基于ARM的远程超声波流量计的研究

吴兴雄

【摘要】 超声波流量计经过近百年的发展，其多样化测量方式和高度测量精度已经能够满足大部分的需求。但超声波流量计在运用过程中，其数据传输通常通过RTU来实现，对于许多现场，这种构造提升了安装成本，造成极大的资源浪费。本文采用ARM7控制器，提出一种将时差法超声波流量计和RTU的设计结合的方案。

【关键词】 时差法超声波流量计 远程通信

超声波流量计是当今工业生产自动化以及检测技术中常用的计量仪表，通常采用232/485通信接口或者4～20mA模拟信号接口输出。这种输出方式在很长一段时间内满足了工业上数据传输的要求。但随着当今工业自动化的迅速发展尤其是各类检测系统的发展，常规的输出方式的弊病已经越来越明显，流量计的远程通信成为一种趋势。现在常用的解决方案是通过RTU接收仪表的数据，再实现仪表数据的远传。

一、超声波流量计的基本结构

计量仪表的设计通常分为一次仪表与二次仪表两部分，这种超声波流量计的基本构架设计也遵从这种方式，采用一次仪表与二次仪表分开设计。超声波流量计结构如图1所示。

一次仪表主要实现将电能转换为超声波，同时实现超声波信号的检测与处理，

二次仪表主要实现检测超声波信号传播时间，计算出相应流速，并对相应的结果进行判断与验证，同时实现数据的处理与输出。可以说，二次仪表是计量仪表的大脑，所有的逻辑运算与数据处理都在二次仪表中进行。

超声波流量计总体由一次仪表与二次仪表构成[1]，一次仪表包括压电换能器及其相关电路，包括：

（1）超声波信号收发部分：完成超声波信号的发射与接收，实现换能器对能量形式的转换；

（2）超声波信号处理部分：实现对收发信号的处理，使电路信号能够与控制芯片信号较好的配合

二次仪表主要实现人机交互、信号处理等功能，其主要包括：

（1）最小系统：ARM芯片能够工作的最基本系统条件，包括电源电路、时钟电路、复位电路等

（2）数字信号处理部分：包括已调理信号的处理、数据输入存储器等

（3）驱动服务：完成人机互动、数据通信等功能

二、远程通信模块的基本结构

现在常用的RTU采用485协议与仪表进行通讯，然后通过网络通信模块进行数据传输。常见的网络模块包括ZIGBEE模块、GPRS模块、3G模块以及最新的4G模块等。

较为合理的远程通信方式可以考虑采用ZigeBee技术组成小范围的无线传感网络解决有线通信走线复杂的问题，同时可以实现网内传感器的互联互访。再通过某一至两个GPRS节点上传数据实现远距离的数据通信，这样的结构既可以节省485通信线路走廊，也可以节约GPRS节点的个数。

总之，整个通信流程中，ZigBee与GPRS通信技术相互配合，取长补短，能够，采用ZigBee技术实现近距离通信，GPRS实现数据远传，两种方式可以实现大范围、远距离的传感器组网数据通信。

三、远程超声波流量计远程模块的设计

3.1远程模块硬件结构

设计将常规超声波流量计与RTU的设计相结合，采用ARM作为处理核心。由于ARM具备的多任务处理的能力，可以实现数据的处理与传输。这种方案在传统超声波流量计的硬件结构的基础上，只需要增加了传感器的远传模块就可以实现数据的远程传输。传感器基于Zigbee组网并通过GPRS实现数据远传功能，使传感器成为真正意义上的远程流量计。

远程超声波流量计的基本结构与常规流量计并没有太大区别，但他的设计增加了网络协调器。其硬件结构设计如图2所示。

以LPC2210作为控制器为例，通过SPI接口实现与MC13192 Zigbee模块的数据传输，再通过UART1串口实现与SIM800 GPRS的数据传输。

3.2软件结构的设计

无线收发功能主要是由GPRS模块和Zigbee模块配合实现的无线收发模块的应用程序各主要任务如表1所示：

通过优先级的不同，依次完成各任务。

四、总结

通过将二次仪表的设计与RTU相结合，流量计的可嵌入性得到极大的提升，极大的降低了工业自动化生产、流量监控系统等运用场所中的安装成本与设计难度，提高了数据传输效率，具有较好的研发前景。

参 考 文 献

[1]桂永芳. 相关法超声波流量计二次仪表的研究[D].浙江大学，2004.

[2]陈静. 超声波流量计的研制[D].西安科技大学，2004.

[3]陈洁，余诗诗，李斌，樊辰阳. 基于双阈值比较法超声波流量计信号处理[J]. 电子测量与仪器学报，2013，11：1024-1033.