基于LS1D100的新一代超声波智能水表方案的研究与设计

 摘要：本文主要介绍一种基于龙芯中科技术股份有限公司LS1D100超声波流量测计量芯片的高集成度单芯片超声波智能水表应用解决方案。论文详细阐述了基于LS1D芯片的新一代超声波智能水表应用方案，包括硬件设计、软件设计、算法优化等内容。此外还在实验室对本应用方案的冷水计量准确度、稳定性等方面的性能做了评估，给出了实验室测量数据结果。最后总结了基于LS1D100单芯片超声波水表应用方案的主要优势和对未来水表行业的意义，展望了其未来的商业前景和发展趋势。

关键词：超声波流量测计量芯片  智能水表  龙芯LS1D100   安全自主可控

1 引言与背景

自2016年以来，随着nb-iot技术的逐渐成熟，智能物联网水表在中国的市场的部署规模呈现指数级的增长，目前我国的水表保有量约为4.5亿只，按照水表6年一换的更换周期，国内每年将近有8000万只水表待升级，加上每年对海外出口约2000余万只水表^[1]。我国每年共有约1亿的水表市场需求量，如此庞大的需求不断催化着水表产品技术的更新换代，这离不开国家科学用水政策的引导推动和水资源的精细化管理，也离不开精密计量仪器的研发与应用。从1.0时代的机械水表到2.0时代的电子水表，随着新技术的迭代升级，超声波水表逐渐从智能表计中脱颖而出，作为新一代电子水表产品的研发和生产逐步进入“快车道”，其前景欣欣向荣^[2]。

超声波水表的工作原理是根据超声波在测量管道中的正、逆向渡越时间和渡越时间差来对管内流经的流体速度和流量进行测量的。在管道的内部插入两个超声波信号反射体，从超声波换能器一端发射出的超声波信号经过两个反射体的反射，回到另外一端的换能器中；从不同换能器端发射信号在管内传播，由于管内流速的影响，经过MCU的TDC处理单元处理后，形成的正逆向渡越时间差与流速形成如下正比的关系^[2]

                         （1）

式（1）中c是超声波在水中的传播速度，L是两个反射体之间的长度，Δt是正逆渡越时间差，为管道内的流体的平均流速。如此可见，只要确保正逆向渡越时间差的准确测量，就可实现流体流量的精密测量。

本文提出的新一代超声波智能水表方案是采用的龙芯中科公司研发的新一代超声波流量测计量芯片LS1D100来实现的。它是基于龙芯中科公司自主设计的LoongArch^[3]构体系设计的一款集MCU和时差测量单元（TDC）、超声波脉冲发生器于一体的高集成度SOC芯片，对正、逆向的渡越时间检测使用了门限电平的测量方法，精度高而且稳定性好，成本低廉，市场上得到了的广泛应用。

2 基于LS1D100芯片的超声波水表方案设计

LS1D100是龙芯中科公司全自主研发的新一代信创超声波流量测计量芯片, 也是国内首款将超声波时差测量单元和MCU微控制器集为一体，专用于超声波热表、水表、气表测量的SOC芯片。采用32位自主指令集LoongArch架构设计，主频8/32MHz，内置4KSRAM+4KDRAM高速存储器，128K字节FLASH存储器，并集成有CPU、flash、TDC（时间测量单元）、超声波脉冲发生器、温度测量单元、SPI、UART、I2C、RTC、ADC、段式LCD控制器、状态检测等功能。它具有高精度、高安全性、高性价比、高集成度、低功耗等特点，其芯片结构框图如下图1所示。

图 1 龙芯LS1D100结构图

由于LS1D100将MCU与超声波收发、时差测量单元集成一体，可以极简化水表的电路设计，单芯片实现水表的设计。如图2所示LS1D100时差采集模拟前端电路与换能器间仅仅需2个电容2个电阻就可组成最简单的时差采集回路以此实现流体的测量。

