ARM7水情測報系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

徐 建

(湖北民族學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)

水情自動測報系統(tǒng)是利用智能傳感器、對水文信息進行實時遙測、采集、傳送和預處理的一種專門系統(tǒng)，是有效解決河流或水庫防洪調度、洪水測報及水資源合理利用的先進設備.作為水利信息化的發(fā)展方向，水情智能測報以水文信息采集為基礎，以GPRS無線技術為通信手段，在江河流域和水庫的安全渡汛以及水資源合理利用和開發(fā)等方面都發(fā)揮重要作用.本文設計的水情測報系統(tǒng)采用嵌入式技術、GPRS無線通信技術以及抗干擾等技術，能夠監(jiān)測多種水文信息，并實現(xiàn)水文信息的預處理、存儲、查詢、傳輸功能以及報警等功能[1].

圖1 終端系統(tǒng)體系結構框圖

1 系統(tǒng)總體設計

為實現(xiàn)終端系統(tǒng)的通用性，本文將水情測報系統(tǒng)設計成電源管理模塊、核心板、輸入板、輸出板四個功能模塊.電源管理模塊需要實現(xiàn)為核心板、輸入板、輸出板供電以及需要實現(xiàn)蓄電池的充放電功能；核心板需要實現(xiàn)指令的接收、信息的處理、存儲、查詢、自報、報警等功能；輸入板需完成的功能為實現(xiàn)數(shù)據信息的采集、處理、傳輸功能；輸出板需要實現(xiàn)對多種執(zhí)行單元進行控制.系統(tǒng)的總體框架結構如圖1所示.

圖2 核心板結構圖

1.1 電源管理模塊的設計

電源管理模塊是水情測報系統(tǒng)的一個重要組成部分，其直接關系到終端系統(tǒng)的性能，例如抗電壓抖動能力、無市電時連續(xù)正常工作時間等.對于市電供電充足時，終端供電方式可采用市電或者市電、蓄電池混合供電方式，但是大多數(shù)時候終端工作在野外現(xiàn)場，這時如何保證終端系統(tǒng)長時間穩(wěn)定的電源供給就變得尤為重要.在本文中，采用由太陽能、鉛酸蓄電池供電方式，同時預留了市電供電方式，太陽能用來給蓄電池充電，這種設計方案的優(yōu)點是在不用更換電源模塊的情況下就能適應市電供應充足的應用場合，增加了系統(tǒng)的靈活性[2].本文中采用開關模式的鉛酸蓄電池充電器集成電路UC3909作為充電電路的核心控制器.此芯片電路模塊包含一個差分電流檢測放大器，精度為1.5%的參考電壓，一個-3.9 mV/℃熱敏電阻線性電路，電壓電流誤差放大器，一個脈寬調制振蕩器，一個PWM比較器，一個PWM封鎖器，充電狀態(tài)解碼器，一個100 mA的集電極開路輸出驅動器.

1.2 核心板的設計

核心板的設計須滿足先進性、可靠性、集成度高、可擴展性、在系統(tǒng)編程(ISP)、運算速度快等特點，同時為了提升系統(tǒng)的功能及系統(tǒng)的靈活性，以及便于開發(fā)系統(tǒng)軟件和降低開發(fā)周期.綜合考慮，核心板采用高性能的ARM7處理器LPC2378作為主控制器，核心板主要實現(xiàn)以下幾個功能：①與輸入板進行通信，獲取墑情、水位、流量、雨量等信息；②與輸出板進行通信，控制相關電磁閥的動作等；③可將雨量、墑情、水位、流量等信息存儲在NAND FLASH中；④可通過GPRS將數(shù)據信息傳回中心站；同時可接收中心站下發(fā)的指令，并執(zhí)行相關動作.核心板硬件平臺的結構圖如圖2所示.

