吉大純¹ 王紅亮² 

龍芯中科（太原）技術(shù)有限公司¹，中北大學(xué)儀電學(xué)院²

摘要：本文主要介紹一種基于龍芯中科技術(shù)股份有限公司LS1D100超聲波流量測計量芯片的高集成度單芯片超聲波智能水表應(yīng)用解決方案。論文詳細(xì)闡述了基于LS1D芯片的新一代超聲波智能水表應(yīng)用方案，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、算法優(yōu)化等內(nèi)容。此外還在實驗室對本應(yīng)用方案的冷水計量準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性等方面的性能做了評估，給出了實驗室測量數(shù)據(jù)結(jié)果。最后總結(jié)了基于LS1D100單芯片超聲波水表應(yīng)用方案的主要優(yōu)勢和對未來水表行業(yè)的意義，展望了其未來的商業(yè)前景和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：超聲波流量測計量芯片  智能水表  龍芯LS1D100   安全自主可控

自2016年以來，隨著nb-iot技術(shù)的逐漸成熟，智能物聯(lián)網(wǎng)水表在中國的市場的部署規(guī)模呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，目前我國的水表保有量約為4.5億只，按照水表6年一換的更換周期，國內(nèi)每年將近有8000萬只水表待升級，加上每年對海外出口約2000余萬只水表^[1]。我國每年共有約1億的水表市場需求量，如此龐大的需求不斷催化著水表產(chǎn)品技術(shù)的更新?lián)Q代，這離不開國家科學(xué)用水政策的引導(dǎo)推動和水資源的精細(xì)化管理，也離不開精密計量儀器的研發(fā)與應(yīng)用。從1.0時代的機械水表到2.0時代的電子水表，隨著新技術(shù)的迭代升級，超聲波水表逐漸從智能表計中脫穎而出，作為新一代電子水表產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)逐步進(jìn)入“快車道”，其前景欣欣向榮^[2]。

超聲波水表的工作原理是根據(jù)超聲波在測量管道中的正、逆向渡越時間和渡越時間差來對管內(nèi)流經(jīng)的流體速度和流量進(jìn)行測量的。在管道的內(nèi)部插入兩個超聲波信號反射體，從超聲波換能器一端發(fā)射出的超聲波信號經(jīng)過兩個反射體的反射，回到另外一端的換能器中；從不同換能器端發(fā)射信號在管內(nèi)傳播，由于管內(nèi)流速的影響，經(jīng)過MCU的TDC處理單元處理后，形成的正逆向渡越時間差與流速形成如下正比的關(guān)系^[2]

                        （1）

如此可見，只要確保正逆向渡越時間差的準(zhǔn)確測量，就可實現(xiàn)流體流量的精密測量。

本文提出的新一代超聲波智能水表方案是采用的龍芯中科公司研發(fā)的新一代超聲波流量測計量芯片LS1D100來實現(xiàn)的。它是基于龍芯中科公司自主設(shè)計的LoongArch^[3]構(gòu)體系設(shè)計的一款集MCU和時差測量單元（TDC）、超聲波脈沖發(fā)生器于一體的高集成度SOC芯片，對正、逆向的渡越時間檢測使用了門限電平的測量方法，精度高而且穩(wěn)定性好，成本低廉，市場上得到了的廣泛應(yīng)用。

LS1D100是龍芯中科公司全自主研發(fā)的新一代信創(chuàng)超聲波流量測計量芯片, 也是國內(nèi)首款將超聲波時差測量單元和MCU微控制器集為一體，專用于超聲波熱表、水表、氣表測量的SOC芯片。采用32位自主指令集LoongArch架構(gòu)設(shè)計，主頻8/32MHz，內(nèi)置4KSRAM+4KDRAM高速存儲器，128K字節(jié)FLASH存儲器，并集成有CPU、flash、TDC（時間測量單元）、超聲波脈沖發(fā)生器、溫度測量單元、SPI、UART、I2C、RTC、ADC、段式LCD控制器、狀態(tài)檢測等功能。它具有高精度、高安全性、高性價比、高集成度、低功耗等特點，其芯片結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

