無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第一章緒論我國洪水災(zāi)害頻繁，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。為增加洪水有效預(yù)見期，提高水文預(yù)報(bào)的精度，及時準(zhǔn)確地為防汛和水利水電調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)，20世紀(jì)70年代我國開始建設(shè)水情自動測報(bào)系統(tǒng)。水位測報(bào)系統(tǒng)對充分發(fā)揮防汛減災(zāi)，合理利用水資源具有十分重要的意義。水情測量數(shù)據(jù)是重要的水文參數(shù)，水位測量的精度和實(shí)時性，直接影響到水庫防洪平安、發(fā)電灌溉等。我國水資源不平衡，幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，地區(qū)經(jīng)濟(jì)開展不平衡，水位測量工作仍存在一些困難。在大型發(fā)電站、重要水文站水位測量技術(shù)相對先進(jìn)一些，而普通的報(bào)汛站和水文監(jiān)測站的測量技術(shù)仍處于比較落后的狀態(tài)，水文站測洪能力不適應(yīng)監(jiān)測大規(guī)模洪水的要求。至90年代初，我國很多地方水文測報(bào)設(shè)施經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，大多處于陳舊老化的報(bào)廢狀態(tài)，出現(xiàn)了設(shè)施破爛不堪、難以承當(dāng)日常水文測報(bào)工作的局面。近年來，在國家計(jì)委和水利部的關(guān)心下，我國水文建設(shè)工程增多，建設(shè)步伐加快，使得水文測報(bào)設(shè)施破舊落后的狀況得以改善。但距離水文工作現(xiàn)代化還有很大的距離。在新形勢下，水位檢測要求穩(wěn)定和準(zhǔn)確，傳感器必須準(zhǔn)確的檢測到水位信息，并通過變送器把水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的呈現(xiàn)給觀測人員。因此傳感器能否準(zhǔn)確地檢測水位、穩(wěn)定運(yùn)行就成為了關(guān)鍵。有些國家水位監(jiān)測技術(shù)依然處于比較落后的狀態(tài)，在很多地區(qū)的河流、湖泊或水庫，還在使用比較落后的監(jiān)測設(shè)備，有些地方還在通過人工采集水文數(shù)據(jù)，這顯然不能滿足現(xiàn)代化水位監(jiān)測的要求。水文監(jiān)測有它特定的應(yīng)用背景，一般都在比較偏僻的區(qū)域，這使得很難通過架設(shè)有線來完成數(shù)據(jù)傳輸，在這種情況下，使用無線通信是一種很好的選擇。當(dāng)前使用的GPRS、GSM、微波和數(shù)傳電臺等都有一定范圍的使用，但它們都有其適用的局限性。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的提出，以及水文監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的需求，ZigBee技術(shù)在水文監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能，并具有其它幾種無線技術(shù)不可比較的優(yōu)勢。2.國外水位監(jiān)測技術(shù)開展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代后期，隨著微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的出現(xiàn)和開展水位監(jiān)測技術(shù)有了較快的開展。1976年美國SM公司與美國氣象局合作研制的一套水位自動監(jiān)測設(shè)備。80年代以來，由于遙控設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸方式和微機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步開展，水位監(jiān)測和防洪調(diào)度自動化技術(shù)在全世界得到廣泛的應(yīng)用。90年代以后，國際上多家公司退出了功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的產(chǎn)品，在水利水電、氣象等領(lǐng)域都適時得到應(yīng)用。在國外，美國和日本是較早開始水文自動化技術(shù)研究的國家。美國既是工業(yè)先進(jìn)、通訊、交通網(wǎng)非常興旺的國家，又是幅員廣闊、人口密度不均的國家。因此各種制式、各種通信方式的測報(bào)系統(tǒng)均比較興旺。其中自報(bào)式超短波系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺獲得廣泛的應(yīng)用，而且美國是大面積使用流星余跡通信進(jìn)行水文遙測的唯一國家。使用衛(wèi)星的系統(tǒng)如極軌衛(wèi)星環(huán)境數(shù)據(jù)(包括水文數(shù)據(jù))收集系統(tǒng)ARGos系統(tǒng)，及大量氣象同步衛(wèi)星平臺，均可進(jìn)行水文數(shù)據(jù)傳輸。近年美國的suTRON公司被美國海洋和大氣局(NOAA)授權(quán)研制下一代水位測量系統(tǒng)州GwLMs)。該系統(tǒng)將會集成目前的海平面及大流域測量網(wǎng)絡(luò)，用最先進(jìn)的傳感器，衛(wèi)星傳輸手段，集中數(shù)據(jù)處理及接收。日本在37萬kmZ的國土面積上，建有26個雷達(dá)雨量站，2500個地面雨量站和2100個水位站，觀測范圍覆蓋整個日本。