惠延波 李永超 王 莉 牛群峰

(河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001)

基于蓝牙低功耗技术的无线超声流量计设计

惠延波 李永超 王 莉 牛群峰

(河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001)

针对复杂工矿环境和高度自动化生产环境对无线流量计的需求，对超声波测流量的原理及实现方法和蓝牙低功耗技术进行了研究，设计了一种高精度的无线超声流量计。系统以TI的DSP芯片TSM320F28027为核心，采用高精度时间数字转换芯片TDC-GP22测量超声波传播的时差，采用TI的CC2540作为蓝牙通信芯片。针对流量测量过程会出现错误的时差数据，提出了一种基于拉依达准则的数据处理算法。实验结果表明该流量计具有高精度流量计量，远距离、低功耗无线传输及无线组网等功能。

超声流量计 时差法 时间数字转换 蓝牙 低功耗 DSP

0 引言

流量计量在工业生产、石油输送、城市供水等领域有着重要作用，流量计量的精度对生产效率的提高以及节能起着至关重要的作用。超声波流量计凭借非接触、无腐蚀、精度高等特点得到广泛的应用。随着工业4.0及智慧城市的提出，智慧节点也成为仪器仪表发展的趋势。传统的流量计一般配备RS-232、RS-485接口，无法融入智能控制网络，具有无线传输能力的流量计已经成为一种迫切的需求。本文设计了一种基于时间精确测量技术和低功耗蓝牙技术的无线超声波流量计。该流量计在应用高精度时间数字转换芯片的基础上增加了数据处理算法，可以有效地提高流量计量精度。流量计增加蓝牙通信模块可以减少数据统计工作量[1]，避免危险环境造成的人身伤害[2]；还可以作为无线网络的节点，方便流量监控和管理。

1 超声波流量计测量原理

超声波流量计原理有时差法、多普勒法、波束偏移法等，其中时差法在超声波流量计中的应用最为广泛。时差法超声波流量计是利用液体流动对超声波传输的影响来计算流量的[3]。超声波流量计测量原理如图1所示。

图1 超声波流量计示意图

在A、B之间顺流和逆流的飞行时间不同，随着流速v变化，设顺流飞行时间为t1，逆流飞行时间为t2，电路传输延迟为t0，则由如下关系式可以换算出流体的流速v。超声波顺流飞行时间t1为:

(1)

超声波逆流飞行时间t2为:

(2)

超声波顺、逆流飞行时差Δt为：

(3)

式中：L为超声波探头之间的直线距离；D为管道内径；c为超声波在静态流体介质中的传播速度；θ为超声波探头飞行路线和流体流动方向的夹角。

由于c2>>v2θ2，因此可以将v2θ2忽略[4]，得到流速v的计算公式：

(4)

由流速v可以得到瞬时流量值Q:

(5)

式中：k为修正因子，其与管道流速不均匀分布有关。

2 系统设计

2.1 蓝牙网络结构

无线超声流量计系统采用最新的蓝牙4.0技术，每个蓝牙设备可同时连接多个设备，网络结构

如图2所示。网络分为流量计、蓝牙基站、数据中转、服务器四层。台式计算机、笔记本电脑和支持低功耗蓝牙的手持设备是数据中转层，可以直接读取超声流量计数据并上传至服务器，也可对流量计进行远程操控。

图2 无线超声波流量计网络

2.2 系统总体设计

无线超声波流量计整体系统框图如图3所示，整个系统由主控制器、显示模块、存储模块、输入模块、蓝牙模块、时差测量模块六部分组成。

图3 系统框图

2.2.1 主控制器

主控制器采用TI的TMS320F28027，它具有32位DSP内核，时钟频率高达60 MHz。TMS320F28027具有丰富的外设和丰富的外部总线接口，如UART、SPI、I2C外部通信接口。显示模块和时差测量模块采用SPI通信方式，蓝牙模块采用UART通信方式，存储模块采用I2C通信方式。TMS320F28027具有IDLE、STANDBY、HALT等多种低功耗模式，适合流量计开发。

