于志強(qiáng)，溫志渝，謝瑛珂，周蘇怡

(1.國家級(jí)微納系統(tǒng)與新材料技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，重慶 400044;2.重慶大學(xué)，新型微納器件與系統(tǒng)國家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引言

水質(zhì)檢測是開展水資源環(huán)境保護(hù)與治理的基礎(chǔ)，多參數(shù)水質(zhì)檢測是現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一［1］。多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)儀器智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的核心技術(shù)之一。多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)控制儀器各個(gè)單元有序地完成指定動(dòng)作，是保證儀器穩(wěn)定運(yùn)行和自動(dòng)化測量的關(guān)鍵，具有重要的研究意義。

目前，多參數(shù)水質(zhì)檢測儀器控制系統(tǒng)大多基于PLC，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成熟、穩(wěn)定性高，但是價(jià)格昂貴，若采用此系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)檢測儀器控制系統(tǒng)，會(huì)大幅提高成本，降低儀器競爭力［2］。近幾年，國內(nèi)一些科研單位提出了一些以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，例如:重慶大學(xué)微系統(tǒng)中心研制的第一代多參數(shù)水質(zhì)檢測儀，該儀器的控制系統(tǒng)以S3C2410為核心，并以51單片機(jī)為輔助，對(duì)儀器進(jìn)行控制［3］;浙江大學(xué)研制的基于分光光度法的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，該儀器控制系統(tǒng)采用“工控機(jī)+單片機(jī)”的結(jié)構(gòu)，以工控機(jī)為上位機(jī)對(duì)儀器進(jìn)行控制［4］。這些控制系統(tǒng)雖然成本較低，但是，運(yùn)行速度較低、平臺(tái)開發(fā)周期長且調(diào)試?yán)щy、系統(tǒng)穩(wěn)定性能欠佳、軟硬件升級(jí)困難。因此，本文提出了一種基于樹莓派的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、易升級(jí)、處理速度快、在線調(diào)試方便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了實(shí)用化的要求。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)以樹莓派作為中央控制單元，完成光源控制、光譜儀控制、流路系統(tǒng)控制(進(jìn)樣控制、攪拌控制、清洗控制)等工作。控制系統(tǒng)里，我們使用樹莓派的UART對(duì)注射泵、多位閥進(jìn)行控制，使用GPIO、PWM對(duì)步進(jìn)電機(jī)/直流電機(jī)蠕動(dòng)泵、三通閥、光源進(jìn)行控制，使用USB控制光譜儀。在儀器進(jìn)行水質(zhì)檢測時(shí)，首先，控制步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵、注射泵進(jìn)行抽推，配合多位閥進(jìn)行管路切換，根據(jù)順序注射技術(shù)使待測水樣、測試用試劑、蒸餾水等多種液體高精度進(jìn)樣到檢測室［5］;然后，通過控制三通閥與直流電機(jī)蠕動(dòng)泵，向檢測室鼓吹空氣，利用氣泡對(duì)檢測室中液體進(jìn)行攪拌，加快其反應(yīng)速度;然后打開光源，控制光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到樹莓派進(jìn)行光譜分析，得到某一特定水質(zhì)參數(shù)的含量;最后控制三通閥與直流電機(jī)蠕動(dòng)泵排掉檢測室中液體，再控制注射泵、多位閥等完成檢測室的清洗工作，最終完成水質(zhì)參水檢測。

圖1 多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)

多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)的核心為樹莓派(Raspberry Pi)，是一款基于 ARM11只有銀行卡大小的單板機(jī)計(jì)算機(jī)［6－8］。最新型號(hào)樹莓派B型(如圖2所示)，提供了主頻700 MHz處理器、1080p解碼器、1個(gè)以太網(wǎng)接口、2個(gè)USB口和1個(gè)26針外圍設(shè)備接口。此外，樹莓派內(nèi)嵌基于Debian的Linux操作系統(tǒng)，有著豐富的開源軟件資源，支持C、C++、Java、Python等語言，上市兩年來，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅猛。相對(duì)比傳統(tǒng)S2C24x0、S3C6410等嵌入式開發(fā)平臺(tái)，其在集成度、速度、價(jià)格、開發(fā)環(huán)境、效率上有明顯的優(yōu)勢。

圖2 樹莓派B版

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 光源控制

多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的光源為6 V/5 W的鹵鎢燈，在進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)測試時(shí)，打開光源，其他時(shí)間光源處于關(guān)閉狀態(tài)。設(shè)計(jì)光源的電源模塊，如圖3電路所示，該模塊的核心為LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片，該芯片輸出電壓可調(diào)，并具有使能引腳(5腳)，當(dāng)該引腳輸入為低電平時(shí)，芯片工作，輸出固定電壓。

