嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程參數(shù)測(cè)量的設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程參數(shù)測(cè)量的設(shè)計(jì)1.引言

嵌入式系統(tǒng)由于性價(jià)比高開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)目前得到了迅猛發(fā)展，各類基于ARM處理器的應(yīng)用開發(fā)更是如火如荼。這里介紹基于ARM9嵌入式芯片S3C2410構(gòu)建的測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案先進(jìn)，集成度較高，在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.嵌入式ARM9S3C2410X簡(jiǎn)介

S3C2410X是三星公司提供的基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC處理器，它的低功耗、低價(jià)格、高性能設(shè)計(jì)特別適合于手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合，為降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，它提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備，包括分開的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU虛擬存儲(chǔ)器管理，24bbp模式下16M色TFTLCD控制器，支持NANDFlash系統(tǒng)引導(dǎo)，片選邏輯和dram控制器的系統(tǒng)管理器，3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定時(shí)器，117個(gè)通用IO端口和24通道外部中斷源，具有日歷功能的RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，IIC、IIS接口，USB主從設(shè)備，SD&MMC卡接口，2通道的SPI以及PLL時(shí)鐘倍頻器。S3C2410X具有豐富的接口和內(nèi)嵌硬件控制器，使用其簡(jiǎn)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)大部分應(yīng)用系統(tǒng)的功能。

3.嵌入式測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需對(duì)被測(cè)設(shè)備如電力設(shè)備或太陽(yáng)能的電壓、電流或溫度、光照度等開展測(cè)量、參數(shù)采集、存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為SNMP的MIB數(shù)據(jù)庫(kù)方式，數(shù)據(jù)庫(kù)能夠通過系統(tǒng)的NMP代理被遠(yuǎn)方操作員的SNMP控制平臺(tái)所訪問存取。傳輸協(xié)議為以太網(wǎng)的IP協(xié)議。信息同時(shí)能夠被本地操作顯示，因此本地附有串行接口，基于以上應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖如下列圖1所示。

圖1系統(tǒng)原理框圖（Fig1SystemDiagram）

本系統(tǒng)需采集遠(yuǎn)端、本地兩個(gè)溫度檢測(cè)，一個(gè)光照度檢測(cè)，三個(gè)直流DC8-130V電壓檢測(cè)，三個(gè)直流DC0-20A@12VDC電流檢測(cè)，一個(gè)交流AC105-280V電壓檢測(cè)，一個(gè)交流AC0-20A@120VAC電流檢測(cè)。測(cè)量使用原理及所用傳感器件下節(jié)表達(dá)。測(cè)量時(shí)通過ARM9的IO端口測(cè)量溫度和光照度，通過片內(nèi)ADC將交直流電壓電流通過傳感器轉(zhuǎn)變后的輸出電壓開展采樣，然后通過CPU計(jì)算后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.參數(shù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)

各參數(shù)測(cè)量是本系統(tǒng)的前端電路，也是終目的。由于ARM系統(tǒng)3.3V供電，具有通用IO接口和內(nèi)置ADC電路，因此只要將各測(cè)量參數(shù)通過相應(yīng)的傳感設(shè)備轉(zhuǎn)換為IO數(shù)據(jù)或0-3.3V的模擬電壓量，就可通過ARM處理器采集，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)而數(shù)字存儲(chǔ)或通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。各參數(shù)的測(cè)量采集電路見圖2所示。

直流電壓的采集可以直接通過電阻分壓取得，因?yàn)橐阎枰杉闹绷麟妷旱姆秶?，將電壓值映射?.3V，即可獲得圖2中的兩個(gè)分壓電阻的值。設(shè)分壓電阻分別是12KΩ和470KΩ，則Uo=12/（12+470）×Ui=Ui/40，按照ARM10位ADC采樣結(jié)果，如ADC采樣值為Uadc，則采集到的輸入電壓值為：Ui=×3.3×40（V）。

交流電壓的采集采用TV19G_E系列精細(xì)電壓互感器，該器件采用坡膜合金鐵芯，線性度優(yōu)于0.1%。體積小，直接焊接在電路板。它是一種電流型電壓互感器，不同的輸入電壓通過限流電阻使側(cè)流過不同的電流，二次得到一個(gè)與相同的電流。經(jīng)運(yùn)算放大器或電阻直接取樣，得到不同的輸出電壓，如圖2所示。

此時(shí)采集到的電壓值實(shí)際上是交流電壓的瞬時(shí)值，其實(shí)時(shí)性好，相位失真小，本文用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)交流電壓采集可以使得硬件投資減小，實(shí)踐證明，采用該方法并通過算法計(jì)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的度和穩(wěn)定性。

電壓有效值公式為將其離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則式中ΔTm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔；um為第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N為1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即ΔTm為常數(shù)ΔT，考慮到N=（T/ΔT）+1，則有

周期內(nèi)等時(shí)間間隔準(zhǔn)確采樣16點(diǎn)并存儲(chǔ)結(jié)果，采集完后，對(duì)采集的數(shù)據(jù)開展數(shù)字濾波并計(jì)算得到相應(yīng)的值。

系統(tǒng)中溫度測(cè)量采用DS18B20分辨率可編程單線數(shù)字溫度計(jì)，并可結(jié)聯(lián)使用。測(cè)量溫度范圍為-55度至+125度，精度可達(dá)0.5度，數(shù)字精度可編程為9至12bit。該芯片僅單線輸出，可連接CPU的IO管腳，需開展編程控制。本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)下的IO輸入輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制開展讀寫操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集，具體的程序流程如下節(jié)所述。

圖3a電流感應(yīng)輸出電壓關(guān)系圖圖3b光照度頻率關(guān)系圖

系統(tǒng)中光照度測(cè)量采用光敏傳感器TSL235電路，該電路是光照度到頻率的轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)置一個(gè)硅光敏二極管和電流到頻率的轉(zhuǎn)換器，輸出為50%占空比的不同頻率的方波，管腳只有電源、地和輸出，輸出可直接和CPU的IO相連，CPU通過TIMER控制或中斷檢測(cè)即可測(cè)得該方波的頻率，從而可計(jì)算出相應(yīng)的光照度。其光照度和頻率的關(guān)系曲線如圖3b所示。

5.軟件模塊

本系統(tǒng)軟件在linux操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)，其軟件構(gòu)造如圖4所示。

系統(tǒng)中ADC、IO等操作均采用設(shè)備驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)，先編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將驅(qū)動(dòng)參加到操作系統(tǒng)中，然后在應(yīng)用中調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。如DS18B20溫度采集采用IO操作的方法。先建立IO驅(qū)動(dòng)，module_init（DS18B20_init），主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備注冊(cè)register_chrdev（240,"ds18b20",&DS18B20_fops）。DS18B20_fops文件操作主要包括ioctl，通過ioctl中WriteOneChar，ReadOneChar等IO的控制實(shí)現(xiàn)溫度的采集。

6.結(jié)語(yǔ)

本