2.2.2 时差测量模块

时差测量模块的核心是德国ACAM公司的高精度时间数字转换芯片TDC-GP22。GP22是以信号通过内部门电路的时间延迟来进行高精度时间间隔测量[5]。GP22测量时间间隔精度高达22 ps。GP22具有窗口延迟功能，可以设置从超声波发射到接收超声波回波之间的延迟时间，在这段时间内STOP引脚不接收外部信号。利用窗口延迟可以消除超声波发射电路对接收电路的干扰及外部信号的干扰[6]。在GP22初始化过程中，要启用窗口延迟功能，在时差测量过程中，应根据管径的变化自适应地调整窗口延迟时间。

2.2.3 蓝牙模块

蓝牙模块采用最新的蓝牙低功耗技术(bluetooth low energy，BLE)。蓝牙低功耗技术是蓝牙4.0标准的一部分，与传统的蓝牙2.0、3.0以及蓝牙4.0中的传统蓝牙部分相比，BLE技术具有传输距离远、功耗低等特点。CC2540是TI公司BLE芯片，它集成了工业级的8051内核和RF收发电路，发射功耗为24 mA，接收功耗为19.6 mA，最大传输距离可达100 m[7]。

2.2.4 显示模块

显示模块使用的是无背光OLED显示屏，并采用了SSD1306控制器。和LCD、TFT显示屏相比，OLED功耗更低、显示效果更好，且无需考虑对比度问题。

3 硬件设计

硬件电路主要包括时差测量模块和蓝牙通信模块。时差模块和蓝牙模块与主控制器连接如图4所示。

图4 主要硬件电路图

时差测量模块包括TDC-GP22最小系统、温度传感器、滤波电路和超声波换能器四部分。GP22内部集成了超声波驱动单元，可以直接将超声波换能器接在脉冲输出端和STOP信号接收端。为了抑制外部干扰，在电路中加入了高通滤波电路。当触发上游换能器时，STOP1接地，STOP2接收回波；同理，当触发下游超声波换能器时，STOP2接地，STOP1接收回波。系统需要两个时钟，一个是4 MHz的时钟，另一个是32 kHz的时钟，32 kHz的时钟用来校准高速时钟，4 MHz的时钟用来提供时间测量时基。时差测量模块和主控制器之间通过四线制SPI方式连接，主控制器通过该接口可以完成对GP22的初始化以及测量结果读取。

蓝牙模块主要包括CC2540最小系统、巴伦匹配电路和天线三部分。蓝牙模块有两个时钟，一个是32 kHz的低速时钟，一个是32 MHz的高速时钟。当系统工作在低功耗模式时，使用32 kHz时钟；当系统工作在正常收发模式时，使用32 MHz时钟。

4 软件设计

软件设计包括主控制器程序设计和蓝牙模块程序设计两部分。主控制器程序主要完成流量的测量，蓝牙模块程序主要完成流量的传输。

4.1 主控制器软件设计

主控制器的软件设计主要包括主程序、定时器中断程序、UART中断程序、数据处理子程序。

4.1.1 主程序设计

主程序完成外设参数的配置以及OLED、GP22的初始化，并设定时间和日期。完成初始化后主控制器进入低功耗模式[8]。GP22初始化主要包括打开模拟测量、自动校准、选择时钟工作方式、启动窗口延迟等。

4.1.2 定时器中断程序设计

两次时差测量的时间间隔由定时器设定，设置为20 ms。每次获取时差后更新当前时间，每完成15次时差测量，调用数据处理子程序。

4.1.3 UART中断程序设计

主控制器通过UART和CC2540进行通信，当有蓝牙设备连接时，CC2540充当数据中继器的角色，将数据在流量计和外部蓝牙设备之间传递。UART中断程序的工作是判断CC2540发送的数据类型[9]。接收到的数据分为三类，第一类是请求主控制器发送当前流量数据，第二类是请求修改当前流量参数，第三类是误操作。如果接收到发送流量数据请求，则主控制器通过UART将瞬时流量和累计流量数据发送给外部蓝牙设备；如果发送的是修正流量参数的请求，则主控制器修改接收到的值；如果是误操作，则立即退出。4.1.4 数据处理子程序设计