1.3 輸入板和輸出板的設計

為了能測量多路水文信息及采集多種水文信息，在本系統(tǒng)中設計了一個獨立的數(shù)據采集功能模塊─輸入板.輸入板和輸出板均采用高性能的ARM處理器LPC2366作為主控制器，能夠提高終端系統(tǒng)的性能，簡化系統(tǒng)電路，以及減小系統(tǒng)體積.輸入板主要負責采集墑情、水位、流量、雨量等信息，同時采用CAN或RS485總線方式與核心板進行通信.輸出板需要實現(xiàn)控制繼電器或電磁閥的動作，且可通過RS232接口與PC機進行通信.

2 智能遙測終端系統(tǒng)組網設計

2.1 功能模塊之間的通信方式

當前在水文測報系統(tǒng)方面，核心板與擴展板之間一般采取IO擴展方式，IO擴展不能很好地應對干擾問題，同時需要占用一部分IO資源.因此在本系統(tǒng)設計中，輸入板與核心板之間的通信方式采用CAN總線通信方式，同時預留RS485總線通信方式作為備選方案，一旦CAN總線模塊出了問題，還可以用RS485總線進行通信，這樣有利于減少維修的次數(shù)，降低更換設備的頻率，減少成本，以及提高工作站的使用效率和靈活性.同理，輸出板與核心板之間的相互通信方式也采用CAN總線通信為主，RS485總線通信為輔.

2.2 終端系統(tǒng)與中心站之間的通信方式

近幾年來，隨著GPRS數(shù)傳技術的崛起及推廣，建立起一個基于GPRS的廉價的高可靠的測控網絡成為現(xiàn)實.本文設計的基于GPRS的組網方式是中心站利用Internet公網連接，采用公網固定IP的方法[3].中心站公網固定IP方式的特點為通信速度較快，組網方便，可以利用現(xiàn)有網絡資源以便減少系統(tǒng)建設投資，運行可靠穩(wěn)定.在本系統(tǒng)中，GPRS無線模塊采用的是SIMCOM公司生產的SIM300C模塊.LPC2378采用UART1與SIM300C進行通行，其中GPRS-EN(P2.8)、DTR1、TXD1和RTS1引腳經過緩沖器74VHC126與SIM300C相連，GPRS-EN引腳與SIM300C的PWRKEY引腳相連，74VHC126具有2KV的ESD防護功能，其接口電路如圖3所示[4].

GPRS模塊要想接入GPRS網絡，需外接SIM卡.SIM300C模塊支持1.8 V和3.0 V供電的SIM卡.SIM卡可選8腳或6腳的SIM卡，在本設計中采用6腳SIM卡.其電路如圖4所示，在靠近SIM卡座的地方加了TVS管，保護4個信號引腳[5].

圖3 GPRS模塊接口 圖4 SIM卡電路

表1任務優(yōu)先級

Tab.1 Task priority

任務優(yōu)先級由高到低優(yōu)先級任務4啟動任務5GPRS接收任務7雨量采集任務9RS232接收任務11消息數(shù)據處理任務13CAN通信任務15RS485通信任務17ZLG/FS任務19NAND讀寫任務21U盤任務23發(fā)送數(shù)據任務25GUI顯示任務

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)設計的系統(tǒng)軟件是基于uC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)，uC/OS-II操作系統(tǒng)是基于任務調度來運行程序，因此需要將這些可執(zhí)行程序單元進行分類以組合成一個個任務.任務劃分的好壞將影響軟件設計的質量，甚至影響到系統(tǒng)軟件設計的成敗[6].

在本系統(tǒng)中進行任務劃分時，首先依據設備依賴性任務劃分法可得到GPRS MODEM任務、RS232任務、RS485任務、CAN任務、鍵盤處理任務、顯示任務、數(shù)據采集任務、雨量采集任務，水位采集任務，NAND FLASH讀寫任務，U盤任務.

