抗干擾的嵌入式水質(zhì)分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱鵬飛+葉幫利

摘 要： 環(huán)保單位對(duì)水質(zhì)污染的控制離不開(kāi)水質(zhì)分析儀，當(dāng)受到天氣、電磁等干擾時(shí)，水質(zhì)分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。所以，設(shè)計(jì)抗干擾的嵌入式水質(zhì)分析儀。使用嵌入式處理器分析水溫和氧濃度數(shù)據(jù)，通過(guò)電流模擬量將水質(zhì)分析數(shù)據(jù)上傳到管控中心。水質(zhì)分析儀的電源電路使用繼電器獨(dú)立供電，隔離繼電器與其他供電元件，將繼電器地線(xiàn)接到虛擬地面，實(shí)現(xiàn)電源電路抗干擾。嵌入式處理器選用低功率的S3D2552增強(qiáng)測(cè)量結(jié)果可靠性，在WinCE操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)軟件驅(qū)動(dòng)程序，供S3D2552驅(qū)動(dòng)其他模塊進(jìn)行水質(zhì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的水質(zhì)分析儀抗干擾性強(qiáng)，與設(shè)計(jì)理念一致。

關(guān)鍵詞： 抗干擾； 嵌入式水質(zhì)分析儀； WinCE； S3D2552

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.6?34； TP216.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0153?03

Design and implementation of embedded water quality analyzer resisting interference

ZHU Pengfei1， YE Bangli2

（1. Dazhou Vocational and Technical College， Dazhou 635000， China； 2. Chongqing Normal University， Chongqing 400047， China）

Abstract： The data measured by the available water quality analyzer is inaccurate due to weather and electromagnetic interference， therefore an embedded water quality analyzer to resist interference was designed. The embedded processor is used to analyze the water temperature and oxygen concentration data. The water quality analysis data is uploaded to control center by means of current analog quantity. The relay is used in power circuit of water quality analyzer to supply the power independently， and is isolated from other power supply components. The ground wire of relay is connected to a virtual ground to realize the anti?interference of power circuit. The low?power S3D2552 is selected for embedded processor to enhance the reliability of measurement results. The software driver was designed in WinCE operating system to let S3D2552 drive other modules for water quality measurement. The experimental analysis results show that the designed water quality analyzer has high anti?jamming ability， and is consistent with the design concept.

Keywords： anti?interference； embedded water quality analyzer； WinCE； S3D2552

0 引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平一直處于穩(wěn)步上漲階段，由于企業(yè)的環(huán)保理念不健全，經(jīng)濟(jì)上漲破壞了自然界的生態(tài)平衡，水質(zhì)、大氣、土壤都受到了不同程度的污染。在人們賴(lài)以生存的地球中，71%的表面積被水資源覆蓋[1]，從溪流到大海，水質(zhì)污染不斷蔓延，嚴(yán)重影響到日常用水?？刂扑|(zhì)污染離不開(kāi)政府的宣傳和環(huán)保單位的嚴(yán)格管控，水質(zhì)分析儀的體積小巧、測(cè)量用時(shí)短，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將水質(zhì)狀況上傳到管控中心，聯(lián)合政府網(wǎng)站發(fā)布測(cè)量數(shù)據(jù)，是管控水質(zhì)污染的主要測(cè)量工具。

1 抗干擾的嵌入式水質(zhì)分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，抗干擾的嵌入式水質(zhì)分析儀擁有5大模塊，包括控制電路、電源電路、傳感器模塊、接口模塊和嵌入式處理器。控制電路分復(fù)位電路和顯示電路兩部分；傳感器模塊包含溫度傳感器和氧濃度傳感器；接口模塊由硬件調(diào)試接口、存儲(chǔ)接口、網(wǎng)絡(luò)接口和串行通信接口組成，存儲(chǔ)接口與程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行雙向連通。

使用嵌入式處理器處理傳感器模塊采集到的水溫和氧濃度數(shù)據(jù)，控制電路顯示處理數(shù)據(jù)，通過(guò)復(fù)位電路隔離單次測(cè)量數(shù)據(jù)[2]。接口模塊將其存入的程序和水質(zhì)分析數(shù)據(jù)輸出成電流模擬量，上傳到管控中心?？垢蓴_的嵌入式水質(zhì)分析儀的設(shè)計(jì)方案包含四部分：