 

圖 1 龍芯LS1D100結(jié)構(gòu)圖

由于LS1D100將MCU與超聲波收發(fā)、時差測量單元集成一體，可以極簡化水表的電路設(shè)計，單芯片實現(xiàn)水表的設(shè)計。如圖2所示LS1D100時差采集模擬前端電路與換能器間僅僅需2個電容2個電阻就可組成最簡單的時差采集回路以此實現(xiàn)流體的測量。

 

圖 2 lS1D100模擬前端與換能器的連接示意圖

基于lS1D100的新一代智能水表方案，采用了龍芯芯片與物聯(lián)網(wǎng)無線通訊模組相結(jié)合的方式來開發(fā)，市場上各類無線通訊模組（LoRa 、NB-IoT、2G、3G、4G-cat1、5G、藍(lán)牙Bluetooth、WIFI等）都可以與LS1D100靈活連接，所形成的方案都具備有設(shè)計簡單，安全性高，抗干擾能力強，傳輸穩(wěn)定性高的特點。一種基于LS1D100的新一代超聲波智能水表應(yīng)用解決方案如下圖3所示，該方案以LS1D100作為核心主控元件，無線通訊模組NB-IOT與LS1D100通過UART1進(jìn)行連接，LCD控制器接口外接96段式LCD顯示屏，通過GPIO外接觸摸感應(yīng)按鍵、閥控電機；另外UART0與紅外收發(fā)裝置復(fù)用連接，既能進(jìn)行串口調(diào)試又能遠(yuǎn)程讀取、設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)，I2C接口外接eeprom以存儲日志、配置等關(guān)鍵信息，SPI串行通信總線接口外接flash用于備份系統(tǒng)固件；此外在LS1D100周圍布上必要的8M、32K晶振時鐘電路，在時差模擬前端接上超聲波換能器，在ADC外側(cè)接上電池電壓檢測電路，就組成了一個非常實用的超聲波智能遠(yuǎn)程閥控水表系統(tǒng)應(yīng)用方案。除了常用水表的計量功能外，還能實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制閥門開關(guān)、遠(yuǎn)程固件智能升級等功能。

圖 3 基于LS1D100芯片搭建的新一代超聲波智能水表應(yīng)用方案

LS1D100的單芯片方案，極大的整合了除無線通訊模塊以外的所有資源，精簡了電路設(shè)計，降低了系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性，大大提高整表加工、組裝、生產(chǎn)的穩(wěn)定性。在芯片內(nèi)部燒錄入相應(yīng)的水表應(yīng)用固件程序，結(jié)合片外控制器和片內(nèi)中斷系統(tǒng)、低功耗控制系統(tǒng)、RTC實時時鐘、定時器等資源，就可實現(xiàn)智能水表的各種業(yè)務(wù)功能。

軟件設(shè)計方面，基于龍芯自主LoongArch指令集架構(gòu)，設(shè)計了多任務(wù)輪詢執(zhí)行軟件框架，如圖4所示。水表應(yīng)用功能的設(shè)計結(jié)構(gòu)基于龍芯LS1D板級支持庫設(shè)計完成，其結(jié)構(gòu)如下圖5所示。

圖 4基于 LS1D100超聲波水表軟件多任務(wù)架構(gòu)

圖 5基于 LS1D100超聲波智能水表軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

軟件功能設(shè)計方面，包含了實現(xiàn)智能水表的感知系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、顯示交互系統(tǒng)、存儲備份系統(tǒng)、流量累積計算系統(tǒng)、智能閥控系統(tǒng)等功能。本方案中基于LS1D100的嵌入式軟件設(shè)計實現(xiàn)對流量數(shù)據(jù)信號的識別，判斷、運算、濾波、儲存，并進(jìn)一步的對其狀態(tài)進(jìn)行了推理、決策，控制運行。