最终流量数据在时差测量的基础上计算得到。时差测量过程中不可避免地会出现错误数据，因此要采用软件算法剔除错误的数据。流量变化是连续的，短时间内时差数据不会产生大的变化，因此，在时差数据处理过程中可采用拉依达准则将错误数据剔除。

算法实现是将每15次的测量数据分为一组，如果存在粗大误差，则将其滤出。随机取出连续测得的15次时差数据t1～t15，如表1所示。

表1 时差数据

计算出15次时差数据的算数平均值为0.048 3，根据贝塞尔公式，求出标准差:

(6)

如果|Δti|>3，就认为ti为异常值，将其剔除。该组数据的标准差为0.000 92，则根据准则判断数据中是否存在异常值。如0.045 1对应的偏差0.003 2>3σ，故将其剔除。剔除异常值后，计算时差的平均值，作为该段时间内的时差。

4.2 蓝牙模块软件设计

在流量计中，蓝牙模块工作在从模式下，不能主动和主设备进行连接，只能间歇性地广播并等待主设备发出连接请求。与传统的蓝牙相比，CC2540广播只使用了三个通道，通道号是37、38、39，比传统的全通道广播功耗更低[10]。按照蓝牙的工作原理，将CC2540的程序分为两个状态，第一个状态是待连接状态，第二个状态是连接状态。待连接状态主要工作包括广播以及连接请求的确认。当收到主设备发出的连接请求时，从设备要进行身份验证，主设备要输入验证密码；如果验证密码正确，则两个设备进行连接。连接状态下，蓝牙设备作为流量计与外部设备通信的接口，完成数据转发。没有数据收发时，CC2540处于睡眠模式，当收到主设备通过蓝牙发送的数据或主控制器通过UART发送的数据时被唤醒，并对收到的数据进行处理。如果收到主控制器发来的数据，蓝牙模块会将数据通过蓝牙发送给蓝牙主设备；如果收到来自蓝牙主设备的数据，蓝牙模块会将接收到的数据通过UART总线发送给主控制器。

5 试验结果

试验中超声波频率为1MHz，安装倾角为45°，管道直径为80mm，当流量在0～20m3/s时，流量测量值与标准表对比结果如表2所示。经计算其精度在±2%之内，可以满足大部分应用场合的需求。通过手机客户端可以修改流量计算公式中的修正因子。通过蓝牙将修正因子发送给流量计，主控制器将对流量计算公式进行修正。

表2 测量结果

6 结束语

本文设计了一种基于高精度时间数字转换芯片GP22和超低功耗的蓝牙4.0芯片CC2540的无线超声波流量计。无线超声流量计采用硬件滤波和软件数据处理算法提高计量精度，采用蓝牙低功耗技术实现无线传输。该流量计不仅可以实现本地高精度流量计量，还可以实现流量网络监控，适用于多种流体介质及条件恶劣的工矿环境。

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Design of the Wireless Ultrasonic Flowmeter Based on Bluetooth Low Power Consumption Technology

In according with the demands for wireless flowmeters that can be operated under complex industrial and mining environment, and highly automated production environment, the principle and implementing method of ultrasonic flowmeter and bluetooth low power consumption technology are researched, and the highly accurate wireless ultrasonic flowmeter is designed. The system is composed of the DSP chip TSM320F28927 from TI as the core, and using high precision time to digital conversion chip TDC-GP22 for measuring time difference of propagation time of ultrasonic wave, and CC2540 from TI as the bluetooth communication chip. To against the errors of time difference data appear in flow measurement process, the data processing algorithm based on Pauta criterion is proposed. The result of experiments indicates that this flowmeter possesses functions of highly accurate flow measurement, long distance and low power consumption wireless transmission and wireless networking, etc.

Ultrasonic flowmeter Time difference method Time to digital conversion Bluetooth Low power consumption DSP

国家“十二五”科技支撑计划基金资助项目(编号：2012BAF12B13)。

惠延波(1964-)， 男，1997年毕业于西安交通大学机械制造专业，获博士学位，教授；主要从事制造业信息化和粮油食品检测方面的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510011

修改稿收到日期：2015-06-08。