图 2 lS1D100模拟前端与换能器的连接示意图

基于lS1D100的新一代智能水表方案，采用了龙芯芯片与物联网无线通讯模组相结合的方式来开发，市场上各类无线通讯模组（LoRa 、NB-IoT、2G、3G、4G-cat1、5G、蓝牙Bluetooth、WIFI等）都可以与LS1D100灵活连接，所形成的方案都具备有设计简单，安全性高，抗干扰能力强，传输稳定性高的特点。一种基于LS1D100的新一代超声波智能水表应用解决方案如下图3所示，该方案以LS1D100作为核心主控元件，无线通讯模组NB-IOT与LS1D100通过UART1进行连接，LCD控制器接口外接96段式LCD显示屏，通过GPIO外接触摸感应按键、阀控电机；另外UART0与红外收发装置复用连接，既能进行串口调试又能远程读取、设置系统数据，I2C接口外接eeprom以存储日志、配置等关键信息，SPI串行通信总线接口外接flash用于备份系统固件；此外在LS1D100周围布上必要的8M、32K晶振时钟电路，在时差模拟前端接上超声波换能器，在ADC外侧接上电池电压检测电路，就组成了一个非常实用的超声波智能远程阀控水表系统应用方案。除了常用水表的计量功能外，还能实现远程无线控制阀门开关、远程固件智能升级等功能。

图 3 基于LS1D100芯片搭建的新一代超声波智能水表应用方案

LS1D100的单芯片方案，极大的整合了除无线通讯模块以外的所有资源，精简了电路设计，降低了系统故障发生的可能性，大大提高整表加工、组装、生产的稳定性。在芯片内部烧录入相应的水表应用固件程序，结合片外控制器和片内中断系统、低功耗控制系统、RTC实时时钟、定时器等资源，就可实现智能水表的各种业务功能。

软件设计方面，基于龙芯自主LoongArch指令集架构，设计了多任务轮询执行软件框架，如图4所示。水表应用功能的设计结构基于龙芯LS1D板级支持库设计完成，其结构如下图5所示。

图 4基于 LS1D100超声波水表软件多任务架构

图 5基于 LS1D100超声波智能水表软件设计结构

软件功能设计方面，包含了实现智能水表的感知系统、信号采集系统、数据传输系统、显示交互系统、存储备份系统、流量累积计算系统、智能阀控系统等功能。本方案中基于LS1D100的嵌入式软件设计实现对流量数据信号的识别，判断、运算、滤波、储存，并进一步的对其状态进行了推理、决策，控制运行。

软件设计基于模块化的思想，应用层上对每一个应用进行功能模块划分，并对整体结构进行分层，然后设计出功能独立的各个模块，如：LCD显示交互模块，电机阀控模块，通信模块，流量累积算法模块，数据存储模块，Nb-iot通信模块、红外收发模块、按键模块等，每个模块依照内部功能设立公共功能接口。驱动层上以每一个独立外设为单元进行模块化封装，对外提供出接口供上层应用调用。各个功能模块可独立编译、独立运行，互不依赖，可根据实际设计需求进行模块化的自定义配置。

程序的执行方式如下：

（1） 上电初始化，完成LS1D100底层外设的和功能模块的初始化

（2） 完成传感器、电池电压、电机阀门等外设电路的状态自检。

（3） 开启TDC时差采集和外设中断触发机制

（4） 设置MCU低功耗唤醒方式处理应用层业务

（5） 轮询方式检验是否唤醒数据上报功能和备份存储功能

（6） 检测是否有事件触发，执行相应业务

3 基于LS1D100的新一代超声波智能水表性能评估

为了对基于LS1D100的新一代超声波智能水表方案进行性能评估，在实验室中采取对静水环境中时差稳定性和动水环境中不同流速的实际测量误差来分析本方案的性能。本方案中使用了如图6的方案板卡和小口径水表检定装置。

图 6实验测试用方案板和小口径水表检定装置

3.1 静水时差稳定性实验

在实验台，打开进水阀门，排空水管内部的空气后再关闭出水阀门，静止30min后，开始测试静水状态下的时差，设置超声波脉冲采集频率为1s钟采样8次。实验中一共测试两次，每次测试时长计15h，原始时差测试结果如下图7所示。

 a 第一次15h测量结果                 b 第二次15小时测量结果        

图 7 原始时差测量结果示意图

对其做直方图统计分析,如图8所示：

 a 第一次15h测量结果               b 第二次15小时测量结果          

图 8 原始时差直方图分布情况

由图7和图8可知，静水环境下，原始时差相对比较平稳，99%以上的时差分布在200皮秒（Ps）以内，有着非常好的聚敛性。对其求标准差，分析它的波动性，结果如下表所示：