電源模塊輸入電壓為24 V，調(diào)節(jié)電阻R1、R2的比值，可以得到鹵鎢燈所需的6 V電壓。輸出電壓的計(jì)算公式為

式中VREF=1.23 V

當(dāng)R2/R1=3.88時(shí)，輸出電壓為6 V。

LM2596芯片的使能引腳與樹莓派的一個(gè)GPIO接口相連，通過該口電平控制LM2596電壓調(diào)節(jié)芯片輸出的開/關(guān)。一般情況下，該GPIO引腳被拉高到3.3 V，使電源模塊處于未工作狀態(tài)，光源關(guān)閉。需要打開光源時(shí)，控制樹莓派使該GPIO口輸出低電平時(shí)，使能芯片，輸出6 V電壓。

圖3 光源電源模塊

2.2 微型直流電機(jī)、三通閥、步進(jìn)電機(jī)控制

多參數(shù)水質(zhì)檢測儀流路系統(tǒng)使用了4個(gè)微型直流電機(jī)、一個(gè)三通閥、1個(gè)步進(jìn)電機(jī)，主要完成檢測室排廢、攪拌、進(jìn)樣、管道切換等工作，需要控制系統(tǒng)控制這些部件適時(shí)的開關(guān)。由于微型直流電機(jī)與三通閥都是通過控制其上電與否來控制開/關(guān)，并且，它們都是12 V供電，所以微型直流電機(jī)與三通閥采用同樣的控制電路(如圖4所示)，利用樹莓派GPIO口控制微型直流電機(jī)與三通閥的開/關(guān)。

圖4 微型直流電機(jī)與三通閥控制電路

電路中，通過光耦隔離直流電機(jī)與三通閥開關(guān)瞬間產(chǎn)生的干擾，再經(jīng)反相施密特觸發(fā)器對(duì)光耦的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，最后利用達(dá)林頓管提高電路的負(fù)載能力。當(dāng)樹莓派的GPIO口為低電平時(shí)，光耦輸出端導(dǎo)通，使得74HC04前級(jí)為低電平，輸出高電平，控制達(dá)林頓管輸出為低電平，在JP1兩個(gè)引腳上，形成12 V供電電壓對(duì)地回路，帶動(dòng)微型直流電機(jī)或三通閥工作。反之，當(dāng)GPIO為高電平時(shí)，JP1兩個(gè)引腳間，無導(dǎo)通回路，微型直流電機(jī)或三通閥停止工作。

步進(jìn)電機(jī)自帶驅(qū)動(dòng)板，提供控制接口，驅(qū)動(dòng)電平為3.3 V TTL電平，該驅(qū)動(dòng)接口與樹莓派直接相連，連接如圖5所示，驅(qū)動(dòng)板EN為使能信號(hào)，高電平有效;DIR為轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，高電平正轉(zhuǎn)，低電平反轉(zhuǎn);STEP為轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)控制信號(hào)，該信號(hào)為周期的PWM信號(hào)，信號(hào)的頻率控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，信號(hào)中脈沖的個(gè)數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，信號(hào)中脈沖的占空比控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。所以，控制步進(jìn)電機(jī)，只需控制樹莓派GPIO腳的輸出即可。

圖5 步進(jìn)電機(jī)連接圖

2.3 注射泵、多位閥控制

多參數(shù)水質(zhì)檢測儀流路系統(tǒng)包含注射泵、多位閥各一個(gè)，用以高精度抽樣和管路切換，這兩個(gè)部件均是通過串口來接收控制指令，且不能共用一個(gè)串口，但樹莓派只提供了一個(gè)串口，因此，需要進(jìn)行串口拓展。此外，由于樹莓派串口電平為3.3 V TTL電平，而注射泵或多位閥能夠識(shí)別的電平為RS232電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

注射泵與多位閥控制電路如圖6所示，其中，MAX3232實(shí)現(xiàn)3.3 V TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換;CD4052芯片實(shí)現(xiàn)串口拓展。CD4052芯片為二輸入獨(dú)立四通道數(shù)據(jù)選擇器，具有二進(jìn)制控制引腳S0、S1，禁止輸入引腳E。AN、BN為公共通道，通過S0、S1狀態(tài)，選擇一組導(dǎo)通通道與 AN、BN相連，如表1所示。本文將1個(gè)串口拓展成2個(gè)，因此只需要1個(gè)控制引腳S0，而將S1接地，使其一直處于低電平狀態(tài)。