（1） 實(shí)現(xiàn)電源電路抗干擾設(shè)計(jì)?？垢蓴_的嵌入式水質(zhì)分析儀應(yīng)進(jìn)行全天在線(xiàn)測(cè)量，測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，受天氣、自然災(zāi)害、電磁信號(hào)等干擾，電源電路隨時(shí)都有可能停止供電，采用交流蓄電池和不間斷電源供電，設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的接線(xiàn)。

圖1 抗干擾的嵌入式水質(zhì)分析儀模塊連接圖

（2） 選擇低功率處理器。減少嵌入式處理器能耗是為了延長(zhǎng)抗干擾嵌入式水質(zhì)分析儀的使用時(shí)間，分?jǐn)傠娫措娐饭╇娯?fù)擔(dān)[3]，加強(qiáng)測(cè)量結(jié)果可靠性。

（3） 設(shè)計(jì)合理、實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式處理器需要與控制電路、電源電路、傳感器模塊和接口模塊分別進(jìn)行獨(dú)立連接，驅(qū)動(dòng)程序要做到獨(dú)立驅(qū)動(dòng)不同模塊，還要保證驅(qū)動(dòng)用時(shí)少，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定，兼容眾多任務(wù)模式。

（4） 選擇友好的嵌入式操作系統(tǒng)。WinCE[4]是開(kāi)放的32位掌上電腦操作系統(tǒng)，其操作界面簡(jiǎn)潔、處理速度快、文件可移植、系統(tǒng)資源豐富、適合小體積的水質(zhì)分析儀。

圖2是在WinCE上設(shè)計(jì)的軟件驅(qū)動(dòng)程序，WinCE的可移植性強(qiáng)，與嵌入式處理器功能兼容，可在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定控制電路的顯示與復(fù)位、傳感器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)連接和水流量控制。

1.2 電源抗干擾方案

嵌入式處理器的主頻最高可達(dá)230 MHz。高頻信號(hào)將高速信號(hào)帶入控制電路、水質(zhì)分析儀使用的測(cè)量溶液與電子元件接觸產(chǎn)生電磁干擾[5]，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。嵌入式水質(zhì)分析儀設(shè)計(jì)的電源抗干擾方案為改變電源接線(xiàn)，使用繼電器進(jìn)行獨(dú)立供電。隔離繼電器與控制電路的供電元件，可抵抗控制電路的電磁干擾。單獨(dú)隔離繼電器地線(xiàn)，可抵抗測(cè)量溶液帶入的電磁干擾。

電源抗干擾接線(xiàn)原理如圖3所示，電源電路的火線(xiàn)接于真實(shí)地面，地線(xiàn)是一個(gè)模擬地面，實(shí)現(xiàn)了地線(xiàn)隔離。真實(shí)地面與模擬地面之間的R1是個(gè)阻值為0的電阻絲，能夠很好地將繼電器并聯(lián)到電源電路中[6]。將電源電路放置在接地的金屬體中，可屏蔽掉天氣和自然災(zāi)害對(duì)電源電路造成的干擾。

1.3 嵌入式處理器設(shè)計(jì)

S3C2411嵌入式處理器是32位的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)處理器，優(yōu)點(diǎn)在于超低功率和高性?xún)r(jià)比，數(shù)據(jù)縮率指數(shù)為31∶0，圖4是其結(jié)構(gòu)圖。S3C2411嵌入式處理器的設(shè)備資源豐富，功能齊全，有力減少了抗干擾嵌入式水質(zhì)分析儀的模塊數(shù)量、縮小了體積。S3C2411采用2.0～3.5 V的交流電源供電，可容納硬件調(diào)試接口進(jìn)行調(diào)試。鎖相回路整合時(shí)脈信號(hào)，擁有靜態(tài)緩沖區(qū)、虛擬內(nèi)存控制平臺(tái)、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示屏控制單元、直接內(nèi)存存取單元和五線(xiàn)制觸摸屏端口，網(wǎng)絡(luò)接口速率[7]區(qū)間為[10M，110M]，3臺(tái)通用異步收發(fā)傳輸器共同收發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)。與控制電路的連接通過(guò)兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)或集成電路內(nèi)置音頻總線(xiàn)，接口電路使用USB主從接線(xiàn)，傳輸速率為150 KB/s。S3C2411包含118個(gè)可編程輸入/輸出通用接口以及若干電源電路控制接口，有25個(gè)信道與外界驅(qū)動(dòng)源連通，兼容WinCE上的軟件驅(qū)動(dòng)程序。

