邵灿辉，卓四明，高振东

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水电自动化有限公司，南京210032）

人工置数主要应用在偏远地区天然河道的流速和流量，这些数据对水利监管部门而言是及其重要的，并且对此类数据的精度要求很高。目前在测量天然河道流速的方法中，利用缆道测流速是一种精度较高的方式。由于偏远地区没有市电，这就需要人工去操作缆道铅鱼，然后记录测量数据，计算出流量和平均流速。然后利用多功能置数器通过有线或无线的方式传送给现地遥测站，然后遥测站点用GPRS、北斗等无线通信模块上送给水情中心站。此次设计的多功能置数器还具备历史数据存储、零漂测试，温漂测试、参数校准、采样通道选择、无线传输等功能。多功能置数器的MUC 选用了GD32F103 芯片，高达108 MHz 的运算速度，256 KB的FLASH 和48 K 的SRAM，以及多达5 个UART串口、3 个SPI 口、2 个IIC 口、80 个GPIO 口，完全满足了此设备的功能需求[1]。将无线短距离通信技术也应用到了该装置，采用了透传蓝牙芯片，可以满足200 m 内的数据传输，可以直接下载校正参数和人工置数、减少了水文测量人员的工作量。为了使该装置能有更好的适应性，该装置与遥测站点的通讯满足《SL651-2014 水文自动测报系统规约》，并且该装置还可以外接GPRS 无线通信模块，使其具备模拟遥测站点的能力。图1 所示为多功能置数器的硬件构成原理图。

图1 装置硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1 系统硬件设计

1.1 电源回路

由于多功能置数器是手持式设备，必须自备电源。本装置选用的是总容量为4800 mAh 的18650型锂电池供电，此电池容量足够装置正常使用24 h以上。为了方便对电池进行充电管理，选用了非常通用的手机充电TYPE-C 接口，既方便充电器供电，同时也能够与上位机进行通信。充电管理芯片选用的是成熟的锂电池充电管理芯片TP4056 芯片，其高达1000 mA 的可编程充电电流，并具有可在无过热危险的情况下实现充电速率最大化的热调节功能。精度可达到±1.5%的4.2 V 预设充电电压，拥有充电状态双输出、无电池和故障状态显示[2]。图2所示为锂电池充电管理电路，提供2 个发光二极管来指示充电状态。

图2 电池充电管理电路Fig.2 Battery charging management circuit

1.2 液晶显示模块

本装置选用的是硬石科技0.96 寸的OLED 液晶模组，由于OLED 是有机发光二极管，具备自发光，不需要背光源，且对比度高，并且由于其低功耗、广视角、宽工作温度范围十分满足多功能置数器的要求。该OLED 具备128*64 的高分辨率，正常显示功耗为0.06 W，只需使用两线的IIC 接口控制，或者普通的IO 口模拟IIC 也能控制，兼容3.3 V 和5 V 的工作电源[3]。图3 所示为液晶模组的接线电路图，接线原理简单方便。

图3 液晶驱动电路Fig.3 OLED driving circuit

1.3 参数与数据存储电路

本装置对数据的操作主要是人工置数、参数率定、遥测站历史数据读取，这就需要对数据进行存储和读取，图4 所示为EEPROM 与FLASH 的电路图。EEPROM 芯片由于读写速度快，操作方便但容量普遍不大很适合将提前编辑水文要素和率定校正好的参数存储在里面。由于遥测站点多、历史数据量大，适合存储在容量较大的FLASH 芯片里面。EEPROM 选用的是铁电存储芯片FM24V10，其容量为1 Mbit，与MCU 之间的通信为常用IIC 方式，工作电压为3.3 V，工作温度范围为-40 ℃～+85 ℃，所存数据10年不丢失。其工作电流小于150 μA，静态电流小于90 μA，很适合对功耗要求较高的手持型设备。当无线网络故障时，利用本置数器可以很方便地读取遥测站点的历史数据，然后将历史数据导入水情中心站服务器，利用这些数据进行水文计算和洪水预报就显得十分便利。FLASH 选用的是ATMEL 公司的AT45DB642D，与MUC 之间为SPI方式通信，其存储容量为8 MB，拥有8192 页主存储器，待机电流25 μA，数据保持20年。

