基于ARM的遠程超聲波流量計的研究

吳興雄

【摘要】 超聲波流量計經過近百年的發展，其多樣化測量方式和高度測量精度已經能夠滿足大部分的需求。但超聲波流量計在運用過程中，其數據傳輸通常通過RTU來實現，對于許多現場，這種構造提升了安裝成本，造成極大的資源浪費。本文采用ARM7控制器，提出一種將時差法超聲波流量計和RTU的設計結合的方案。

【關鍵詞】 時差法超聲波流量計 遠程通信

超聲波流量計是當今工業生產自動化以及檢測技術中常用的計量儀表，通常采用232/485通信接口或者4～20mA模擬信號接口輸出。這種輸出方式在很長一段時間內滿足了工業上數據傳輸的要求。但隨著當今工業自動化的迅速發展尤其是各類檢測系統的發展，常規的輸出方式的弊病已經越來越明顯，流量計的遠程通信成為一種趨勢。現在常用的解決方案是通過RTU接收儀表的數據，再實現儀表數據的遠傳。

一、超聲波流量計的基本結構

計量儀表的設計通常分為一次儀表與二次儀表兩部分，這種超聲波流量計的基本構架設計也遵從這種方式，采用一次儀表與二次儀表分開設計。超聲波流量計結構如圖1所示。

一次儀表主要實現將電能轉換為超聲波，同時實現超聲波信號的檢測與處理，

二次儀表主要實現檢測超聲波信號傳播時間，計算出相應流速，并對相應的結果進行判斷與驗證，同時實現數據的處理與輸出。可以說，二次儀表是計量儀表的大腦，所有的邏輯運算與數據處理都在二次儀表中進行。

超聲波流量計總體由一次儀表與二次儀表構成[1]，一次儀表包括壓電換能器及其相關電路，包括：

（1）超聲波信號收發部分：完成超聲波信號的發射與接收，實現換能器對能量形式的轉換；

（2）超聲波信號處理部分：實現對收發信號的處理，使電路信號能夠與控制芯片信號較好的配合

二次儀表主要實現人機交互、信號處理等功能，其主要包括：

（1）最小系統：ARM芯片能夠工作的最基本系統條件，包括電源電路、時鐘電路、復位電路等

（2）數字信號處理部分：包括已調理信號的處理、數據輸入存儲器等

（3）驅動服務：完成人機互動、數據通信等功能

二、遠程通信模塊的基本結構

現在常用的RTU采用485協議與儀表進行通訊，然后通過網絡通信模塊進行數據傳輸。常見的網絡模塊包括ZIGBEE模塊、GPRS模塊、3G模塊以及最新的4G模塊等。

較為合理的遠程通信方式可以考慮采用ZigeBee技術組成小范圍的無線傳感網絡解決有線通信走線復雜的問題，同時可以實現網內傳感器的互聯互訪。再通過某一至兩個GPRS節點上傳數據實現遠距離的數據通信，這樣的結構既可以節省485通信線路走廊，也可以節約GPRS節點的個數。

總之，整個通信流程中，ZigBee與GPRS通信技術相互配合，取長補短，能夠，采用ZigBee技術實現近距離通信，GPRS實現數據遠傳，兩種方式可以實現大范圍、遠距離的傳感器組網數據通信。

三、遠程超聲波流量計遠程模塊的設計

3.1遠程模塊硬件結構

設計將常規超聲波流量計與RTU的設計相結合，采用ARM作為處理核心。由于ARM具備的多任務處理的能力，可以實現數據的處理與傳輸。這種方案在傳統超聲波流量計的硬件結構的基礎上，只需要增加了傳感器的遠傳模塊就可以實現數據的遠程傳輸。傳感器基于Zigbee組網并通過GPRS實現數據遠傳功能，使傳感器成為真正意義上的遠程流量計。

遠程超聲波流量計的基本結構與常規流量計并沒有太大區別，但他的設計增加了網絡協調器。其硬件結構設計如圖2所示。

以LPC2210作為控制器為例，通過SPI接口實現與MC13192 Zigbee模塊的數據傳輸，再通過UART1串口實現與SIM800 GPRS的數據傳輸。

3.2軟件結構的設計

無線收發功能主要是由GPRS模塊和Zigbee模塊配合實現的無線收發模塊的應用程序各主要任務如表1所示：

通過優先級的不同，依次完成各任務。

四、總結

通過將二次儀表的設計與RTU相結合，流量計的可嵌入性得到極大的提升，極大的降低了工業自動化生產、流量監控系統等運用場所中的安裝成本與設計難度，提高了數據傳輸效率，具有較好的研發前景。

參 考 文 獻

[1]桂永芳. 相關法超聲波流量計二次儀表的研究[D].浙江大學，2004.

[2]陳靜. 超聲波流量計的研制[D].西安科技大學，2004.

[3]陳潔，余詩詩，李斌，樊辰陽. 基于雙閾值比較法超聲波流量計信號處理[J]. 電子測量與儀器學報，2013，11：1024-1033.