軟件設(shè)計基于模塊化的思想，應(yīng)用層上對每一個應(yīng)用進(jìn)行功能模塊劃分，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層，然后設(shè)計出功能獨立的各個模塊，如：LCD顯示交互模塊，電機閥控模塊，通信模塊，流量累積算法模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，Nb-iot通信模塊、紅外收發(fā)模塊、按鍵模塊等，每個模塊依照內(nèi)部功能設(shè)立公共功能接口。驅(qū)動層上以每一個獨立外設(shè)為單元進(jìn)行模塊化封裝，對外提供出接口供上層應(yīng)用調(diào)用。各個功能模塊可獨立編譯、獨立運行，互不依賴，可根據(jù)實際設(shè)計需求進(jìn)行模塊化的自定義配置。

程序的執(zhí)行方式如下：

（1） 上電初始化，完成LS1D100底層外設(shè)的和功能模塊的初始化

（2） 完成傳感器、電池電壓、電機閥門等外設(shè)電路的狀態(tài)自檢。

（3） 開啟TDC時差采集和外設(shè)中斷觸發(fā)機制

（4） 設(shè)置MCU低功耗喚醒方式處理應(yīng)用層業(yè)務(wù)

（5） 輪詢方式檢驗是否喚醒數(shù)據(jù)上報功能和備份存儲功能

（6） 檢測是否有事件觸發(fā)，執(zhí)行相應(yīng)業(yè)務(wù)

為了對基于LS1D100的新一代超聲波智能水表方案進(jìn)行性能評估，在實驗室中采取對靜水環(huán)境中時差穩(wěn)定性和動水環(huán)境中不同流速的實際測量誤差來分析本方案的性能。本方案中使用了如圖6的方案板卡和小口徑水表檢定裝置。

 

 

圖 6實驗測試用方案板和小口徑水表檢定裝置

在實驗臺，打開進(jìn)水閥門，排空水管內(nèi)部的空氣后再關(guān)閉出水閥門，靜止30min后，開始測試靜水狀態(tài)下的時差，設(shè)置超聲波脈沖采集頻率為1s鐘采樣8次。實驗中一共測試兩次，每次測試時長計15h，原始時差測試結(jié)果如下圖7所示。

 a 第一次15h測量結(jié)果          b 第二次15小時測量結(jié)果        

圖 7 原始時差測量結(jié)果示意圖

對其做直方圖統(tǒng)計分析,如圖8所示：

 第一次15h測量結(jié)果          b 第二次15小時測量結(jié)果          

圖 8 原始時差直方圖分布情況

由圖7和圖8可知，靜水環(huán)境下，原始時差相對比較平穩(wěn)，99%以上的時差分布在200皮秒（Ps）以內(nèi)，有著非常好的聚斂性。對其求標(biāo)準(zhǔn)差，分析它的波動性，結(jié)果如下表所示：

兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差均為66ps左右，可見原始信號的時差波動性較小，穩(wěn)定性較高。但是原始信號的峰峰值略高，可能會給流量累積帶來誤差，這里可以使用滑動濾波的方法，以均值來代替原始值來計算流體體積。如下圖所示，取滑動濾波器窗口長度為64，則濾波后上述兩次測量結(jié)果如下圖所示，濾波后時差峰峰值縮小在60ps以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差變?yōu)?7ps左右，性能得到大大提高。

 

a 第一次15h濾波處理結(jié)果          b 第二次15小時濾波處理結(jié)果   

圖 9 滑動濾波后的時差數(shù)據(jù)

實驗中采用的水表管段是DN20管徑，量程比 Q3/Q1 = 250的U性反射體銅管段，根據(jù)式（1）和管段的橫截面積D可求出流量的計算公式

式（2）

式（2）中的是管段內(nèi)部流體的面平均速度，與式（1）中的線速度?t可以根據(jù)管道內(nèi)流體不同的運動狀態(tài)來得到。

管道中流體運動狀態(tài)分為層流、不穩(wěn)定流、紊流，雷諾數(shù)是劃分流體運動狀態(tài)的依據(jù)。管體本身特征對流經(jīng)管體的流體流場狀態(tài)會產(chǎn)生一定的影響，管壁粗糙程度、管道口徑的變化、彎管處等因素都會對流體的運動狀態(tài)產(chǎn)生影響。除此之外，流體本身的流速、流體運動粘度系數(shù)、流體密度等自身流體特征都會對流體運動狀態(tài)變化產(chǎn)生影響。倘若流速處于充分發(fā)展管流條件下，隨著流速由慢至快，其雷諾數(shù)由小到大，管道內(nèi)的流速會經(jīng)過層流、過渡流、湍流等不同流動區(qū)域。

