溫陽東，錢夢然，王 軍

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

中國是一個嚴重缺水的國家，目前全國多數城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。水質監(jiān)測是水資源管理與保護的重要基礎，是保護水環(huán)境的重要手段，所以對水質監(jiān)測系統(tǒng)的研究就顯得尤為的重要[1]。本文以LPC2468為CPU，利用AD7656進行A/D轉換、通過DM9000進行以太網通信，實現的水質監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小巧、測量精度高、反應速度快等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設計方案

水質監(jiān)測系統(tǒng)采用ARM單核處理系統(tǒng)，其總體設計方案如圖1所示。水溫、電導率等8路模擬量經過傳感器轉換為電壓信號，經數據采集模塊進行信號濾波調理與A/D轉換后，通過SPI總線進入ARM。對ARM擴展了一片鐵電存儲器和一片RAM進行數據緩存，還擴展了一片DM9000用于實現以太網通信。另外，人機接口模塊中的液晶顯示模塊以及按鍵控制模塊使得系統(tǒng)能夠脫離PC機作為獨立的便攜裝置使用。

圖1 總體設計方案

1.1 CPU模塊

本設計采用NXP公司的一款具有極高集成度的以ARM7TDMI-S為內核的32位微控制器LPC2468，該微控制器支持實時仿真和嵌入式跟蹤，處理器時鐘高達72 MHz。該芯片片內集成了10/100 M以太網媒體訪問控制器、USB2.0全速 Device/Host/OTG 控制 器、UART、CAN-bus等眾多資源，同時它還具有98 KB RAM、512 KB FLASH，使其非常適合于通信網關、協(xié)議轉換器、嵌入式軟件調制解調器以及其他各種類型的應用[2]。

1.2 A/D轉換模塊

在水質監(jiān)測裝置中，為了達到測量精度，采用了ADI公司16 bit、6通道、高集成度逐次逼近型同步采樣ADC。AD7656采用iCMOS工藝，功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%，采樣率每通道達250 kb/s，并且在片內包含一個+2.5 V內部基準電壓源和緩沖器，因此能很好地滿足電能質量裝置對高分辨率、多通道、高轉換速率和低功耗的要求。AD7656接口電路如圖2所示。圖中 V1～V6為6路經信號調節(jié)電路處理的模擬信號，通過低通濾波器濾除高頻分量。VDD與VSS為采樣保持開關工作的電源，為保證AD7656正常工作，需保證VDD和VSS大于模擬輸入電壓范圍，這里取-12 V～+12 V。AVcc與DVcc是AD7656模擬電壓輸入端和數字電壓輸入端。系統(tǒng)提供+5 V給AVcc模擬電壓端，然后將DVcc和AVcc連接在一起，AVcc與DVcc通過磁珠隔離，以減少工作過程中DVcc引起的數字噪聲對AVcc的影響。由于對實時性要求不高，因此A/D轉換器與LPC2468之間采取SPI通信，大大簡化了硬件接線。

圖2 AD7656與CPU接線圖

模擬量總共有8路，而AD7656只有6路通道，因此采用一片雙4通道多路開關AD7502進行擴展。同時，由于AD7656為雙極性輸入，且輸入電壓為-5 V～+5 V，而經調理電路傳到AD7656的電壓信號為 0～10 V，這將導致采樣丟失。為了解決這一問題，進行了如圖3所示的電壓轉換設計，把 0～10 V電壓轉換為-5 V～+5 V電壓，從而提高了準確度。

1.3 其他模塊

(1)看門狗電路以及存儲器模塊。本系統(tǒng)看門狗采用CAT1161，因其無上電復位功能，所以在復位端應另加RC復位電路。此外，給ARM外擴了一片512 KB的RAM和一片256 KB的鐵電存儲器FM31256。其中鐵電存儲器為I2C接口，因其非易失性用來存儲一些設定值，FM31256內部具有時鐘伴侶功能，可同時為系統(tǒng)提供實時時鐘。

圖3 電壓轉換

(2)開關量及電源模塊。接口電路一律采用光耦隔離，避免外界干擾進入CPU模塊。電源模塊采用兩級供電方式，首先經過一層DC/DC將15 V電壓轉換成直流 5 V、12 V、24 V的電壓，然后再經過一層 DC/DC，將電壓轉換成+3.3 V和+2.5 V供器件使用。

