摘 要：針對寧夏回族自治區水利信息化建設的需求，提出利用現有的GPRS 網絡建立水利數據采集及遠程實時監控系統的方案.通過將數據系統與 Internet 相連，達到對寧夏水資源信息化管理的目的，并提出一種采用時差法測量原理、基于 GPRS 的超聲波明渠流量計的設計方案，給出了流量計的硬件結構和具體設計方案，并對 GPRS 數據傳輸終端進行了研究和設計.
關鍵詞：GPRS;時差法;超聲波;流量計
中圖分類號：TH814文獻標志碼：A
我國屬于水資源短缺國家，而在地處西北地區的寧夏回族自治區，該問題尤為突出.這就迫切需要更加合理的利用水資源，而合理利用水資源的一個重要的前提就是要對寧夏的水資源有一個系統的信息化管理. 實現寧夏水利信息化，其關鍵技術在于水利信息的準確采集和信息的有效傳輸.長期以來，我區水利信息化建設投入不足，水利信息基礎設施薄弱，水利信息采集和傳輸手段較為落后，至今尚未建成覆蓋全區水利系統的信息網絡，在涉及國計民生的防洪抗旱、水資源管理、水質監測、水土保持等重要領域還沒有形成全區范圍的應用系統.
GPRS 是通用分組無線業務 (General PACketRadio Service)的英文簡稱，本課題組提出利用現有的 GPRS 網建立水利數據采集及遠程實時監控系統，通過將數據系統與 Internet 相連，達到我區水資源信息化管理的目的. 研究項目涉及數據采集及其傳輸的理論、傳感器和通信領域 GPRS 的技術、數據庫的建設和管理以及 Internet 等一系列較先進的實用技術. 本文研究的重點在于前端的數據采集和信息傳輸，并提出了一種基于 GPRS 的超聲波明渠流量計的設計方案.
1 時間鎖定環路(TLL)的結構
本課題研究的超聲波流量計是采用時差法測量原理[1]
而設計的，其核心思想是時間鎖定環路(TLL)的結構，如圖 1 所示.
由圖 1 所示，在 TLL 環路中設立一個鎖相環(PLL)，一個計數器進行時間檢測，通過開關來切換順流和逆流方向. 圖 1 中 START80KHZ、START1 和START2 均為測量啟動控制信號;SIN 為接收到的頻率信號.當切換到順流方向時，系統開始對鎖相環輸出頻率進行 N 分頻，分頻后的第 1 個脈沖用來產生順流方向的發射啟動信號，觸發發射電路工作產生超聲脈沖串. 第 2 個脈沖經過延時 τ d后送往計數器，聲波從發射到接收的時間是 t 1+τ，經過延時回路的時間信號為 N/F 1+τ d. 其中：F 1為 VCO 的振蕩頻率，Hz;τd為延遲時間，s. 如果 τ d=τ，被檢測時間是 N/F1-t1，將時間差信號送入積分器將之轉換為電壓信號，用此電壓信號來控制 VCO，可以調節 VCO的振蕩頻率，直至檢測到時間差信號為 0，即 N/F 1-t 1=0，這樣可以得到順流時的振蕩頻率 F 1. 同理可得，逆流時振蕩頻率 F 2.當順流方向和逆流方向都處于穩定工作狀態時，下式成立：
其中：c 為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為 m/s;v 為水的流速，單位為 m/s;D 為明渠的寬度;θ 為超聲波傳播方向與水流方向的夾角. 由此可得：
隨著不斷地切換轉換開關，順流方向和逆流方向交替地進行采樣，不斷地校準壓控振蕩器的頻率，將其進行差頻計算，就可以得到與流速 v 成正比的差頻信號 ΔF. 由于整個系統工作處于閉環狀態，因此系統的響應快，實時性好，精度高.