這些測站采用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)傳輸?shù)焦な率聞?wù)所，收集全國的水文信息僅用10分鐘，且每小時更換一次信息，事務(wù)所也可以通過監(jiān)視器觀察測站的運(yùn)行情況。所有測站均實(shí)現(xiàn)無人值守，其監(jiān)測系統(tǒng)集成化和綜合程度比較高。對于水文監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和研制，國外興旺國家始終處于領(lǐng)先地位，其特點(diǎn)是:系統(tǒng)開展比較完善，傳感器測報(bào)設(shè)備先進(jìn)可靠;通信方式多樣化且十分先進(jìn);分析預(yù)報(bào)技術(shù)成熟并積極采用各種先進(jìn)的技術(shù)。在監(jiān)測設(shè)備方面，國外的數(shù)據(jù)采集終端除了具有數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、處理和傳輸這些根本功能外，在傳感器集成、多參數(shù)采集、監(jiān)測設(shè)備智能化方面技術(shù)也比較成熟。水位監(jiān)測技術(shù)開展現(xiàn)狀我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)包括三個階段:初級階段、開展階段和網(wǎng)絡(luò)化階段。二十世紀(jì)七十年代中期開始到八十年代中期為初級階段。水文信息化從1980年開始，起步于信息源的處理。八十年代中后期開始的十余年為開展期。九十年代后期，為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度現(xiàn)代化、信息化的要求，以及近代通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速開展的時代特點(diǎn)，水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化階段。2001年，水利部印發(fā)了《全國水利信息化規(guī)劃綱要》，提出了全國水利信息化的開展思路。在水利系統(tǒng)的信息化工作中，防汛信息系統(tǒng)建設(shè)起到了先鋒帶頭作用。目前，從水利部機(jī)關(guān)到各流域、各省市實(shí)現(xiàn)了水情、雨情信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，實(shí)現(xiàn)了信息的自動化接收、處理和分析。在國家防汛指揮系統(tǒng)工程工程的總體設(shè)計(jì)中，提出了在全國將建立224個水情分中心、228個雨情分中心。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域和省市建立了一定規(guī)模的水情、雨情信息自動測報(bào)系統(tǒng)。我國的水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)過近三十年的開展經(jīng)驗(yàn)積累，雖然已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但總體來說，大局部地區(qū)的水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)還不夠合理和完善，整體水平仍相對落后，與西方興旺國家還存在著很大的差距，信息采集、傳輸手段和技術(shù)比較落后，信息時效性差，不能滿足當(dāng)今對水文數(shù)據(jù)實(shí)時、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測的要求。本文分七章對基于ZigBee和GPRS的無線水文監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，主要章節(jié)內(nèi)容安排如下:第一章，首先論述了本課題的背景背景和意義，然后介紹了國內(nèi)外水文監(jiān)測技術(shù)的開展現(xiàn)狀，接著分析了水文監(jiān)測系統(tǒng)中常用的幾種無線組網(wǎng)技術(shù)，提出了ZigBee無線水文監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，最后對論文的結(jié)構(gòu)安排進(jìn)行了說明。第二章，對IEEE802.巧.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層進(jìn)行了分析，然后介紹了ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)，為以后的設(shè)計(jì)打好根底。第三章，從系統(tǒng)的功能和性能需求分析出發(fā)，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)的組成、工作原理和系統(tǒng)特點(diǎn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。第四章，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，分為最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)和外圍接口電路設(shè)計(jì)兩局部，對各個電路的芯片選型、特點(diǎn)、電路設(shè)計(jì)原理等進(jìn)行分析和介紹，并給出了各個電路的電路原理圖或示意圖。