圖6 多位閥與注射泵控制電路

表1 CD4052通道選擇真值表

當(dāng)使用注射泵時(shí)，控制樹莓派GPIO0輸出高電平，使A1、B1分別與樹莓派TXD、RXD接口相連，同時(shí)，通過串口發(fā)送控制指令，驅(qū)動(dòng)注射泵工作;同樣方法控制多位閥，區(qū)別在于此時(shí)控制樹莓派GPIO0輸出為低電平。

2.4 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制

樹莓派不提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，需要外接RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，其電路如圖7所示。該模塊使用DS3231高精度時(shí)鐘芯片，該芯片能夠識(shí)別樹莓派3.3 V TTL電平，通過I2C接口(SCL、SDA)與樹莓派通信。

圖7 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，主要包括樹莓派硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、控制軟件設(shè)計(jì)等。其中，樹莓派硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)完成對(duì)樹莓派板載GPIO、UART、I2C等資源的驅(qū)動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制必不可少的一環(huán)。傳統(tǒng)的Linux驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的方法為編寫驅(qū)動(dòng)程序?qū)PU的GPIO寄存器進(jìn)行操作，生成驅(qū)動(dòng)模塊，再通過insmod命令加載該驅(qū)動(dòng)模塊。這種設(shè)計(jì)方法的最大缺點(diǎn)在于寄存器編程復(fù)雜且調(diào)試周期長。而這兩年來，樹莓派在嵌入式領(lǐng)域發(fā)展迅猛，用于樹莓派平臺(tái)的各種集成庫層出不窮，包括 Python GPIO、wiringPi、BCM2835 C Library 等，這些集成庫提供了對(duì)樹莓派相關(guān)硬件資源的操作函數(shù)，支持多種編程語言，利用這些集成庫進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率。此外，海量的開源軟件為控制軟件設(shè)計(jì)提供了平臺(tái)，進(jìn)一步提高了樹莓派軟件開發(fā)的效率。

本文使用wiringPi集成庫控制樹莓派硬件資源，通過QT開發(fā)多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制軟件，并將wiringPi嵌入到控制軟件里，完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 wringPi開發(fā)

wiringPi是應(yīng)用于樹莓派平臺(tái)的GPIO控制庫函數(shù)，使用C或者C++開發(fā)，能夠控制樹莓派上提供的GPIO、UART、I2C、SPI等資源。wiringPi集成庫封裝了這些資源的控制函數(shù)，安裝該集成庫后，可對(duì)樹莓派硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開發(fā)，本文使用的庫函數(shù)如表2所示。

表2 wiringPi部分函數(shù)說明

通過表2中wiringPi庫函數(shù)，能夠控制樹莓派GPIO口高低電平輸出/讀入、PWM信號(hào)輸出、串口輸出等，部分控制代碼如下:

3.2 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制

使用上文RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，需要對(duì)樹莓派文件系統(tǒng)做適當(dāng)修改，首先使能I2C模塊，編輯/etc/modules文件，添加以下兩行內(nèi)容:

然后，在樹莓派終端里輸入su，切換為root登錄，并執(zhí)行:

最后，將上面兩行代碼添加到/etc/rc.local文件“exit 0”行前。完成后重啟樹莓派，使用hwclock命令設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

3.3 控制軟件設(shè)計(jì)

使用QT編程軟件，結(jié)合多參數(shù)水質(zhì)檢測儀測試流程，編寫帶有圖形用戶界面的控制軟件，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)化測量?？刂栖浖捎肅++語言編寫，其關(guān)鍵在于根據(jù)水參數(shù)測試流程對(duì)wiringPi函數(shù)進(jìn)行調(diào)用(工作流程如圖8所示)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的智能化控制，編寫的控制軟件如圖9所示。

圖8 wiringPi函數(shù)調(diào)用流程

圖9 控制軟件

4 結(jié)束語

將本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用到多參數(shù)水質(zhì)檢測儀上，經(jīng)過長時(shí)間試驗(yàn)測試表明:系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)光源、步進(jìn)電機(jī)、注射泵、多位閥等單元的控制，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng);控制軟件完成了對(duì)樹莓派硬件的驅(qū)動(dòng)且操作界面友好、響應(yīng)速度快，結(jié)合控制系統(tǒng)硬件電路，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)化測量。

本文介紹了多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的儀器結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于樹莓派的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以樹莓派為核心，通過GPIO、I2C、UART、USB等接口實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器各部分的控制，并利用樹莓派wiringPi集成庫進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，編寫了控制軟件。該控制系統(tǒng)開發(fā)周期短、易升級(jí)、運(yùn)行穩(wěn)定，增強(qiáng)了儀器的自動(dòng)化程度，達(dá)到了實(shí)用化的要求。

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