2 超聲波明渠流量計的硬件設計
整個系統由主板部分和探頭部分組成. 在主板中，系統的核心部分由 EZ-USB 單片機芯片和CPLD(復雜可編程邏輯器件)芯片 EMP240 加鎖相環電路構成，同時連接外圍的電源管理、鍵盤、LCD、GPRS 數據傳輸終端等模塊.在探頭部分，主要由探頭發射驅動電路、超聲波接收電路(它們共同構成超聲波換能器電路)和超聲波傳感器(壓電陶瓷)等構成. 該系統硬件的結構框圖如圖 2 所示，下面分別介紹各個模塊的功能與設計方案.
2.1用CPLD和鎖相環實現時間鎖定環路功能
如前所述，該設計的核心思想是時間鎖定環路(TLL)的結構，它由一片 CPLD 芯片 EMP240 和鎖相環芯片 CD4046 共同構成.
在該設計中，CPLD 芯片完成了以下功能: 首先是 T/R 控制功能，包括 T/R 的方向控制和脈沖串的發射控制;其次是實現了順流和逆流的切換控制功能;第 3 是完成了時間測量功能，即接收時間計數功能;第 4 是實現了頻率測量功能.為實現以上功能，選擇 ALTERA 公司的 CPLD 芯片 EMP240. 該芯片屬于 MAXII 系列新一代 CPLD 器件，0.18 μm falsh工藝，采用 FPGA 結構，配置芯片集成在內部，和普通 CPLD 一樣上電即可工作. 容量比上一代大大增加，邏輯單元 (LE)為 240 個，等效宏單元 192 個，最大用戶 IO 為 80 個，管腳間延時 3.6～4.5 ns，內部集成一片 8 kB 串行 EEPROM. 因此，該芯片完全可以滿足該設計的需求.
鎖相環 CD4046[2]是一種通用的 CMOS 數字鎖相環，最高工作頻率約 1 MHz. 電源電壓范圍寬(為3～18 V)，輸入阻抗高(約 100 MΩ)，動態功耗極低，在中心頻率 f0=10 kHz 下，功耗僅為 600 μW，屬微功耗器件. 由于該設計中采用的超聲波頻率為 80 kHz，所以鎖相環的中心頻率設置在 80 kHz 左右.
2.2 EZ-USB AN2131QC
單片機及其相關電路該系統的微處理器采用 CYPRESS 公司的 EZ-USB 單片機芯片 AN2131QC[3]，以配備容量為 8 kB的I2C 串行 EEPROM 24C64 作為 Boot 存儲器，同時外接容量為 32 kB 的數據存儲器 SRAM62256，緩存采集到流量數據及相關信息.
AN2131QC 芯片包括一個加強的 8051 內核、一個智能 USB 串行接口引擎(SIE)、一個 USB 收發器以及容量為 8 kB 的存放程序和數據的 RAM 存儲器. USB 串行接口引擎和 USB 收發器共同構成USB 內核. 其中，SIE 對串行數據進行編碼和譯碼，并執行錯誤更正、位填充以及其他一些 USB 需要的信號級操作，最后發送數據字節到 USB 端口或從USB 端口接收數據字節;集成的 USB 收發器通過D+和 D-兩管腳與 USB 總線相連.
EZ-USB 單片機具有一種獨特的優點，即可以通過下載固件和重枚舉的方式動態的改變設備特性[4].該特性使得開發者在 PC 機設計或修改好固件后，直接下載到 EZ-USB，無需編程器，并且可以允許無限的升級和配置，從而非常簡單地改變 USB 設備的功能. 這使得 EZ-USB 單片機非常適合作為該超聲波流量計的主控制器，滿足了系統中比較復雜的數據傳輸和處理要求，連接豐富的外圍設備.同時，采用 USB 接口使得流量計可以很方便地與 PC機進行數據交換，便于今后更多功能的擴展，如文件傳輸功能的擴展.
