基于S3C6410的閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 凌

(公安消防部隊昆明指揮學(xué)校訓(xùn)練部防火教研室，昆明 650231)

閘門開度監(jiān)測系統(tǒng)是水工閘門啟閉機的必要裝置，其主要作用為監(jiān)測閘門的起升高度、兩側(cè)鋼絲繩的受力情況和記錄閘門的運行情況[1]，一般具有開度采集、開度顯示、存儲及傳輸?shù)裙δ躘2]。

閘門開啟的大小直接影響水流量，因此閘門開度的準確性在水資源利用及防汛調(diào)度等方面至關(guān)重要[3]。隨著時代的發(fā)展，特別是閘門高度測量和計算機應(yīng)用的迅速發(fā)展，人們對閘門開度測量精度和自動化程度的要求也越來越高[4]。各種高精度、高自動化的閘門開度監(jiān)測系統(tǒng)被提出，其中有基于光纖的閘門開度儀[5]、基于MSP430單片機的閘門開度儀[6]和基于GSM的閘門開度儀[7]。

基于S3C6410的閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作主要是圍繞開度值/荷重值的采集、顯示、存儲及傳輸?shù)冗M行。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測閘門的開度狀況，并根據(jù)開度狀況及時將異常開度值傳至總控臺，并自動做出報警等反應(yīng)，具有高度自動化特點。閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)通過MODBUS協(xié)議與上位機進行通信，通用性強、可靠性強。另外，該裝置支持SPI、RS-232及無線等多種數(shù)據(jù)出傳輸方式，滿足不同應(yīng)用下的數(shù)據(jù)傳輸需求。

1 系統(tǒng)組成①

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)的核心是S3C6410，系統(tǒng)的主要輸入由開度編碼器、荷重傳感器、按鍵及上位機等完成；系統(tǒng)的輸出由總控臺、上位機、LCD液晶屏和SD卡完成。

圖1 閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

開度編碼器和和荷重傳感器采集閘門的開度與荷重信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳給S3C6410；按鍵操作支持用戶完成系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整及顯示界面菜單選擇等；上位機通過RS-485與S3C6410通信，主要功能為接收S3C6410的數(shù)據(jù)、修改自動監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)；LCD液晶屏用于完成數(shù)據(jù)與參數(shù)顯示功能(包括顯示編碼器和傳感器采集的開度和荷重數(shù)據(jù)、整個自動監(jiān)測裝置的系統(tǒng)參數(shù)等)；SD卡用于存儲，完成開度數(shù)據(jù)、荷重數(shù)據(jù)的本地存儲和系統(tǒng)運行日志的本地存儲。

2 閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的主控模塊是由三星公司推出的一款低功耗、高性能的RSIC處理器S3C6410。它基于ARM11內(nèi)核，工作頻率最高可達533MHz，功耗為200MW，共有八級流水線，且?guī)蓚€周期的高度閃存訪問，具有更快的實時響應(yīng)和更低的中斷延遲，支持矢量化中斷，帶可配置指令和數(shù)據(jù)高速閃存的存儲器系統(tǒng)，外加專用DMA高速本地存儲，同時內(nèi)置強大的硬件加速器(包括2D加速、顯示處理等)[8]。

在閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)中，S3C6410的主要工作有：接收來自開度編碼器的閘門開度數(shù)據(jù)和來自荷重傳感器的荷重數(shù)據(jù)；按照MODBUS協(xié)議利用RS485接收來自上位機的參數(shù)；讀取時鐘芯片的時間數(shù)據(jù)，用作系統(tǒng)時間；通過普通I/O，配合正確時序，通過串行方式將開度、荷重數(shù)據(jù)和參數(shù)送至LCD液晶屏顯示；通過SPI，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳至總控臺；遵循SPI協(xié)議將數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行日志送至SD卡存儲；通過RS-485串口按照MODBUS協(xié)議格式將開度、荷重數(shù)據(jù)傳至上位機。

2.2 數(shù)據(jù)顯示部分

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)開度、荷重數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)顯示部分采用的是HS12864-15液晶顯示屏。該屏幕是的主要特性由控制器ST7920決定。ST7920同時作為控制器和驅(qū)動器，可提供33路com輸出和64路seg輸出。在驅(qū)動器ST7921的配合下，最多可以驅(qū)動246×64點陣液晶[9]。數(shù)據(jù)顯示電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)顯示電路

S3C6410接收到來自開度編碼器的開度值和荷重傳感器的荷重值，然后送到HS12864-15液晶屏實時顯示。此外，用戶可以通過屏幕配合按鍵操作查詢系統(tǒng)時間、設(shè)備信息、顯示方式、系統(tǒng)參數(shù)、報警閾值以及存儲在片外Flash芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)、設(shè)備運行日志。

2.3 數(shù)據(jù)存儲部分

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的開度和荷重數(shù)據(jù)、設(shè)備運行日志以及設(shè)備重要參數(shù)等存儲在Kingston的SD卡內(nèi)。SD卡是Secure Digital Card卡的簡稱，由日本松下公司、東芝公司和美國SANDISK公司共同開發(fā)研制的全新的存儲卡產(chǎn)品，它是一個完全開放的標準系統(tǒng)，并且兼容MMC卡接口規(guī)范。SD卡有9個引腳，目的是通過把傳輸方式由串行變成并行提高傳輸速度。它的讀寫速度比MMC卡快，安全性也更高。SD卡最大的特點就是通過加密功能，可以保證數(shù)據(jù)資料的安全保密。它還具備版權(quán)保護技術(shù)，所采用的版權(quán)保護技術(shù)是DVD中使用的CPRM技術(shù)(可刻錄介質(zhì)內(nèi)容保護)。閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲電路