第五章，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，首先提出了軟件的整體結(jié)構(gòu)，然后依次介紹了軟件開發(fā)環(huán)境的建立、林c/os一n嵌入式操作系統(tǒng)在LPc2210上的移植、SMAC協(xié)議棧的移植、系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)等。其中，系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行了劃分，分析了任務(wù)間的通信方式，然后對各個任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，并給出了軟件的流程圖。第六章，給出了ZigBee在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例，首先分析了傳感器終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，對水文傳感器進(jìn)行了選型，然后分析了終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，最后，從通信距離數(shù)據(jù)傳輸丟包率兩個方面對該應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和性能分析。第七章，對本論文研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對系統(tǒng)今后進(jìn)一步的工作進(jìn)行了展望。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著嵌入式技術(shù)的飛速開展，無論是在國內(nèi)還是國外，嵌入式技術(shù)都己經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，其可靠性也得到了廣泛地驗(yàn)證[3]。嵌入式技術(shù)應(yīng)用于水利土木監(jiān)測領(lǐng)域，為各種平安監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。但是國內(nèi)外這方面的研究成果還是具有一定的差距。主要表達(dá)在，國際先進(jìn)水平的水利土木平安監(jiān)測系統(tǒng)，己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，形成了一定的市場規(guī)模和占有率。國際上處于領(lǐng)先水平的技術(shù)相對于國內(nèi)技術(shù)的優(yōu)勢在于:傳感器技術(shù)更先進(jìn)，監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)能力更強(qiáng)，從業(yè)公司比較多，市場認(rèn)知度比較高。國內(nèi)這方面的研究目前開展的也很多，開展相對來說也很快，市場前景也比較看好。嵌入式平臺大多都是興旺國家提供的產(chǎn)品，國內(nèi)在平臺設(shè)計(jì)方面比較落后，但是本研究室也能夠接觸到國際上比較先進(jìn)的嵌入式平臺，能夠?yàn)橄到y(tǒng)構(gòu)建良好的硬件根底。在無線通信技術(shù)方面，也可以接觸到國際上比較先進(jìn)的無線通信技術(shù)。實(shí)際工程中常用的水位傳感器主要有以下幾種類型【，，4，5，6]:1浮體式水位傳感器這類傳感器是根據(jù)水的浮力來實(shí)現(xiàn)水位采樣的。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是必須有浮體浮于水面。其采集水位信號的原理是:浮體浮于水面隨水升降，同理浮體隨水位移的信號，通過浮體以一定方式傳遞出去，實(shí)現(xiàn)水位采集。浮體式水位傳感器依據(jù)浮體傳遞水位信號方式的不同，又可劃分為不同種類。浮子式光纖水位傳感器是一種常見的浮體式水位傳感器。浮體式水位傳感器的主要缺點(diǎn)有兩個:一是冬季結(jié)冰時無法正常工作;二是無法在流動的水中測量水位，需建測井。2壓阻式水位傳感器水具有壓力，并且水的壓力與水的深度成正比，利用水的這一性質(zhì)采集水位信號的傳感器，被稱為壓阻式水位傳感器。壓阻式水位傳感器水位取樣的根本原理是基于單晶硅材料的壓阻效應(yīng)。也就是說，半導(dǎo)體單晶硅在受到水的壓力后，其電阻會發(fā)生改變，且改變量與水的壓力成正比。壓阻式水位傳感器靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化，是目前非電量測量技術(shù)中非常重要的檢測手段。這類傳感器的主要缺點(diǎn)是，在大應(yīng)變狀態(tài)中有較明顯的非線性，輸出信號弱，故抗干擾能力差。3傳熱式水位傳感器這類傳感器是基于水的導(dǎo)熱特性而研制的。水的導(dǎo)熱速度與空氣相比差異很大，假設(shè)將功率一定的發(fā)熱體分別置于水及其同溫的空氣中，發(fā)熱體外表的溫度顯著不同，即發(fā)熱體在水中的外表溫度低于其在空氣中的溫度，發(fā)熱體功率越大，差異就越明顯。這種根據(jù)傳熱原理研制的傳感器，是將水位測量轉(zhuǎn)化為溫差測量。這種傳感器能滿足可靠性的要求，但精確度較低。4超聲波水位傳感器超聲波水位傳感器是根據(jù)水能傳播聲波的特性研制的。超聲波水位傳感器采集水位信號的原理是:傳感器內(nèi)部放射源向水外表發(fā)射超聲波，水反射局部回波，這種反射波被同一傳感器探測，并轉(zhuǎn)換成電信號。這種傳感器適用于腐蝕性液體的測量。5導(dǎo)電式水位傳感器自然界的水具有導(dǎo)電性，人們利用水的導(dǎo)電性研究出了各種水位傳感器，人們把這些水位傳感器統(tǒng)稱為導(dǎo)電式水位傳感器。這類傳感器采集水位信號的根本原理是利用水的導(dǎo)電性將水位信號轉(zhuǎn)換成電信號。轉(zhuǎn)換方式有兩種:一種是將水位變化轉(zhuǎn)換成電容變化;另一種是利用水位變化與電極接觸，來實(shí)現(xiàn)水位信號到電信號的轉(zhuǎn)變。