由雷諾數(shù)關(guān)系可知

（1） Re < 2000 ,管段內(nèi)流體呈現(xiàn)層流區(qū)

                （3）

（2） Re > 4000, 管段內(nèi)流體呈現(xiàn)湍流區(qū)

           （4）

（3） Re <4000且Re >2000時，管段內(nèi)流體呈現(xiàn)過度流區(qū)

        （5）

由上述（2）（3）（4）（5），在動水環(huán)境中，智能水表能計算得到在不同流速下水流過水表的體積量，將之記為Q_示。結(jié)合檢定儀表臺量筒內(nèi)的真實體積，由下式（6）可計算得到相對測量誤差^[5]                    

 
實驗室中針對不同流量點的測量誤差進(jìn)行了統(tǒng)計分析，如下圖10所示，本方案水表在[Q2,Q4]間滿足2級水表高區(qū)不超過%2的誤差要求，在[Q2,Q1]區(qū)間滿足2級水表低區(qū)不超多5%的誤差要求。

最后實驗中就測量結(jié)果對低流區(qū)流量累積系數(shù)的進(jìn)行補償修正，系數(shù)修正后，得到的高區(qū)、低區(qū)測量誤差均控制在1%以內(nèi)如圖11所示。

 

圖 10 不同流速下的計量誤差分析

 

圖 11修正流量累積系數(shù)后不同流速下的計量誤差分析

本文基于龍芯自主研發(fā)的LS1D100超聲波流量測計量芯片，完成了一種新一代的超聲波智能水表方案設(shè)計，并對本方案的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、算法優(yōu)化，測量性能評估做了一個全方位的研究。通過實驗室對方案的真實測量時差數(shù)據(jù)和誤差性能分析做了完整評估，取得的令人滿意的結(jié)果。總而言之，基于LS1D100的新一代超聲波智能水表設(shè)計方案相比市場已有的水表，有著顯著明顯的優(yōu)勢。

基于LS1D100芯片的新一代超聲波智能水表方案具有重要的意義和廣闊的商業(yè)化前景。它采用了我國龍芯全自主研發(fā)的LoongArch指令集架構(gòu)體系，打破了國外敵對勢力的技術(shù)封鎖，安全可靠性得到了保障。單芯片的水表方案極簡化了水表的設(shè)計，提高了水表產(chǎn)品的穩(wěn)定性，為水表的批量化生產(chǎn)提供了足夠的便利。隨著我國龍芯自主生態(tài)體系的逐步完善和國家政策對工業(yè)體系安全的高度關(guān)注，該方案具備著無與倫比的應(yīng)用潛力，可在智慧城市、智能家居、工業(yè)用水管理等領(lǐng)域發(fā)揮積極的作用，得到廣泛的推廣。展望未來，隨著超聲波測量技術(shù)的逐步完善，基于LS1D100的新一代超聲波智能水表的計量算法得到進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，測量結(jié)果會得到進(jìn)一步的提高。總之，隨著數(shù)字化中國的快速推進(jìn)，本方案可以其他智能設(shè)備和系統(tǒng)互通互聯(lián)，為物聯(lián)網(wǎng)中國、智能化中國、數(shù)字化中國做貢獻(xiàn)，基于LS1D100新一代超聲波智能水表將為水表行業(yè)、AI智能領(lǐng)域帶來巨大的改變和發(fā)展機遇。

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作者簡介及聯(lián)系方式：

吉大純  龍芯中科（太原）技術(shù)有限公司技術(shù)總監(jiān)；主要從事物聯(lián)網(wǎng)智能終端及工控設(shè)備研發(fā)及市場推廣工作，在工控行業(yè)工作10余年，對工控設(shè)備和智能硬件國產(chǎn)化有著深入研究。電話：13546358296    郵箱：jidachun@loongson.cn