董文潤，黃書成

（天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

近年來，超聲波流量計(jì)以其非接觸測量、無可動(dòng)部件、無壓力損失、超低始動(dòng)流量、超高計(jì)量精度和智能化應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，成為燃?xì)馄髽I(yè)追捧的對(duì)象。目前，城市燃?xì)庥?jì)量預(yù)付費(fèi)計(jì)量儀表主要以渦輪流量計(jì)與腰輪流量計(jì)為主，燃?xì)馄髽I(yè)在用的超聲波流量計(jì)不具有預(yù)付費(fèi)的功能，需另外配預(yù)付費(fèi)控制器才能實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能?；谏鲜鲈颍兄屏艘豢頒PU 卡預(yù)付費(fèi)多聲道超聲波流量計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 CPU卡預(yù)付費(fèi)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)

CPU 卡預(yù)付費(fèi)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1 所示，主要由基表、超聲波計(jì)量模組和CPU 卡補(bǔ)償控制器3 部分組成。超聲波計(jì)量模組定時(shí)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算工況流量，同時(shí)采集溫度、壓力并將采集結(jié)果傳輸給修正儀?？刂破骷疌PU 卡操作、體積修正計(jì)算、閥門控制于一體，內(nèi)嵌ESAM 安全芯片，對(duì)CPU 卡的每一步操作都要安全認(rèn)證，安全性高，并采用EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，具備歷史數(shù)據(jù)查詢和存儲(chǔ)功能。修正儀帶RS485 通信接口，可與其他二次儀表或計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 CPU卡預(yù)付費(fèi)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)框圖Fig.1 CPU Card prepaid ultrasonic flowmeter system block diagram

1.2 氣體超聲波流量計(jì)基本工作原理

超聲波流量計(jì)以測量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間與流量的關(guān)系為原理，通常認(rèn)為聲波在流體中的實(shí)際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度和流體軸向平均流速在聲波傳播方向上的分量組成[1]。

本文研究的CPU 卡預(yù)付費(fèi)多聲道超聲波流量計(jì)采用“時(shí)差法”測量流速。首先，使用探頭A 發(fā)射信號(hào)，信號(hào)穿過流體后被另一側(cè)的探頭B 接收到，測得傳輸時(shí)間tAB；在探頭A 發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，探頭B 也發(fā)出同樣的信號(hào)，經(jīng)過流體后被探頭A 接收到，測得傳輸時(shí)間tBA。由于流速的存在使得tAB和tBA存在時(shí)間差，根據(jù)此時(shí)間差便可求得流速，進(jìn)而得到流量值。

按圖2 所示，順流和逆流傳播時(shí)間與各量之間的關(guān)系是：

本文研究的CPU 卡預(yù)付費(fèi)多聲道超聲波流量計(jì)采用多聲道設(shè)計(jì)，能夠?qū)u流和不對(duì)稱流進(jìn)行檢測，消除傳感器和處理電路的不確定固有延時(shí)，具有高抗噪性、測量精確等特點(diǎn)。同時(shí)，多聲道可以作為冗余備份，即使個(gè)別傳感器損壞，氣體超聲波流量計(jì)仍能正常工作，極大提高了檢測的可靠性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波信號(hào)采集檢測

圖2 聲速測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound velocity measurement

圖3 多聲道示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-channel

圖4 超聲波信號(hào)采集原理框圖Fig.4 Block diagram of ultrasonic signal acquisition principle

選擇超聲換能器A 作為發(fā)送源，MCU 觸發(fā)升壓電路使能，產(chǎn)生10V 交流電壓給超聲換能器A 供電，超聲換能器A 通過聲道將電能轉(zhuǎn)換為聲能；相對(duì)應(yīng)超聲換能器B 將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，超聲換能器B 作為接收源，接收到的信號(hào)電壓范圍在-20mV ～+20mV，經(jīng)過二級(jí)放大，電壓范圍在-2V ～+2V，再經(jīng)過比較電路將正弦波轉(zhuǎn)換為方波。時(shí)間計(jì)算芯片采集到方波信號(hào)，計(jì)算三組時(shí)間值，通過三組時(shí)間可計(jì)算出超聲換能器的信號(hào)頻率以及飛行時(shí)間。信號(hào)頻率為超聲換能器發(fā)出的聲波頻率，如果采樣的頻率不在超聲換能器聲波頻率范圍，則可作為干擾信號(hào)處理。當(dāng)超聲換能器B 作為發(fā)射源時(shí)，超聲波信號(hào)采集流程與超聲換能器A 作為發(fā)射源時(shí)的流程相同。

