基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鞠鳳娟

摘 要： 城市污水水質(zhì)的大范圍、精確、自動(dòng)化的檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性一直是一個(gè)亟待解決的問題。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)的污水檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MCF5307處理器實(shí)現(xiàn)污水采集信息的傳遞、存儲(chǔ)以及控制，使用RS 422串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信主板與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將所提系統(tǒng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)一種兼容性較好的通信模塊，通過信息處理采集模塊完成污水檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，配合通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)污水實(shí)時(shí)、有效的管理。軟件設(shè)計(jì)過程中，對(duì)基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測(cè)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出污水檢測(cè)的程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性及實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 污水檢測(cè)； 信息處理； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN911.23?34； TP181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0146?04

當(dāng)前我國污水檢測(cè)的主要方法為人工檢測(cè)，該方法不僅成本高、效率低，而且污水檢驗(yàn)缺乏時(shí)效性，污染源通常因?yàn)闀r(shí)效性無法進(jìn)行確定，對(duì)污水處理、污染管理等工作帶來了非常大的困難[1?3]。研究開發(fā)可實(shí)現(xiàn)大領(lǐng)域遠(yuǎn)程自動(dòng)對(duì)污水進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)顯得尤為重要和迫切[4?6]。所以，尋求正確的方法對(duì)污水實(shí)行正確的檢測(cè)，變成了有關(guān)學(xué)者解析的熱點(diǎn)方向[7?9]。當(dāng)前存在的智能型污水檢測(cè)系統(tǒng)多是通過發(fā)光菌配合計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)完成，雖然能做到智能檢測(cè)，但是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性一直是一個(gè)難題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)的污水檢測(cè)系統(tǒng)，為城市污水的高效控制提供可靠的依據(jù)。

1 污水檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

新一代污水檢測(cè)系統(tǒng)以嵌入式技術(shù)為主，主要是因?yàn)榍度胧郊夹g(shù)可以做到小型化、高精度。系統(tǒng)的組成包括嵌入式MCF5307處理器、通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換、信息處理采集模塊、LCD顯示模塊、串口、預(yù)留計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測(cè)模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。MCF5307處理器是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，實(shí)現(xiàn)污水信息的高效處理。通過使用RS 422串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控芯片與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將所提系統(tǒng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過信息采集模塊完成污水檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，以上模塊相互配合，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水實(shí)時(shí)、有效的檢測(cè)管理。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式MCF5307處理器的選擇與應(yīng)用

MCF5307處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。MCF5307處理器是本文系統(tǒng)的核心控制模塊，負(fù)責(zé)污水信息的高效處理。MCF5307是由Motorola生產(chǎn)的32位ColdFire系列處理器，其引入ColdFire V3可變RISC處理核心以及DigitalDNA方法，在90 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下可達(dá)75 Dhrystone 2.1 MIPS，適用于嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。其自身具有的I2C兼容總線控制器可有效實(shí)現(xiàn)MCF5307與污水信息處理采集模塊的信息傳遞。

2.2 污水信息傳遞與通信模塊

本文系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)通信模塊，與RS 422協(xié)議相結(jié)合，完成系統(tǒng)通信主板和每個(gè)模塊間的訊息傳輸過程。其中包括預(yù)留網(wǎng)絡(luò)端口的通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。通信模塊的芯片選擇LPC1768，這是因?yàn)橥ㄐ判酒梢韵蚨鄠€(gè)傳輸串口提供信息，也適合采用一種可完成一機(jī)對(duì)多機(jī)的串口協(xié)議。而且，通信模塊與其他模塊之間的信息傳遞量較大，必須達(dá)到較高的實(shí)時(shí)性，所以應(yīng)采用一種具有較高傳遞速度的芯片。系統(tǒng)采用RS 422串口協(xié)議。另外，通信模塊還可以直接與LCD顯示模塊完成通信，通信內(nèi)容可以直接在LCD上顯示。通信模塊完整的構(gòu)造示意圖如圖3所示。

RS 422串行接口同意單機(jī)輸送，多機(jī)接收，一條總線可以銜接10個(gè)左右的接收器。也就是一個(gè)主設(shè)備，若干從設(shè)備。主設(shè)備可傳遞信息至全部從設(shè)備，但從設(shè)備之間無法實(shí)現(xiàn)信息傳遞。RS 422采取4條信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)信息的輸送，有完整地傳送與接收通道。且RS 422以平衡傳送及差分接收為傳遞模式，具備較強(qiáng)的抗干擾水平，對(duì)本文系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用，可有效增強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作效率以及穩(wěn)定性。除此之外，通信模塊還包括電源、LCD驅(qū)動(dòng)電路等，組成完整的電路結(jié)構(gòu)。其中，電源模塊主要負(fù)責(zé)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為每個(gè)芯片允許的電壓。LCD驅(qū)動(dòng)電路主要用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，將打印機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及錯(cuò)誤報(bào)告顯示出來。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)將本文系統(tǒng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)經(jīng)處理后的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行采集，該信號(hào)的頻率和紅外光源的調(diào)制頻率相同，均為10 kHz。為了防止采樣過程中信號(hào)混疊情況的發(fā)生，選擇的A/D轉(zhuǎn)換器頻率不可少于100 kHz。S3C44B0中集成有8路10位A/D控制器，可采樣頻率最大只有10 kHz，無法實(shí)現(xiàn)本文系統(tǒng)模擬信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換，所以必須引入更高采樣頻率的A/D。