根據(jù)水位信號轉(zhuǎn)換成電信號的不同方式，導(dǎo)電式水位傳感器可分為兩種類型:·電容型和電接觸型。(1)電容型水位傳感器這種傳感器是利用的水的導(dǎo)電性，把水構(gòu)成電容器的一個極板，將水位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來檢測水位信號的。電容式水位傳感器的測量電路常見的有變壓器電橋式、運(yùn)算放大器式及脈沖寬度式等。與其它水位傳感器相比，電容型水位傳感器具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應(yīng)好、對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。(2)電接觸型水位傳感器電接觸型水位傳感器是依靠水的導(dǎo)電性來采集水位信號的。它利用水的導(dǎo)電性，通過水位變化與相應(yīng)的電極接通，把水位信號轉(zhuǎn)換成電信號。依靠電極與水接通拾取水位信號，也是這種傳感器的特點(diǎn)。電極用金屬材料制成，縱向依次排列在空芯棒外或安裝在棒內(nèi)，但必須使電極能夠與水接觸。電接觸型水位傳感器結(jié)構(gòu)簡單。安裝使用都很方便、性能較穩(wěn)定、價(jià)格低廉，因此備受用戶歡送。經(jīng)過幾十年的開展，水位傳感器的種類繁多，但能夠在水位數(shù)據(jù)的采集時就實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的卻很少見，太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所馬福昌教授等人研制的MFC系列水位傳感器就是其中較為突出的一類，該類傳感器現(xiàn)在仍居國內(nèi)外領(lǐng)先地位?！案袘?yīng)式水位傳感器”就是是其中的一種，該傳感器應(yīng)用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集的新技術(shù)，采用全數(shù)字化電路，通過刻度采集水位信號，從開始采集水位信號就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，經(jīng)過內(nèi)部電路處理，輸出電流信號，由于從采集水位信號到輸出的信號是全數(shù)字的，數(shù)字信號受溫度的影響很小，不但解決了微弱信號抗干擾的問題，而且也根本克服了溫度漂移問題。傳感器信號輸出采用國際數(shù)字信息化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口電路。目前流行的無線傳輸技術(shù)(l)數(shù)傳電臺(dataradio):借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電匕頭口0(2)GPRs(GeneralPacketRadioservice)通用分組無線業(yè)務(wù):一種基于包的無線通訊服務(wù)。GSM:第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)，也是全球第一個對數(shù)字調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)種類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。(3)無線射頻身份識別系統(tǒng)(RadioFre明eneyIdent飯cationSystem，簡稱RFn〕):邵ID是針對常用接觸式識別系統(tǒng)缺點(diǎn)加以改進(jìn)。(4)藍(lán)牙技術(shù)(bluetooth):一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球標(biāo)準(zhǔn)，它以低本錢的短距離無線連接為根底，可為固定或移動的終端設(shè)備提供廉價(jià)的接入效勞。川(5)紅外線通訊技術(shù)(LDA):一種廉價(jià)、近距離、無線、低功耗、保密性強(qiáng)的通訊方案，主要應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸，有時也用于無線網(wǎng)絡(luò)接入和近程遙控。(6)NFC(NearFieldCommunieation，近距離無線傳輸):由PhiliPs、NoKIA和Sony主推的一種類似于R日D(非接觸式射頻識別)的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。(7)ZigBee技術(shù):zigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和開展的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。(8)Wi一Fi技術(shù)，wi一Fi(WirelessFidehty，無線高保真)也是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是正EESO2.llb，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。水位監(jiān)測屬于水利土木平安監(jiān)測的一個分支，是一項(xiàng)有重大實(shí)際意義的研究課題。目前，隨著嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速開展，水利土木平安監(jiān)測手段也同樣得到了快速的開展。從最早的人工觀測，到使用電纜傳輸數(shù)據(jù)的有線觀測方法，再到現(xiàn)在的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以說新技術(shù)層出不窮。