两组数据的标准差均为66ps左右，可见原始信号的时差波动性较小，稳定性较高。但是原始信号的峰峰值略高，可能会给流量累积带来误差，这里可以使用滑动滤波的方法，以均值来代替原始值来计算流体体积。如下图所示，取滑动滤波器窗口长度为64，则滤波后上述两次测量结果如下图所示，滤波后时差峰峰值缩小在60ps以内，标准差变为17ps左右，性能得到大大提高。

a 第一次15h滤波处理结果          b 第二次15小时滤波处理结果   

图 9 滑动滤波后的时差数据

3.2动水环境下测量精度性能分析

实验中采用的水表管段是DN20管径，量程比 Q3/Q1 = 250的U性反射体铜管段，根据式（1）和管段的横截面积D可求出流量的计算公式

                        式（2）

式（2）中的是管段内部流体的面平均速度，与式（1）中的线速度可以根据管道内流体不同的运动状态来得到。

管道中流体运动状态分为层流、不稳定流、紊流，雷诺数是划分流体运动状态的依据。管体本身特征对流经管体的流体流场状态会产生一定的影响，管壁粗糙程度、管道口径的变化、弯管处等因素都会对流体的运动状态产生影响。除此之外，流体本身的流速、流体运动粘度系数、流体密度等自身流体特征都会对流体运动状态变化产生影响。倘若流速处于充分发展管流条件下，随着流速由慢至快，其雷诺数由小到大，管道内的流速会经过层流、过渡流、湍流等不同流动区域。

由雷诺数关系可知

（1） Re < 2000 ,管段内流体呈现层流区

                 （3）

（2） Re > 4000, 管段内流体呈现湍流区

  （n = 1.66 lgRe ）         （4）

（3） Re <4000且Re >2000时，管段内流体呈现过度流区

          （5）

由上述（2）（3）（4）（5），在动水环境中，智能水表能计算得到在不同流速下水流过水表的体积量，将之记为。结合检定仪表台量筒内的真实体积，由下式（6）可计算得到相对测量误差^[5]                    

实验室中针对不同流量点的测量误差进行了统计分析，如下图10所示，本方案水表在[Q2,Q4]间满足2级水表高区不超过%2的误差要求，在[Q2,Q1]区间满足2级水表低区不超多5%的误差要求。

最后实验中就测量结果对低流区流量累积系数的进行补偿修正，系数修正后，得到的高区、低区测量误差均控制在1%以内如图11所示。

图 10 不同流速下的计量误差分析

图 11修正流量累积系数后不同流速下的计量误差分析

4 总结与展望

本文基于龙芯自主研发的LS1D100超声波流量测计量芯片，完成了一种新一代的超声波智能水表方案设计，并对本方案的硬件设计、软件设计、算法优化，测量性能评估做了一个全方位的研究。通过实验室对方案的真实测量时差数据和误差性能分析做了完整评估，取得的令人满意的结果。总而言之，基于LS1D100的新一代超声波智能水表设计方案相比市场已有的水表，有着显著明显的优势。

基于LS1D100芯片的新一代超声波智能水表方案具有重要的意义和广阔的商业化前景。它采用了我国龙芯全自主研发的LoongArch指令集架构体系，打破了国外敌对势力的技术封锁，安全可靠性得到了保障。单芯片的水表方案极简化了水表的设计，提高了水表产品的稳定性，为水表的批量化生产提供了足够的便利。随着我国龙芯自主生态体系的逐步完善和国家政策对工业体系安全的高度关注，该方案具备着无与伦比的应用潜力，可在智慧城市、智能家居、工业用水管理等领域发挥积极的作用，得到广泛的推广。展望未来，随着超声波测量技术的逐步完善，基于LS1D100的新一代超声波智能水表的计量算法得到进一步的优化和完善，测量结果会得到进一步的提高。总之，随着数字化中国的快速推进，本方案可以其他智能设备和系统互通互联，为物联网中国、智能化中国、数字化中国做贡献，基于LS1D100新一代超声波智能水表将为水表行业、AI智能领域带来巨大的改变和发展机遇。

参考文献

[1] 王一民,钱浩瀚,王佩君,马 俊.智能水表的应用及产业发展现状分析[J].计量与测控技术,2022,49 (3): 102-108

[2] 姚灵.超声波水表原理与技术[M].北京.中国标准出版社,2022

[3] 龙芯中科技术股份有限公司:龙芯架构32位精简版参考手册V1.03,2023

[4] 姜燕丹.超声波技术在复杂流体参数测量中的应用[D].杭州：浙江大学,2019

[5] GB/T778.1-2018《引用冷水水表和热水水表 第1部分：计量要求和技术要求》

[6] 苏铭德,黄素逸.计算流体力学基础[M].北京: 清华大学出版社.1997

作者简介：

吉大纯  龙芯中科（太原）技术有限公司技术总监；主要从事物联网智能终端及工控设备研发及市场推广工作，在工控行业工作10余年，对工控设备和智能硬件国产化有着深入研究。