(3)通信模塊。用DM9000擴展以太網接口，實現與站控層連接。

(4)人機交互模塊。人機界面采用320×240大屏幕彩色LCD顯示器，配有3×2的按鍵，同時還有6個LED顯示燈來反映裝置的運行情況。

2 軟件設計

軟件部分采用源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII作為軟件平臺，其具有易移植、可靠、穩(wěn)定等特點，并可編寫文件管理系統(tǒng)和相關的通信協(xié)議棧[3]。主要流程包括系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)任務編寫兩大部分，如圖4所示。系統(tǒng)初始化包括μC/OS-II操作系統(tǒng)初始化與系統(tǒng)外設初始化。操作系統(tǒng)初始化包括操作系統(tǒng)啟動代碼、任務函數的定義和初始化、文件系統(tǒng)及相關協(xié)議棧的安裝；系統(tǒng)外設初始化包括定時器初始化、SPI和串口控制器初始化等。該系統(tǒng)共有4個任務，根據其輕重緩急分配了任務優(yōu)先級和任務堆棧的大小。安裝的協(xié)議棧包括USB協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧[4]。

圖4 部分軟件方框圖

2.1 AD7656 軟件的設計

進入定時器中斷，初始化AD7656，軟件延時產生一定頻率的CONVST采樣信號，用來啟動AD7656的數據轉換[5]，等待BUSY信號。在接收到BUSY信號后讀取數據，采樣完成，關閉定時器中斷。圖5為采樣流程圖。

圖5 數據采集流程

A/D轉換電路是一個模擬輸入模塊，μC/OS-II內核把它作為一個獨立的任務ADTask()來調用[6]。A/D的初始化、讀取等要用到以下幾個函數：

(1)ADInit()，初始化所有的模擬輸入通道、硬件 ADC以及應用程序調用A/D模塊參數，并且ADInit()創(chuàng)建任務ADTask()。

(2)ADTbl[]，使一個模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態(tài)等參數配置以及轉換結果存儲表。

(3)ADUpdate()，負責讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd()，并給它傳遞一個通道數。

(4)ADRd()，負責通過多路復用器選擇合適的模擬輸入，啟動并等待ADC轉換，以及返回ADC轉換結果到ADUpdata()。

(5)AD_in(int x，int y)，x為模擬量輸入起始通道，y為模擬量輸入個數。

2.2 數據打包

系統(tǒng)共轉換了8路不同類型模擬量，防止接收數據時混亂，在數據傳送時需對數據進行打包。數據的類型、長度等用一個結構體來表示，即

2.3 尺度變換

由于經過A/D轉換后的量為數字信號，而不是所熟悉的工程量，因此要將這些數字量轉換為相應的帶有量綱的數值，以方便使用。

尺度變換有軟件實現法、硬件實現法、實物定標法和綜合實現法四種方法[7]。由于硬件實現法費用高且占用線路板面積，因此不采用。綜合考慮價格、實現的難易以及信號轉變的精度等因素，選擇了軟件實現法中的多項式變換公式法。這是一種最簡單實用的方法，適用于絕大多數場合。

差值多項式公式如下：

其中，xi(i=0，1，2，…，n)為經傳感器輸出的值，yi為實際參數值。 將式(1)進行變形，令 li(x)(i=0，1，…，n)表示 n次多項式，且滿足

考慮如下形式的多項式：

n由轉換精度決定，然后選取n+1個檢測點。檢測出此時的 x0，x1，…，xi，…，xn，以及 與之對應的 y0，y1，…yi，…，yn，代入式(3)、式(4)可以計算出差值多項式。 然后在程序中可以按照這個差值多項式計算出其他所有檢測點，這樣可以實現尺度變換。

本文設計了水質監(jiān)測數字采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)以LPC2468為核心，采用高度集成的AD7656轉換器，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設計，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。此系統(tǒng)具有很高的數據采集精度，由于采用了低功耗的微處理器作為控制芯片，因此整個系統(tǒng)功耗低，電路簡單易且實現。

[1]董甲彬，王金鑫，李玲，等.GPRS技術在水庫水質監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J].信息與技術，2007(7)：122-125.

[2]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]LABROSSE J J.MicroC/OS-II the real-time Kernel Second Edition[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]崔艷林，趙煥軍.基于AD7656和ADSP21369的多路信號采集系統(tǒng)[J].電子技術應用，2008(12)：54-56.

[6]夏靖波，王航，陳雅蓉.嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)[M].西安：西安電子科大出版社，2006.

[7]仆玉明.智能儀表測量信號的尺度變換及實現[J].自動化儀表，2000(2)：47-48.