2.3超聲波換能器電路設計
2.3.1 超聲波發射換能器驅動電路設計 驅動部分
負責對 CPLD 輸出的觸發信號進行功率放大，并用放大后的信號去驅動超聲波傳感器發出超聲波. 超聲波傳感器的振子將接收到的聲信號重新轉化成微弱的電信號，接收電路負責對這個信號進行限幅、放大，并用電壓比較器進行比較，將處理后輸出的信號輸入 CPLD 進行后續處理.在驅動電路的設計上，首先將 CPLD 輸出的驅動信號提升至 15 V 左右，然后，采用推挽方式驅動大功率 MOSFET 開關管IRF540N 以超聲波的頻率進行高速開閉，控制升壓變壓器，使 24 V 的輸入電壓升至 200～400 V，從而驅動傳感器發射出超聲波.
2.3.2 超聲波接收電路設計 在接收電路的設計上，首先對回波信號進行濾波和限幅，然后使用一片優質的音頻放大器芯片 NE5532 進行 2 級放大，將10～50 mV 的微弱信號放大至 5 V，得到需要的輸出.回波信號被放大之后，仍然是一個模擬的信號，不能直接輸入 CPLD 進行處理，為此還必須進行進一步的信號處理. 將其輸入電壓比較器和預定的門檻電壓進行比較，得到對應的數字信號，才能將這個信號輸入 CPLD 進行處理.
2.4外圍接口電路和電源設計
該流量計的外圍設備主要是一塊 LCD 顯示屏和一個 4×4 的小鍵盤. LCD 選擇 16 字符×2 行的字符型液晶顯示模塊，用來顯示流量計的工作狀態和信息. 4×4 鍵盤主要完成系統的參數設定、功能控制以及狀態切換等任務.它與顯示單元聯系在一起，共同實現了流量計的人機交互功能.
整個流量計的供電電源采取 2 種方式產生：一是直接從 PC 機的 USB 接口獲取+5 V 電源，其電流最大可達 500 mA，該方式主要用于系統的調試階段;二是外接直流電源至電路板，經三端穩壓器7805 后產生穩定的+5 V 電源，該方式可用于系統獨立工作時的電源. 為了保證系統在野外環境下正常穩定工作，采用太陽能電池作為后備電源.
3 超聲波明渠流量計的軟件設計
該系統軟件設計包括 3 方面的內容：EZ-USB單片機的固件(firmware)設計[4]、PC 機驅動程序設計[4-5]及 CPLD 的軟件設計.前 2 方面的設計可參考相關文獻，CPLD 的軟件劃分為傳感器信號切換和 N分頻電路模塊、時間測量電路模塊、頻率測量電路模塊等 3 個模塊. 采用 ALTERA 公司推出的第 3 代PLD 開發系統 MAX+PLUSII 軟件進行開發，用硬件描述語言 VHDL 實現，本文不作贅述.
4 GPRS 無線數據傳輸終端設計方案
GPRS 是在現有 GSM 系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數據業務. GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的跳頻規則以及同樣的 TDMA 幀結構. 這種新的分組數據信道與當前的電路交換的話音業務信道極其相似，因此現有的基站子系統(BSS)從一開始就可提供全面的GPRS 覆蓋.GPRS 允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務.
在該設計中 GPRS 無線數據傳輸終端 (簡稱DTU) 設計的原理框圖如圖 3 所示. 該系統主要包括以下幾個部分：16 位 RDC R1122 低功耗嵌入式微處理器，Siemens 公司高性能工業級 GPRS 模塊MC39I，256 kB Sram & 512 kB Flash. RS232/485/TTL 收發器模塊用來連接流量計主機，對采集到的流量數據進行分析和處理.該 DTU 采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，內嵌TCP/IP 協議棧，從而為用戶提供高速可靠的虛擬專用網絡，能夠支持語音、短信、數據觸發上線以及超時自動斷線的功能，同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能.
5 結 語
超聲波明渠流量計以其獨特的優點在工業界得到了廣泛的應用. 本文在深入研究超聲波明渠流量計工作原理的基礎上，提出一種基于 GPRS 的超聲波明渠流量計的設計方案. 其中，可編程器件的使用使得該系統結構緊湊，功耗降低，提高了可靠性，同時利用 GPRS 技術實現數據的遠程傳輸，為我區水資源的合理利用、防抗旱等一系列水利措施提供科學依據.