國內(nèi)外己經(jīng)有大量的文章研究了將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于平安監(jiān)測領(lǐng)域的課題，也有了很多相關(guān)產(chǎn)品的問世。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案在感應(yīng)式水位傳感傳統(tǒng)應(yīng)用中，需要給傳感器接上電源線、地線和信號線，即使用戶不需要水位數(shù)據(jù)，傳感器也始終處于工作狀態(tài)。這樣一來傳感器的功耗很大，而且當(dāng)水位監(jiān)測點(diǎn)比較分散，地理環(huán)境惡劣時電纜安裝將十分繁瑣，并且安裝電纜本身就會增加本錢，還會給未來的檢修和維護(hù)帶來很多麻煩。介于如上問題，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是:(1)采用無線通訊和太陽能供電，無需安裝電纜。(2)采用低功耗的微控芯片和無線傳輸方式，在硬件上降低功耗。(3)控制系統(tǒng)處于“休眠”和“喚醒”狀態(tài)，平時下位機(jī)處于“休眠”狀態(tài)，當(dāng)用戶需要水位數(shù)據(jù)并向下位機(jī)發(fā)出水位采集命令時，下位機(jī)才被“喚醒”，從工作方式上降低功耗。(4)測量下位機(jī)功耗和太陽能電池板、蓄電池的供電能力，為下位機(jī)選擇最為經(jīng)濟(jì)而且滿足系統(tǒng)能夠長期正?？煽抗ぷ饕蟮奶柲茈姵匕搴托铍姵亍Ｏ到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案在工程開始之前，首先認(rèn)真分析了用戶的實(shí)際需求，確保用戶提出的需求是可以實(shí)現(xiàn)的，接著實(shí)地考察了大連站北廣場的地形結(jié)構(gòu)，然后綜合考慮本研究室的技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品本錢、產(chǎn)品維護(hù)以及升級的方便程度等因素，提出了本文的設(shè)計(jì)方案。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)無線數(shù)據(jù)傳輸水位監(jiān)測儀要求是長時間無人職守的監(jiān)測系統(tǒng)，需要及時采集數(shù)據(jù)，即從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。監(jiān)測儀的水位傳感器的量程范圍為0-2m；水位分辨率為lmm；在采集數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)傳向遠(yuǎn)端效勞器。系統(tǒng)應(yīng)用一種高性能、低功耗的單片機(jī)，對各個局部進(jìn)行自動控制，以降低儀器的整體功耗。定時局部完成監(jiān)測周期的時間設(shè)定。當(dāng)定時時間到達(dá)時，儀器內(nèi)部的自控電路將自動接通單片機(jī)、傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的電源，依次選通各路模擬信號，完成放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號經(jīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線調(diào)入單片機(jī)內(nèi)部，由單片機(jī)處理后存入RAM〔數(shù)據(jù)存儲器〕內(nèi)保存。當(dāng)通訊程序啟動后，按照通訊程序的指令將存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，或按指令將計(jì)算機(jī)的當(dāng)前時間及下次數(shù)據(jù)采集時間和間隔下傳至?xí)r鐘芯片或相應(yīng)的存放器中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示2系統(tǒng)器件選擇2.1MSP430系列單片機(jī)選擇MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司〔TI〕近幾年開發(fā)的新一代16位單片機(jī)，具有強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、多種時鐘模塊，適應(yīng)工業(yè)級運(yùn)行環(huán)境。其突出優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗、較高的性能價(jià)格比，非常適合各種功耗要求較低場合的應(yīng)用。該系列單片機(jī)典型應(yīng)用是智能儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、保安系統(tǒng)和家電等方面。本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)。2.2GSM模塊目前，我國已根本上建成了可以覆蓋全國大多數(shù)省區(qū)面積的移動通訊網(wǎng)絡(luò)，特別是在人口眾多、經(jīng)濟(jì)興旺的城市周邊地區(qū)，移動通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積幾乎接近100%。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，自帶RS-232通訊接口,可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊，可以快速、平安、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息效勞(ShortMessageService)和。