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用解決方案。論文詳細闡述了基于LS1D芯片的新一代超聲波智能水表應用方案，包括硬件設計、軟件設計、算法優(yōu)化等內(nèi)容。此外還在實驗室對本應用方案的冷水計量準確度、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

1 引言與背景

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，這離不開國家科學用水政策的引導推動和水資源的精細化管理，也離不開精密計量儀器的研發(fā)與應用。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）

式（1）中c是超聲波在水中的傳播速度，L是兩個反射體之間的長度，Δt是正逆渡越時間差，為管道內(nèi)的流體的平均流速。如此可見，只要確保正逆向渡越時間差的準確測量，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計的LoongArch^[3]構(gòu)體系設計的一款集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用。

2 基于LS1D100芯片的超聲波水表方案設計

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計，單芯片實現(xiàn)水表的設計。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、藍牙Bluetooth、WIFI等）都可以與LS1D100靈活連接，所形成的方案都具備有設計簡單，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外接觸摸感應按鍵、閥控電機；另外UART0與紅外收發(fā)裝置復用連接，既能進行串口調(diào)試又能遠程讀取、設置系統(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程閥控水表系統(tǒng)應用方案。除了常用水表的計量功能外，還能實現(xiàn)遠程無線控制閥門開關(guān)、遠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)部燒錄入相應的水表應用固件程序，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)務功能。

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

圖 5基于 LS1D100超聲波智能水表軟件設計結(jié)構(gòu)

軟件功能設計方面，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，并進一步的對其狀態(tài)進行了推理、決策，控制運行。

軟件設計基于模塊化的思想，應用層上對每一個應用進行功能模塊劃分，并對整體結(jié)構(gòu)進行分層，然后設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)部功能設立公共功能接口。驅(qū)動層上以每一個獨立外設為單元進行模塊化封裝，對外提供出接口供上層應用調(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)實際設計需求進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、電機閥門等外設電路的狀態(tài)自檢。

（3） 開啟TDC時差采集和外設中斷觸發(fā)機制

（4） 設置MCU低功耗喚醒方式處理應用層業(yè)務

（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)行相應業(yè)務

3 基于LS1D100的新一代超聲波智能水表性能評估

為了對基于LS1D100的新一代超聲波智能水表方案進行性能評估，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

3.1 靜水時差穩(wěn)定性實驗

在實驗臺，打開進水閥門，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：

 a 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。對其求標準差，分析它的波動性，結(jié)果如下表所示：

兩組數(shù)據(jù)的標準差均為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)，標準差變?yōu)?/span>17ps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)

3.2動水環(huán)境下測量精度性能分析

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)

  （n = 1.66 lgRe ）         （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。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

4 總結(jié)與展望

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計，并對本方案的硬件設計、軟件設計、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?？偠灾?，基于LS1D100的新一代超聲波智能水表設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用潛力，可在智慧城市、智能家居、工業(yè)用水管理等領域發(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一步的優(yōu)化和完善，測量結(jié)果會得到進一步的提高?？傊?，隨著數(shù)字化中國的快速推進，本方案可以其他智能設備和系統(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，基于LS1D100新一代超聲波智能水表將為水表行業(yè)、AI智能領域帶來巨大的改變和發(fā)展機遇。

參考文獻

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作者簡介：

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，對工控設備和智能硬件國產(chǎn)化有著深入研究。