述的設(shè)計(jì)方案，流速信號(hào)數(shù)字通訊系統(tǒng)充分利用智能特點(diǎn)，提出如下全新的解決方案：

1）系統(tǒng)根據(jù)天線長(zhǎng)度和流速測(cè)點(diǎn)入水深度，預(yù)判電臺(tái)天線完全入水。

2）系統(tǒng)根據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)子式流速儀從水面下降到流速測(cè)點(diǎn)的距離，計(jì)算下降時(shí)間。

3）當(dāng)流速儀在水面時(shí)，系統(tǒng)給水下綜合信號(hào)源發(fā)送“流速延時(shí)自動(dòng)采集出水補(bǔ)發(fā)”指令，該指令包含到達(dá)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，單片機(jī)自動(dòng)開始采集流速信號(hào)并存儲(chǔ)。

4）系統(tǒng)判斷水下綜合信號(hào)源已經(jīng)完成流速信號(hào)的自動(dòng)采集后，將轉(zhuǎn)子式流速儀提出水面，此時(shí)天線已經(jīng)露出水面。水下綜合信號(hào)源采集到出水信號(hào)后，將固態(tài)存儲(chǔ)的流速數(shù)據(jù)發(fā)送給岸上接收設(shè)備，數(shù)據(jù)包含測(cè)速時(shí)間、歷時(shí)、信號(hào)數(shù)等信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

轉(zhuǎn)子式流速儀數(shù)字信號(hào)通訊是通過無線數(shù)字傳輸回路進(jìn)行流速信號(hào)的采集和傳輸，使流速信號(hào)的采集、處理、傳輸具有智能化和維護(hù)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，且使用不受環(huán)境的影響。系統(tǒng)在湖南省婁底市冷水江、雙峰水文站進(jìn)行實(shí)際測(cè)試反應(yīng)良好，解決了水文站多年來流速信號(hào)受干擾嚴(yán)重的問題，可預(yù)見轉(zhuǎn)子式流速儀數(shù)字信號(hào)通訊系統(tǒng)將是極具發(fā)展前景的流速信號(hào)采集傳輸方法。