S3C6410接收到來自開度編碼器的開度值和荷重傳感器的荷重值送到HS12864-15液晶屏實時顯示，會將數(shù)據(jù)送至SD卡內(nèi)進行存儲。同時用戶還可以將系統(tǒng)參數(shù)等存儲在SD卡內(nèi)。用戶可以通過自動監(jiān)測系統(tǒng)和上位機查詢、刪除存儲在SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，還可以通過上位機軟件對存儲數(shù)據(jù)進行復(fù)制和剪切。

3 閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括：程序初始化；實時顯示開度/荷重值、系統(tǒng)時間及設(shè)備信息等系統(tǒng)參數(shù)；報警閾值的設(shè)置；數(shù)據(jù)和設(shè)備運行日志的存儲、刪除及查詢等功能。

用戶通過閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的多級菜單實現(xiàn)上述各功能，開機菜單是一次性顯示兩路開度數(shù)值；主菜單的作用是為用戶提供在數(shù)據(jù)顯示方式、預(yù)值顯示、系統(tǒng)設(shè)置和設(shè)備信息查詢四者間做選擇的界面；數(shù)據(jù)顯示、預(yù)值顯示、系統(tǒng)設(shè)置和設(shè)備信息查詢作為主菜單的二級菜單；二級菜單根據(jù)各自需要實現(xiàn)功能下設(shè)三級甚至四級菜單。閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的各級菜單關(guān)系如圖4所示。

圖4 閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)各級菜單關(guān)系示意圖

開度自動監(jiān)測系統(tǒng)的多級菜單通過窗口引擎實現(xiàn)。這種多級菜單實現(xiàn)方式引入Windows系統(tǒng)下的窗口和消息機制，該菜單的核心部分是一個不依賴于具體硬件和菜單內(nèi)容的通用窗口引擎。這種多級菜單實現(xiàn)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、占用資算少及易于移植等優(yōu)點。

從圖4看出軟件設(shè)計主要針對開度與荷重數(shù)據(jù)的顯示、存儲、查詢和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置進行的。

3.1 開度和荷重數(shù)據(jù)有關(guān)操作軟件設(shè)計

為實現(xiàn)閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件中開度、荷重數(shù)據(jù)的實時顯示、查詢、存儲和刪除功能，該軟件的主要工作有I/O讀入、超限判斷、SD卡讀寫、中斷處理、按鍵操作和液晶屏顯示。

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲邏輯流程如圖5所示。S3C6410通過I/O獲得來自開度編碼器的開度值和荷重傳感器的荷重值，并判斷這些值是否超限，若超限控制蜂鳴器報警；然后將數(shù)據(jù)存入SD卡中；當有用戶按鍵操作時，判斷按鍵操作內(nèi)容分，如果操作為讀取SD卡存儲數(shù)據(jù)，則S3C6410讀取SD卡中存儲的數(shù)據(jù)，并在液晶屏上顯示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲邏輯流程

3.2 參數(shù)設(shè)置軟件設(shè)計

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)中與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置有關(guān)的操作包括按鍵操作和液晶顯示。開度閾值和荷重閾值在內(nèi)的報警閾值設(shè)置與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置類似，這里介紹系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，其邏輯流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)邏輯流程

4 閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議

閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)并不是一個孤立的系統(tǒng)，它需要傳輸數(shù)據(jù)至總控臺、上位機，并通過無線協(xié)議發(fā)送消息至閘門值班人員。其中與總控臺的通信是通過RS-232實現(xiàn)；與值班人員的通信通過GSM實現(xiàn)；與上位機通信遵循Modbus協(xié)議，通過RS-485實現(xiàn)。由于RS-232比較簡單，GSM相當普遍，筆者重點介紹開度自動監(jiān)測系統(tǒng)與上位機間的通信。

1979年Modicon公司提出了Modbus協(xié)議，該協(xié)議成為世界上第一個真正實際用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。Modbus協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元，一個通用的Modbus幀由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)和差錯校驗4部分構(gòu)成。通過Modbus協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)和其他通信設(shè)備間均可以相互通信[10]。

無線測溫裝置采用Modbus的RTU傳輸模式，在該模式下數(shù)據(jù)單元的地址域占1Byte，Modbus尋址有256個不同的地址，其中地址0為廣播地址，所以一個系統(tǒng)中最多支持255個溫度采集模塊。

Modbus協(xié)議有3類功能碼，分別是公共用戶功能碼、用戶自定義功能碼和保留功能碼。閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)中使用的功能碼均是用戶自定義功能碼。

上位機和閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)作為通信雙方，其中上位機為主機，向開度自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送請求數(shù)據(jù)單元，自動監(jiān)測系統(tǒng)作為從機根據(jù)請求數(shù)據(jù)單元生成響應(yīng)數(shù)據(jù)單元返回給上位機。請求數(shù)據(jù)單元和響應(yīng)數(shù)據(jù)單元的生成和發(fā)送都是在Modbus協(xié)議規(guī)則下進行的。

5 結(jié)束語

以S3C6410為核心設(shè)計的閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)集開度、荷重數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)本地顯示與存儲、數(shù)據(jù)遠距離傳輸及數(shù)據(jù)異地顯示與存儲等功能于一體，具有測量誤差小、自動化程度高及穩(wěn)定可靠等特點。基于S3C6410的閘門開度自動監(jiān)測系統(tǒng)已在實驗室完成測試，各項功能均能正常實現(xiàn)。