依據關鍵性、緊迫性原則可知GPRS、RS232接收任務是關鍵任務且是緊迫任務，從系統(tǒng)功能來看，GPRS接收任務的關鍵性緊迫性高于RS232接收任務，因此RS232接收任務優(yōu)先級低于GPRS任務；雨量采集任務的實時性要求比較高，處理速度非?？?，且不會頻繁執(zhí)行雨量采集任務，最重要的是雨量采集任務只在核心板單獨使用且無輸入板時才創(chuàng)建，有輸入板時，雨量采集放在CAN、RS485通信任務中，雨量的采集工作交給輸入板去做，依據快捷性，將雨量采集任務優(yōu)先級設為高于RS232任務.CAN、RS485任務都采用半雙工工作方式且他們工作也不頻繁，且CAN、RS485任務根據系統(tǒng)配置表只創(chuàng)建其中一個任務，CAN、RS485任務處于發(fā)送數(shù)據任務上游，U盤任務使用的的機會最少，因此USB任務優(yōu)先級很低，發(fā)送數(shù)據時CPU是主動方，慢一些也可以，只要將數(shù)據發(fā)出去就可以，因此發(fā)送任務優(yōu)先級可以設置得較低些，GUI顯示任務實時性要求比較低，可將其優(yōu)先級設置為最低.根據任務優(yōu)先級安排原則[7]并進行綜合考慮，可得到各任務優(yōu)先級，如表1所示.

4 系統(tǒng)的通信測試

通過系統(tǒng)設計方案構建的硬件平臺來測試終端系統(tǒng).用一臺PC機(PC1)作為TCP SERVER服務器的載體，另一臺PC機(PC2)用來顯示終端連接TCP/IP的狀態(tài)及處理命令后的結果.首先將核心板的RS232串口接到PC2的COM1上，然后將一RS485通路通過RS485/RS232的轉換器接到PC2的COM2上，COM1用來顯示核心板連接TCP/IP的狀態(tài)以及向核心板發(fā)送命令情況，COM2用來模擬輸入輸出板，通過COM2可看到核心板打包發(fā)送給輸入輸出板的命令，以判斷核心板解析并打包命令是否正確，同時還可通過COM2發(fā)送數(shù)據給核心板，然后通過COM1可以看到結果；另一通信測試鏈路為終端系統(tǒng)通過GPRS網絡與TCP SERVER服務器相連.模擬平臺搭建好之后，啟動TCP/SERVER和終端系統(tǒng)，終端系統(tǒng)連上GPRS網絡之后，就主動連接TCP服務器并自報終端系統(tǒng)的身份.通過測試結果表明，終端系統(tǒng)正常啟動之后，連接GPRS網絡和TCP服務器都正常，系統(tǒng)通信方案設計合理可行.

5 結束語

本系統(tǒng)設計方案采用了高性能的ARM7芯片作為核心處理器，結合GPRS無線通信技術，采取四個功能模塊獨立設計，不但滿足了系統(tǒng)的靈活性，又避免了單塊板設計的龐大復雜性，同時避免了各個功能單元之間的相互干擾，進一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性.通過構建的硬件平臺測試，系統(tǒng)基本功能全部實現(xiàn)，且具有很好的通用性和擴展性.本系統(tǒng)在故障判斷及應對出錯處理方面還未涉及，這將是下一步研究的重點.

[1]張佳明，胡榮強.基于ARM的水情測報系統(tǒng)設計[J].科技信息,2009(4):256-257.

[2]丁肖宇.一種基于UC3909控制器的蓄電池充電系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].變頻器世界，2005(8)：44-46.

[3]金建樂.水情自動測報系統(tǒng)通信方式[J].電力系統(tǒng)通信，2005,154(26)：73-76.

[4]曹衛(wèi)，董航飛，李宗寶.GPRS技術在水利監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].排灌機械，2007，25(5)：39-42.

[5]阮博.基于GPRS/GSM技術的水文遙測系統(tǒng)應用概述[J].水文，2007，27(4)：69-70.

[6]周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006.

[7]Andrew N.Sloss,Dominic Symes.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)——軟件設計與優(yōu)化[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.