基于嵌入式系统的水污染数据采集终端的设计

研究生课程考试成绩单（试卷封面）院系电气工程学院专业电力电子与电力传动学生姓名陈春华学号081823课程名称单片机及智能仪器授课时间2009年3月至2009年5月周学时3学分3简要评语考核论题总评成绩（含平时成绩）备注任课教师签名：日期：注：1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。2.任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。3.学位课总评成绩以百分制计分。基于嵌入式系统的水污染数据采集终端的设计学号：16004520姓名：陈春华1.概述环境污染问题日益严重，对污染物排放的控制越来越得到人们的重视。要对污染排放进行控制，先需要对各污染源的污染物排放情况进行在线监测。环保在线监测仪在国外已有成套的技术方法和标准化的仪器。目前我国的环保监测仪器基本还采用的是实验室分析仪器，工作量大，取样频率低，无法满足污染物总量控制的要求。本课题针对污染源水质在线监测具体应用，致力于环保领域的在线检测和科学研究[1-2]。1.1基于ARM微处理器的数据采集系统目前，常用的数据采集装置，系统硬件多采用单片机进行控制，软件多采用单任务顺序机制。这样，系统不仅处理能力有限，而且存在系统安全性差的问题。ARM技术是嵌人式系统方面的主流技术，其应用领域也越来越广泛。目前市场上的ARM芯片速度可达几百兆，以此为主控芯片可实现高速、高精度且具有一定处理能力的数据采集处理系统[3]。1.2数据的采集数据采集是监控设备运行状况必不可少的重要环节，能够将模拟量转换成数字量并且输人到CPU，这也是数据采集系统的基本功能.。在一些ARM单片机中自带了AD转化器，比如PHILIPS公司的LPC2210，它是基于一个支持实时仿真和嵌人式跟踪的16/32位ARM7TDMICPU的微控制器，带有8路10位ADC。也可以采用专有的AD转换芯片对输入的模拟量进行数字变换。但使用独立的AD芯片，势必会导致成本的提高，不利于整个系统的经济型。但无论是处理器自带的AD还是专有AD芯片都要对输入的模拟量信号进行预处理，完成输入信号的的滤波与放大[4-7]。1.3数据采集板卡与主控模块的通信数据采集板卡与主控模块之间必定需要一定的确定的形式进行数据的传输与通信，而总线技术很好的解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。以下是控制领域常用的几种总线形式，我们可以根据不同的需要采用符合项目要求的总线[8-12]。1.3.1RS-485RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。1.3.2CAN最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。1.3.3LonWorksLonWorks技术是美国Echelon公司于1990年12月为支持LON总线推出的全分布式智能控制网络技术，特点如下:神经元(Neuron)芯片是技术的核心，它具备了通讯与控制功能，并且固化了ISO的全部七层协议，LonTalk是LON总线的通信协议，支持七层网络协议，提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统。网络通信采用了面向对象的设计方法(网络变量)，使网络通信的设计简化为参数设置，从而节省了大量的设计工作量。1.3.4I2C总线I2C（Inter-IC）总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。1.4嵌入式操作系统随着计算机技术的迅速发展和芯片制造工艺的不断进步，嵌入式系统的应用日益广泛：从民用的电视、手机等电路设备到军用的飞机、坦克等武器系统，到处都有嵌入式系统的身影。在嵌入式系统的应用开发中，采和嵌入式实时操作系统（简称RTOS）能够支持多任务，使得程序开发更加容易，便于维护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。这已逐渐成为嵌入式系统开发的一个发展方向。嵌入式实时操作系统有很多，如VxWorks、PalmOS、WindowsCE等。这些操作系统均属于商品化产品，价格昂贵且由于源泉代码不公开导致了诸如对设备的支持、应用软件的移植等一系列的问题；而开放源码的RTOS在成本和技术上有其特有的优势，在RTOS领域占有越来越重要的地位。其中μC/OS-II就是一种优秀的源码公开的实时操作系统。μC/OS和μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU上。许多移植的范例可以从网站上得到。用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS嵌入到开发的产品中。μC/OS具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性能等特点，最小内核可编译至2KB。μC/OS-II已经移植到了几乎所有知名的CPU上[13-15]。2．系统总体设计方案2.1总体方案概要本课题主要针对现场层的设计与实现，考虑到现场水质监测仪通信或数据传输的多样性，同时借鉴、沿用、扩展现有技术，并充分考虑设计的经济性、实用性，可采用嵌入式系统方案。