綜合考慮分辨率、轉(zhuǎn)換效率和模擬輸入通道數(shù)等，本文系統(tǒng)采用TI公式生產(chǎn)的ADS7852作為A/D轉(zhuǎn)換器。ADS7852是一種高效率的A/D轉(zhuǎn)換器，其采用頻率是500 kHz，8通道輸入，并行12位輸出，自帶2.5 V基準(zhǔn)電壓，轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過1.75 μs。A/D轉(zhuǎn)換模塊總體示意圖如圖4所示。

ADS7852的基本思想是：首先將CS引腳置為低電平，再對(duì)A2，A1以及A0的值進(jìn)行調(diào)整，確定輸入通道，將WR引腳置為低電平，開啟A/D轉(zhuǎn)換。依據(jù)ADS7852的轉(zhuǎn)換以及讀寫時(shí)序完成采集。

2.4 污水信息采集模塊

信息處理采集模塊如圖5所示，改進(jìn)的系統(tǒng)使用信息處理采集模塊達(dá)到了污水檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集。通過安裝無線光學(xué)細(xì)菌發(fā)光污染傳感器對(duì)污水進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，獲取與污水狀態(tài)相關(guān)的信息，再通過MCF5307核心處理器將獲取的污水狀態(tài)信息通過通信模塊以太網(wǎng)發(fā)送至控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水實(shí)時(shí)、有效的管理。

信息處理采集模塊以TI DSP C5507為核心，結(jié)合ADI公司生產(chǎn)的JPEG 2000壓縮芯片ADV?JP2000，完成對(duì)污水情況的檢測(cè)以及數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)污水處理流程

在對(duì)污水檢測(cè)系統(tǒng)所需執(zhí)行任務(wù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的特性，對(duì)基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖6所示。

對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的污水檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通電后，首先對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后顯示開機(jī)畫面，對(duì)用戶是否按鍵進(jìn)行確定，若有按鍵，則對(duì)用戶的操作進(jìn)行確定，通過A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)相應(yīng)通道的模擬信號(hào)進(jìn)行采集以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)獲取的數(shù)值信號(hào)進(jìn)行操作，將其轉(zhuǎn)換成原始信號(hào)，同時(shí)顯示在LED顯示屏中，最后通過串口進(jìn)行傳輸；若用戶按下CLC鍵，則說明用戶清除LED顯示屏中的內(nèi)容；若用戶按下RESET鍵，說明本文系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)軟件流程代碼設(shè)計(jì)

根據(jù)上述軟件系統(tǒng)流程圖進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的污水檢測(cè)模塊軟件，在Windows 2000環(huán)境下，采用C++完成，具體的軟件程序設(shè)計(jì)流程如下：

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了證明改進(jìn)系統(tǒng)的有效性，需要實(shí)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)解析。對(duì)靠近某工廠的一條河流進(jìn)行污水檢測(cè)，將得到的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)。本文的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

如表1所示是使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)及傳統(tǒng)的某大學(xué)自制的發(fā)光菌污水檢測(cè)系統(tǒng)（以投入使用）檢測(cè)污水細(xì)菌合格率的結(jié)果與真實(shí)細(xì)菌合格率的比較結(jié)果。從表1可以知道，采用改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)污水里細(xì)菌進(jìn)行處理，其合格率檢驗(yàn)的結(jié)果顯著高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，表明了改進(jìn)系統(tǒng)的正確性。

表2描述的是采用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)污水里氰化物的檢測(cè)結(jié)果。從表2可以知道，使用本文系統(tǒng)獲取的檢測(cè)結(jié)果都與驗(yàn)證指標(biāo)相符合，而使用傳統(tǒng)系統(tǒng)獲取的檢測(cè)結(jié)果只有一項(xiàng)和驗(yàn)證指標(biāo)相符合，證明了本文系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MCF5307處理器實(shí)現(xiàn)污水信息的傳遞、存儲(chǔ)以及控制，采用RS 422串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信主板與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將所提系統(tǒng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過信息處理采集模塊完成污水檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，達(dá)成對(duì)污水及時(shí)、有效的處理。軟件設(shè)計(jì)進(jìn)程里，對(duì)基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)行了仔細(xì)的解釋，并給出污水檢測(cè)的程序代碼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)具備較高的可行性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王靜.嵌入式系統(tǒng)移動(dòng)視頻監(jiān)控終端平臺(tái)安全性[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（4）：183?185.

[2] 陳喜陽，張克危，彭玉成.水電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（7）：67?70.

[3] 趙擎天，尉廣軍，姚義.基于SoPC的多路并行同步數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，23（3）：60?64.

[4] 許芳，席毅，陳虹，等.基于FPGA/Nios?Ⅱ的矩陣運(yùn)算硬件加速器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25（4）：377?383.

[5] 劉東紅，郭長(zhǎng)國，王懷民，等.監(jiān)控使能的分布式軟件系統(tǒng)構(gòu)造方法[J].軟件學(xué)報(bào)，2011，22（11）：2610?2624.

[6] 姬曉波，陳蜀宇，田東，等.高效可擴(kuò)展的網(wǎng)格系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障檢測(cè)算法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2008，33（10）：1046?1050.

[7] 翟霄翔，郝久玉，鄭軍.電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2006，29（2）：36?37.

[8] 熊婷，張炘，鄒璇.非均勻熱傳遞下傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇改進(jìn)算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（3）：318?320.

[9] 黃東，?；菪?基于.NET三層架構(gòu)的計(jì)生帳卡系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2013，29（6）：74?76.