新一代手持式多功能置數器的設計與實現

邵燦輝，卓四明，高振東

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動化有限公司，南京210032）

人工置數主要應用在偏遠地區天然河道的流速和流量，這些數據對水利監管部門而言是及其重要的，并且對此類數據的精度要求很高。目前在測量天然河道流速的方法中，利用纜道測流速是一種精度較高的方式。由于偏遠地區沒有市電，這就需要人工去操作纜道鉛魚，然后記錄測量數據，計算出流量和平均流速。然后利用多功能置數器通過有線或無線的方式傳送給現地遙測站，然后遙測站點用GPRS、北斗等無線通信模塊上送給水情中心站。此次設計的多功能置數器還具備歷史數據存儲、零漂測試，溫漂測試、參數校準、采樣通道選擇、無線傳輸等功能。多功能置數器的MUC 選用了GD32F103 芯片，高達108 MHz 的運算速度，256 KB的FLASH 和48 K 的SRAM，以及多達5 個UART串口、3 個SPI 口、2 個IIC 口、80 個GPIO 口，完全滿足了此設備的功能需求[1]。將無線短距離通信技術也應用到了該裝置，采用了透傳藍牙芯片，可以滿足200 m 內的數據傳輸，可以直接下載校正參數和人工置數、減少了水文測量人員的工作量。為了使該裝置能有更好的適應性，該裝置與遙測站點的通訊滿足《SL651-2014 水文自動測報系統規約》，并且該裝置還可以外接GPRS 無線通信模塊，使其具備模擬遙測站點的能力。圖1 所示為多功能置數器的硬件構成原理圖。

圖1 裝置硬件結構圖Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1 系統硬件設計

1.1 電源回路

由于多功能置數器是手持式設備，必須自備電源。本裝置選用的是總容量為4800 mAh 的18650型鋰電池供電，此電池容量足夠裝置正常使用24 h以上。為了方便對電池進行充電管理，選用了非常通用的手機充電TYPE-C 接口，既方便充電器供電，同時也能夠與上位機進行通信。充電管理芯片選用的是成熟的鋰電池充電管理芯片TP4056 芯片，其高達1000 mA 的可編程充電電流，并具有可在無過熱危險的情況下實現充電速率最大化的熱調節功能。精度可達到±1.5%的4.2 V 預設充電電壓，擁有充電狀態雙輸出、無電池和故障狀態顯示[2]。圖2所示為鋰電池充電管理電路，提供2 個發光二極管來指示充電狀態。

圖2 電池充電管理電路Fig.2 Battery charging management circuit

1.2 液晶顯示模塊

本裝置選用的是硬石科技0.96 寸的OLED 液晶模組，由于OLED 是有機發光二極管，具備自發光，不需要背光源，且對比度高，并且由于其低功耗、廣視角、寬工作溫度范圍十分滿足多功能置數器的要求。該OLED 具備128*64 的高分辨率，正常顯示功耗為0.06 W，只需使用兩線的IIC 接口控制，或者普通的IO 口模擬IIC 也能控制，兼容3.3 V 和5 V 的工作電源[3]。圖3 所示為液晶模組的接線電路圖，接線原理簡單方便。

圖3 液晶驅動電路Fig.3 OLED driving circuit

1.3 參數與數據存儲電路

本裝置對數據的操作主要是人工置數、參數率定、遙測站歷史數據讀取，這就需要對數據進行存儲和讀取，圖4 所示為EEPROM 與FLASH 的電路圖。EEPROM 芯片由于讀寫速度快，操作方便但容量普遍不大很適合將提前編輯水文要素和率定校正好的參數存儲在里面。由于遙測站點多、歷史數據量大，適合存儲在容量較大的FLASH 芯片里面。EEPROM 選用的是鐵電存儲芯片FM24V10，其容量為1 Mbit，與MCU 之間的通信為常用IIC 方式，工作電壓為3.3 V，工作溫度范圍為-40 ℃～+85 ℃，所存數據10年不丟失。其工作電流小于150 μA，靜態電流小于90 μA，很適合對功耗要求較高的手持型設備。當無線網絡故障時，利用本置數器可以很方便地讀取遙測站點的歷史數據，然后將歷史數據導入水情中心站服務器，利用這些數據進行水文計算和洪水預報就顯得十分便利。FLASH 選用的是ATMEL 公司的AT45DB642D，與MUC 之間為SPI方式通信，其存儲容量為8 MB，擁有8192 頁主存儲器，待機電流25 μA，數據保持20年。