圖5 開閥控制原理框圖Fig.5 Block diagram of valve opening control

MCU 采集兩次飛行時(shí)間用于計(jì)算氣體流速，超聲波飛行時(shí)間計(jì)算采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收和計(jì)時(shí)。

2.2 閥門控制接口

閥門接口電路主要由限位開關(guān)、閥電池、電機(jī)控制電路組成，MCU 通過檢測限位開關(guān)來判斷閥門狀態(tài)[2]。圖5為開閥控制原理框圖。開閥時(shí)，MCU 給電機(jī)控制電路發(fā)送正向打開信號(hào)，電機(jī)經(jīng)過齒輪傳動(dòng)開閥；當(dāng)檢測到限位開關(guān)到位時(shí)，停止供電，完成開閥。

3 軟件總體設(shè)計(jì)

流量補(bǔ)償控制器采用的是超低功耗的MSP430 單片機(jī)，在休眠狀態(tài)下，工作電流在100uA 以下。正常工作情況下，17A*h 鋰電池可保證控制器工作5 年。圖6 為控制器程序總體框架，MCU 平時(shí)處于休眠或待機(jī)模式，當(dāng)有外部按鍵中斷、流量信號(hào)采集中斷和串口通訊中斷時(shí)MCU 退出低功耗狀態(tài)，做出響應(yīng)。軟件設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊均為獨(dú)立模塊。當(dāng)有事件觸發(fā)時(shí)，由主程序調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊。

卡操作程序是流量計(jì)預(yù)付費(fèi)功能得以實(shí)現(xiàn)的最重要部分，CPU 卡操作部分均在此程序基礎(chǔ)上完成。CPU 卡操作過程是由卡命令發(fā)送與接收操作組成，在接收與操作命令時(shí)嚴(yán)格遵守ISO7816 標(biāo)準(zhǔn)[3]。圖7 為插卡操作流程圖，CPU卡的每一步操作都需要進(jìn)行安全認(rèn)證。

圖6 控制器程序總體框架Fig.6 Overall framework of the controller program

圖7 插卡操作流程圖Fig.7 Card operation flowchart

圖8 CBC模式加密過程Fig.8 CBC Mode encryption process

4 密文傳輸

CPU 卡預(yù)付費(fèi)超聲波流量計(jì)中超聲波計(jì)量模塊作為獨(dú)立模塊，自帶MCU，主要實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和超聲波信號(hào)采集，計(jì)算工況流量，并將采集信息傳輸?shù)娇刂破?。流量補(bǔ)償控制器與超聲波計(jì)量模塊通訊采用加密傳輸，保證了傳輸數(shù)據(jù)安全可靠。

加密算法采用分組密碼模式CBC（Cipher Block Chaining），即密文分組鏈接模式。CBC 模式是將前一密文分組與當(dāng)前明文分組的內(nèi)容進(jìn)行XOR 運(yùn)算，然后再進(jìn)行加密。CBC 模式每一次加密都需要前一個(gè)密文塊參與，明文中微小的改變都會(huì)使后續(xù)所有密文改變。無法從密文看出明文的規(guī)律，安全性得以提高。

初始化向量IV：初始化向量IV 總共10 組。

明文片段：將需要加密的明文片段分成若干個(gè)明文片段，每個(gè)明文片段8 字節(jié)。

圖9 CBC模式解密過程Fig.9 CBC Mode decryption process

加密算法：加密算法也采用異或算法，使用明文異或IV 的結(jié)果與密鑰進(jìn)行異或計(jì)算。密鑰：密鑰長度為8 字節(jié)，共10 組，每次加解密時(shí)選擇其中一組。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種CPU 卡預(yù)付費(fèi)多聲道超聲波流量計(jì)，采用多聲道設(shè)計(jì)，該流量計(jì)各聲道可以進(jìn)行聲速比對(duì)，如果差值過大，可以給出報(bào)警信息。同時(shí)，集CPU 卡操作、體積修正計(jì)算和閥門控制于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。