2.2硬件总体设计方案根据系统应该具有模块化、标准化、智能化和快速化的设计思想，按功能的不同将整个系统分为几个独立的模块来分别设计。2.2.1主控模块对主控模块进行硬件电路设计时，处理器的选择是关键的问题。按照低功耗、低成本、小体积、多功能的要求。选择ARM7芯片作为主控制模块的微处理器，在硬件设计上，只需要在芯片周围增加较少的元器件和辅助电路，就可以设计出功能较强、符合系统要求的主控系统。作为主控系统所要完成的任务相对比较复杂。主控模块主要任务如下：（1）要对采集模块传输来的数据进行处理后存储。（2）主控系统须具有相应的输入（键盘）与输出（显示屏）设备，能根据用户的操作对系统的状态与采集数据进行显示，以便用户读取。（3）能够控制相应的执行机构(阀门，污染物监测仪器)正确的工作。（4）具有一定的通信接口，可以和上位机进行互动通信。2.2.2数据采集模块电流输入：-20mA~20mA，光电隔离；电压输入：-5~5V，光电隔离，模拟量输入通道数应为8路及以上；A/D转换分辨率应至少为12bit或以上。对仪器采集的模拟信号通过AD进行模数变换，再将采集的数据进行一定解包的处理以后，进行存储。数字量输入通道数应为8路。通过数字口，读取仪器的状态数据或对仪器发送一定的控制命令。2.2.3通信模块现场仪器，动作模块，上位机都要与主控模块进行数据的交互。所以需要相应的通信的模块完成数据与控制命令的传输。在此系统中采用串口完成相应的通信任务。2.2.4电源模块在主控制模块中，分别需要使用5V、3.3V、1.8V的直流稳压电源，另外部分器件需要5V和-+12V的电源。为此，需要设计相应的电源转换电路，以获得所需要的5V、3.3V、1.8V、和-+12V电压。应配置备用电源（如不间断电源UPS或电池），在断电时数据采集传输仪可继续工作6h以上。2.3软件总体设计方案本课题中主控模块是整个系统中枢部分，负责数据的采集（模拟量的采集与数字量的采集），仪器的控制，动作设备的控制，数据的存储，与上位机的通信。所以软件设计的工作主要集中在主控模块软件的设计上。根据软件功能的不同，我们又可以将主控模块软件划分为以下五个子模块来进行详细设计。1．数据采集模块：本模块是软件是最主要的功能模块。根据采集信号量的不同，可分为模拟量采集模块与数字量采集模块。其中模拟量采集模块主要负责控制各块多通道AD对不同通道的模拟信号进行模数变换，进行数据的采集；而数字量采集模块主要负责对各数字通道传来的数据包进行分别解包采集数据，并且负责向不同仪器发送控制命令。2．数据存储模块：对数据采集模块采集的数据，根据仪器的不同，进行分类存储，便于以后上位机对数据的查询与读取。3．仪器控制模块：在有些情况下，需要我们对仪器进行一定的操作（例如：读仪器时间、设定仪器的时间、控制仪器定时测量、对仪器进行校正）控制其正常工作。4．动作设备控制模块：主要控制泵、阀、采集模块等外部器件的动作。要对这些器件进行怎样的控制，可以写在步骤文件中，独立于运行控制核心。5．通信模块：此模块主要负责与上位机的通信与系统的测试。因为采集的数据不可能只存在终端设备中，需要我们将数据有效的传回上位机中进行存储与处理。所以利用此通信模块对数据进行有效的传输。2.4系统的总体架构2.4.1硬件架构图硬件系统可分为6个模块来设计：主控制模块采用LPC2294作为系统的核心CPU；数据采集模块以AD7865作为数模转化的核心芯片并辅助以OP497作为前端调理电路的核心芯片；数据通信模块以TL16C554作为串口扩展芯片，以MAX3485、SP3232E作为485与232接口芯片；控制信号模块以TLP521-4为光隔，以TN2-12V继电器作为驱动芯片；电源模块涉及到了各电压等级，我们选择了LDO芯片SPX-1117作为稳压器件；存储模块以SRAMIS61LV25616AL芯片作为存储器件。图2-1硬件架构图2.4.2软件架构图软件工作流程如图2-2根据项目的要求，系统应具有两种命令发送方式：第一种为了随时观测水质的需要，可以通过按键，手工输入采集命令，通知仪器进行采集，获得相关水质数据。第二种为了自动化采集的需要，可以通过配置文件，控制系统定时发送采集命令，通知仪器进行采集，这样可以实现无人职守采集站。因为水质采集仪器的多样性，决定了不能通过统一的采集模式，对仪器进行数据的采集。根据仪器的分类，可分为三种采集模式：南京市协议采集模式、Modbus协议采集模式、模拟量采集模式。对于仪器传回的数据，系统要进行一定的处理后再进行处理。从采集模式中我们了解到三种形式的数据，所以要求我们对三种资料需采用不同的处理方式。利用串口我们可以实现将系统采集的数据传回上位机进行显示。这就要求我们的系统与上位机之间采用一定的通信协议。图2-2软件架构图3.水污染采集系统的硬件设计在进行系统硬件设计时，将整个系统分为多个模块进行设计，这样可以使设计时，任务更明确，系统结构更清晰。该系统可分为6个模块来设计：主控制模块、数据采集模块、数据通信模块、控制信号模块、电源模块和存储模块。根据第二章选型标准：主控制模块采用LPC2294作为系统的核心CPU；数据采集模块以AD7865作为数模转化的核心芯片并辅助以OP497作为前端调理电路的核心芯片；数据通信模块以TL16C554作为串口扩展芯片，以MAX3485、SP3232E作为485与232接口芯片；控制信号模块以TLP521-4为光隔，以TN2-12V继电器作为驱动芯片；电源模块涉及到了各电压等级，我们选择了LDO芯片SPX-1117作为稳压器件；存储模块以SRAMI