圖4 數據存儲電路Fig.4 Circuit of data save

2 數據校正及分析

由于傳感器固有特性，所測數據并非呈現出完全線性關系。隨著傳感器長期投入使用，導致傳感器的測量精度也發生了變化，這就需要對傳感器測量精度進行人工校正。盡管計算復雜，但最小二乘法具有嚴格的數據依據，得到的擬合曲線精密度高、誤差小，很適合應用在該裝置上[4]。本裝置對參數率定采用的算法是最小二乘法中的線性率定和二次項率定。針對偏差小，線性度較好的數據可以采用最小二乘法線性率定，并且裝置計算量小，率定速度較快。針對數據偏差大，線性度較差的情況下，兼具采樣裝置MUC 的計算能力，可以采用最小二乘法的二次項率定。工程人員可以根據數據分布的實際情況選擇不同次項來率定數據，并且將率定的參數值存儲，以便后續的歷史數據分析和傳感器故障診斷。

差阻式傳感器和氣泡式水位計分別是巖土安全監測工程和水情自動測報系統中比較常見的傳感器，但由于長期頻繁使用和機械結構發生了老化變形，所測數據不可避免的發生了漂移。測量設備隨著長時間的使用和溫度的變化，電子元器件的物理特性也發生了變化，所測數據精度也發生了改變，這就需要對測量參數進行重新率定[5]。經過長期使用觀察發現差阻式傳感器數據漂移量較小，利用線性法率定參數能夠滿足精度要求，而氣泡式水位計由于采樣設備老化和壓力傳感器的形變需要用二次項方法率定才能滿足采樣精度。表1 所示為利用線性法率定的差阻式傳感器讀取數據，經過率定后精度保持在十萬分之二。由于氣泡式水位計采樣裝置MUC 運算能力強，可以使用二次項法率定所測數據，如表2 所示，經過率定后采樣誤差保持在1 cm 以內，率定效果十分明顯。

表1 線性率定實驗數據Tab.1 Experimental data of linear calibration

表2 二次項率定實驗數據Tab.2 Experimental data of quadratic term calibration

3 嵌入式軟件設計

傳統的人工置數器與遙測站點之間信道單一，并且遙測站點發送方式也固定。新一代的置數器可以利用多種方式讓置數器與遙測站點進行通信（RS485、RS232、藍牙等），在一些偏遠地區的水文站點移動信號并不理想，隨著我國北斗定位系統覆蓋面的增加，水文領域中使用北斗發送數據的可能性更大[6]。這就要求新一代置數器能夠選擇不同信道來實現人工設定數據上送到水情中心站。圖5 所示為置數器人工置水文要素值的流程，置數功能只是其眾多功能中的一種，進入此分支流程后，水情值班人員根據現地天然河道實測流量、流速、時間和其它水文要素數據設置到置數器中，然后選擇與遙測站點之間的信道，遙測站點與水文中心站之間的無線信道。操作時應該盡量避免5 min 整數倍時間，以免遙測站點正處在采樣和數據發送時間。然后確定發送，整個發送過程需要5 s，如果置數器收到回復報文則此次人工置數完成，如果沒有收到回復報文則返回信道選擇界面，選擇后備信道再次發送。重復此過程2 次后，就退出人工置數界面，檢查遙測站點無線通信信道是否能正常工作。

圖5 人工置數流程Fig.5 Manual setting of serial communication

4 結語

新一代多功能置數器不僅實現了傳統的水文要素置數，并且由于其便攜方便，待機時間長和無線藍牙功能的加持，極大地提高了置數器的整體性能。裝置不僅有多種通信方式，并且可以選擇不同的通信規約，提高了裝置的兼容性。該裝置使用的是擁有強大處理能力和豐富片外資源的國產芯片GD32F103，完成了數據的通信、傳感器的校正、參數設置等功能。由于其低功耗能力，實現了電池待機時間長、工作穩定。該裝置已經在福建周寧水情自動測報系統中得到了成功的應用，其超低的功耗、強大的通信能力、精準的參數校準能力等特點得到了業主單位的積極評價。