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        基于LPC2468的水質監(jiān)測系統(tǒng)數字采集設計

        2011-07-25 00:33:50溫陽東錢夢然
        網絡安全與數據管理 2011年17期
        關鍵詞:模擬量以太網水質

        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.

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