图4 数据存储电路Fig.4 Circuit of data save

2 数据校正及分析

由于传感器固有特性，所测数据并非呈现出完全线性关系。随着传感器长期投入使用，导致传感器的测量精度也发生了变化，这就需要对传感器测量精度进行人工校正。尽管计算复杂，但最小二乘法具有严格的数据依据，得到的拟合曲线精密度高、误差小，很适合应用在该装置上[4]。本装置对参数率定采用的算法是最小二乘法中的线性率定和二次项率定。针对偏差小，线性度较好的数据可以采用最小二乘法线性率定，并且装置计算量小，率定速度较快。针对数据偏差大，线性度较差的情况下，兼具采样装置MUC 的计算能力，可以采用最小二乘法的二次项率定。工程人员可以根据数据分布的实际情况选择不同次项来率定数据，并且将率定的参数值存储，以便后续的历史数据分析和传感器故障诊断。

差阻式传感器和气泡式水位计分别是岩土安全监测工程和水情自动测报系统中比较常见的传感器，但由于长期频繁使用和机械结构发生了老化变形，所测数据不可避免的发生了漂移。测量设备随着长时间的使用和温度的变化，电子元器件的物理特性也发生了变化，所测数据精度也发生了改变，这就需要对测量参数进行重新率定[5]。经过长期使用观察发现差阻式传感器数据漂移量较小，利用线性法率定参数能够满足精度要求，而气泡式水位计由于采样设备老化和压力传感器的形变需要用二次项方法率定才能满足采样精度。表1 所示为利用线性法率定的差阻式传感器读取数据，经过率定后精度保持在十万分之二。由于气泡式水位计采样装置MUC 运算能力强，可以使用二次项法率定所测数据，如表2 所示，经过率定后采样误差保持在1 cm 以内，率定效果十分明显。

表1 线性率定实验数据Tab.1 Experimental data of linear calibration

表2 二次项率定实验数据Tab.2 Experimental data of quadratic term calibration

3 嵌入式软件设计

传统的人工置数器与遥测站点之间信道单一，并且遥测站点发送方式也固定。新一代的置数器可以利用多种方式让置数器与遥测站点进行通信（RS485、RS232、蓝牙等），在一些偏远地区的水文站点移动信号并不理想，随着我国北斗定位系统覆盖面的增加，水文领域中使用北斗发送数据的可能性更大[6]。这就要求新一代置数器能够选择不同信道来实现人工设定数据上送到水情中心站。图5 所示为置数器人工置水文要素值的流程，置数功能只是其众多功能中的一种，进入此分支流程后，水情值班人员根据现地天然河道实测流量、流速、时间和其它水文要素数据设置到置数器中，然后选择与遥测站点之间的信道，遥测站点与水文中心站之间的无线信道。操作时应该尽量避免5 min 整数倍时间，以免遥测站点正处在采样和数据发送时间。然后确定发送，整个发送过程需要5 s，如果置数器收到回复报文则此次人工置数完成，如果没有收到回复报文则返回信道选择界面，选择后备信道再次发送。重复此过程2 次后，就退出人工置数界面，检查遥测站点无线通信信道是否能正常工作。

图5 人工置数流程Fig.5 Manual setting of serial communication

4 结语

新一代多功能置数器不仅实现了传统的水文要素置数，并且由于其便携方便，待机时间长和无线蓝牙功能的加持，极大地提高了置数器的整体性能。装置不仅有多种通信方式，并且可以选择不同的通信规约，提高了装置的兼容性。该装置使用的是拥有强大处理能力和丰富片外资源的国产芯片GD32F103，完成了数据的通信、传感器的校正、参数设置等功能。由于其低功耗能力，实现了电池待机时间长、工作稳定。该装置已经在福建周宁水情自动测报系统中得到了成功的应用，其超低的功耗、强大的通信能力、精准的参数校准能力等特点得到了业主单位的积极评价。