2 實(shí)驗(yàn)分析

光化學(xué)第三定律顯示，液體濃度和同厚度層的吸光度呈等比例關(guān)系，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)[8]。由光化學(xué)第三定律可知，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，化學(xué)需氧量濃度與水質(zhì)分析儀測(cè)得的電流模擬量為等比線(xiàn)性關(guān)系，但在眾多因素的干擾下，等比線(xiàn)性關(guān)系被不得已破壞，抗干擾性能夠讓水質(zhì)分析儀自動(dòng)回歸線(xiàn)性。

標(biāo)定化學(xué)需氧量濃度為0 mg/L，30 mg/L，60 mg/L，120 mg/L，150 mg/L，180 mg/L，210 mg/L。兩個(gè)鄰近的標(biāo)定值組成單獨(dú)測(cè)量區(qū)間，將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的等比線(xiàn)性關(guān)系設(shè)為[y=kx+b。]其中：[x]代表水質(zhì)分析儀測(cè)得的電流模擬量；[y]是化學(xué)需氧量濃度；[k]代表比因數(shù)，初值為1；[b]是坐標(biāo)軸截距，初值為0。擬合兩個(gè)鄰近[y]值求取[k]，[b]，得到單獨(dú)區(qū)間內(nèi)的[y=kx+b]線(xiàn)段，將所有線(xiàn)段連接起來(lái)組成水質(zhì)分析儀電流模擬量與化學(xué)需氧量濃度的實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)，繪制圖表時(shí)盡量保證曲線(xiàn)平滑。

圖5是本文設(shè)計(jì)的嵌入式水質(zhì)分析儀的實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性曲線(xiàn)基本重合，圖6、圖7是模糊控制水質(zhì)分析儀以及頻域?yàn)V波水質(zhì)分析儀的實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)，可以看到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性曲線(xiàn)的分離程度遠(yuǎn)大于圖5。

從圖5～圖7中提取化學(xué)需氧量濃度為0 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L和200 mg/L的電流模擬量作為分析水質(zhì)分析儀抗干擾性的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性曲線(xiàn)的重合偏量，評(píng)估水質(zhì)分析儀抗干擾性?？垢蓴_性的分析理論由貝濟(jì)埃曲線(xiàn)定理[9]提供，如下：

[α=i=1nv2in-1×100%]

式中：[α]是抗干擾偏量；[vi]是第[i]次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性曲線(xiàn)的重合偏量；[n]是實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

由表1中記載的抗干擾度計(jì)算結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的嵌入式水質(zhì)分析儀抗干擾偏量全程低于0.8%，幾乎不用校正電流模擬量。模糊控制水質(zhì)分析儀的抗干擾性最差，最大抗干擾偏量為1.368%，最小抗干擾偏量高達(dá)0.642%，而且數(shù)值不穩(wěn)定，很難統(tǒng)一進(jìn)行電流模擬量校正。頻域?yàn)V波水質(zhì)分析儀穩(wěn)定性好，可以進(jìn)行統(tǒng)一校正，但抗干擾性不好。綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所設(shè)計(jì)的嵌入式水質(zhì)分析儀獲得了很強(qiáng)的抗干擾性，與本文理念相吻合。

表1 抗干擾度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

本文進(jìn)行了水質(zhì)分析儀的嵌入式和抗干擾設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案分為四個(gè)部分，分別是電源電路抗干擾設(shè)計(jì)、選擇低功率處理器、設(shè)計(jì)合理且實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序、選擇友好的嵌入式操作系統(tǒng)。根據(jù)光化學(xué)第三定律和貝濟(jì)埃曲線(xiàn)定理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文理念相吻合，所設(shè)計(jì)的水質(zhì)分析儀具備很強(qiáng)的抗干擾性。

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