數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在環(huán)保工程中的應(yīng)用研究

唐怡粼

摘 要：近年來(lái)，盡管我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，但對(duì)環(huán)境也造成了較大的影響，許多地區(qū)都已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。隨著環(huán)保意識(shí)的提升，人們逐漸開始關(guān)注生態(tài)環(huán)境。因此，要想保證環(huán)境質(zhì)量，首先要保證環(huán)境工作的透明化。從當(dāng)前環(huán)保工程開展的實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)況進(jìn)行了闡述，以期提高環(huán)保工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；環(huán)保工程；主控單片機(jī)；存儲(chǔ)模塊

中圖分類號(hào)：X830.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.102

與國(guó)外一些國(guó)家相比，我國(guó)的環(huán)境保護(hù)事業(yè)起步較晚，并且企業(yè)的環(huán)保意識(shí)比較薄弱。但是，隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注程度有了明顯的提升。因此，在全民環(huán)保意識(shí)提升的大背景下，如何構(gòu)建實(shí)用性強(qiáng)、覆蓋面廣的環(huán)境保護(hù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便成為相關(guān)工作人員面臨的主要問(wèn)題。下面將對(duì)其進(jìn)行闡述。

1 環(huán)境保護(hù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，環(huán)境保護(hù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)大多是由自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備和監(jiān)控中心兩部分組成。按照從下到上的排列順序，環(huán)境保護(hù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)這三個(gè)模塊。其中，上位機(jī)的主要作用是傳送傳輸網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表包括模擬接口和數(shù)字接口兩種形式，主要作用是連接傳輸儀，上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換作用就是通過(guò)傳輸儀實(shí)現(xiàn)的。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

2.1 主控單片機(jī)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要使用的是主控單片機(jī)，其工作電壓在3.4～5.5 V之間，是5 V的單片機(jī)，工作頻率一般在0～40 MHz之間。通過(guò)檢驗(yàn)實(shí)際工作效率發(fā)現(xiàn)，主控單片機(jī)的工作頻率可以達(dá)到48 MHz。系統(tǒng)用戶應(yīng)用程序空間的大小為32 KB，片上集成可以達(dá)到1 280 KB的RAM。在線系統(tǒng)是可以編程的，并且也可以實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)用，變成程序的編制，不需要使用專用的編程器或者仿真器來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，可通過(guò)串口直接下載相對(duì)應(yīng)的用戶程序，3 s左右的時(shí)間可以完成單片下載。該系統(tǒng)通用口數(shù)量為36個(gè)，不僅加密性比較強(qiáng)，而且是無(wú)法解密的。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的抗靜電能力更強(qiáng)，并且不會(huì)受到電源抖動(dòng)的影響，在其內(nèi)部可集成專用復(fù)位電路。在計(jì)數(shù)器方面，可以將一定數(shù)量的定時(shí)器當(dāng)作計(jì)數(shù)器使用，其外部可以中斷4路，下降時(shí)延中斷或者低電平觸發(fā)。Power Down模式是從外到內(nèi)的一種中斷低平觸發(fā)中斷方式，其工作溫度在-40～85 ℃之間。

2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分主要由模擬數(shù)字量采集模塊、多路數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路比較清晰，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理，秉承模塊化的設(shè)計(jì)思想，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模擬數(shù)字量采集模塊的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)比較顯著的一個(gè)特點(diǎn)，可以將模擬量從根本上分為電壓和電流兩種模式，并分別對(duì)其進(jìn)行處理。外界的傳感器數(shù)據(jù)一般都是電壓或電流量，因此可以用分壓電路或分流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的操作。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電壓是5 V。當(dāng)電壓超過(guò)5 V但低于10 V時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行分壓處理。數(shù)字量采集通過(guò)12位的轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。將采集模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量進(jìn)行處理，系統(tǒng)采取8路信號(hào)即可滿足需求。另外，系統(tǒng)的這種工作模式可以使上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)更好地對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，從而提升分析的準(zhǔn)確性。具體的時(shí)鐘傳送時(shí)序如圖1所示。

2.3 存儲(chǔ)模塊和傳輸模塊

在存儲(chǔ)模塊方面，將24C256非易失性鐵電介質(zhì)作為讀寫儲(chǔ)存器來(lái)使用，不存在延時(shí)寫入問(wèn)題，可以長(zhǎng)時(shí)間地保存存入其中的數(shù)據(jù)，可供數(shù)十萬(wàn)次的讀寫。如果在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷電等情況，24C256非易失性鐵電介質(zhì)還可以在斷電的模式下保護(hù)數(shù)據(jù)，屬于比較先進(jìn)的一種儲(chǔ)存芯片。在傳輸模塊方面，傳輸模塊設(shè)計(jì)是系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以采用傳輸模塊設(shè)計(jì)的方式，使通信方式更為多元化，從而打破傳統(tǒng)工作方式所具有的單一性缺陷，滿足數(shù)據(jù)通信需求。本文所提到的設(shè)計(jì)模塊可以利用12C的方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。四路傳輸與開關(guān)切換芯片相連接，每次工作都只選擇單一的路線完成連接，S1和S0的工作方式是00、10時(shí)，使用RS232；11時(shí)，選用RS422。

2.4 時(shí)鐘模塊和硬件模塊數(shù)據(jù)協(xié)議

時(shí)鐘模塊是比較關(guān)鍵的一個(gè)模塊，并且PCF8565也是某公司近年來(lái)剛剛研發(fā)的一種總線接口，可以將不必要的功能消耗控制在極低的范圍內(nèi)，屬于日歷芯片的一種形式。MCU可以通過(guò)P1.0和P1.1這兩個(gè)腳管來(lái)模擬12C的總線，并將其連接到其余各個(gè)腳中。數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)編碼表息息相關(guān)，在對(duì)環(huán)保工程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，主要關(guān)注空氣污染情況、大氣環(huán)境污染情況、海洋環(huán)境污染情況、地表環(huán)境污染情況以及地下、地表水體的污染情況等。明確各種條件下的污染情況，保證不同污染模式編號(hào)都是正常且有序可循的，可以融入到系統(tǒng)建設(shè)中。

2.5 系統(tǒng)的軟件流程

科學(xué)的系統(tǒng)軟件流程是保證系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵。系統(tǒng)的軟件流程為：初始化處理串口→中斷、定時(shí)初始化→事件中斷→返回到函數(shù)的主循環(huán)中。除此之外，還有其余多種模式的系統(tǒng)工作流程。常見(jiàn)的采集方式是定時(shí)采集，采集的目標(biāo)可以是某路或者某電流信號(hào)。在明確采集對(duì)象之后，對(duì)指定的信號(hào)進(jìn)行采集。如果出現(xiàn)循環(huán)情況，則8路要模擬電壓和電流信號(hào)，4路可以傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)完成數(shù)據(jù)信號(hào)采集之后，要對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。如果存儲(chǔ)直接完成，則代表傳輸完畢；如果存儲(chǔ)涉及IIC傳輸，可以在IIC成功傳輸?shù)酵ㄐ拍K中之后，判斷是否完成數(shù)據(jù)傳輸。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集對(duì)環(huán)保工程的發(fā)展具有十分重要的意義。本文首先對(duì)環(huán)境保護(hù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析，之后分別從主控單片機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)模塊和傳輸模塊、時(shí)鐘模塊和硬件模塊數(shù)據(jù)協(xié)議、系統(tǒng)的軟件流程等角度詳細(xì)地闡述了如何將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更好地應(yīng)用到環(huán)保工程中，以期提升環(huán)保工程質(zhì)量。

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〔編輯：劉曉芳〕