TC35—5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段,所在頻段功耗分別為2w(900M)和1w(1800M)。傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。水位監(jiān)測儀的傳感器長期置于水井內(nèi)，一般的傳感器極易結(jié)垢和腐蝕氧化。故傳感器的主體材料應(yīng)為特制合金，工作環(huán)境的水溫要求在－20～60℃之間。壓力式水位傳感器的輸出為4～20mA〔4mA對應(yīng)最大水位，20mA對應(yīng)最小水位〕電流信號，只需二芯電纜即可傳輸該信號，且壓力式水位傳感器體積小巧，一般其直徑約為30mm，長度約為150mm，安裝時只要簡單地將其投入至水中即可。即使為了保護(hù)傳感器免受外力損壞，也只需用直徑為50mm的鍍鋅鋼管作為護(hù)套，費(fèi)用較低，故決定選擇壓力式水位傳感器，如圖3所示。TCYB系列投入式擴(kuò)散硅壓力變送器選用著名美國ICSensors公司高精度、高穩(wěn)定性擴(kuò)散硅壓力傳感器組件，變送器由擴(kuò)散硅壓力芯片和信號處理電路組成，當(dāng)外加壓力時，被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的壓力芯片上，使壓力芯片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微小位移，電子線路檢測這一位移量后，即把這一位移量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)測量信號，再經(jīng)信號處理電路對其補(bǔ)償、放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出信號，可直接與MSP430F149單片機(jī)A/D輸入通道P6口連接，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。原理如圖4所示。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)通過系統(tǒng)框圖可以看出：整個系統(tǒng)包括電源及復(fù)位模塊、串口模塊、A/D采集模塊、控制模塊、GSM模塊和串行存儲器模塊。整個系統(tǒng)的供電電壓為5V，單片機(jī)等芯片的供電電源電壓為3.3V，而TC35的供電電源電壓為壓的供電電流必須能到達(dá)2A以上，這是由GSM模塊的峰值電流所要求的。復(fù)位監(jiān)控局部為系統(tǒng)在開機(jī)時提供復(fù)位信號，并監(jiān)控系統(tǒng)工作的電壓是否正常，當(dāng)不正常時使系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)通過串口O與GSM模塊接口，通過串口1與PC通信，在與PC通信時，需要考慮電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)通過單片機(jī)的A/D通道采集來自傳感器的數(shù)據(jù)；通過控制繼電器的狀態(tài)來控制設(shè)備的工作狀態(tài)。此外，系統(tǒng)通過串行存儲器來記錄數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊、串口模塊、采集控制模塊、GSM模塊、串行存儲器模塊及CPU控制模塊。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集、通信兩大模塊組成，通信又為分GSM通信和PC機(jī)通信兩種，設(shè)計(jì)上主程序由數(shù)據(jù)采集、與GSM通信處理兩局部，而與PC機(jī)通信〔配置命令〕那么通過中斷方式實(shí)現(xiàn)。主程序流程框圖如圖5所示。本文的無線節(jié)點(diǎn)按照用途可以分為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和基站。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的信息無線發(fā)送出去,路由節(jié)點(diǎn)中繼、轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信息,然后由基站交與計(jì)算機(jī)處理,圖1是無線水位監(jiān)測系統(tǒng)示意圖1.1終端節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)是采集、發(fā)送水位信息。液位變送器JYB-KO-TAG將水位信息轉(zhuǎn)換成電信號,交與CC2430的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,CC2430的8051微控制器核進(jìn)行信息處理,最后由符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)射頻發(fā)送水位信息。1.2路由節(jié)點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)開啟CC2430的RF無線電收發(fā)機(jī)中繼、轉(zhuǎn)發(fā)來自基站的命令、來自終端節(jié)點(diǎn)的水位信息。路由節(jié)點(diǎn)的參加,組成無線網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測信息在這個無線網(wǎng)絡(luò)中不斷地延伸、傳遞,使通信距離增加,監(jiān)控范圍增大。1.3基站基站通過CC2430的串行通信接口(USART),與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,完成用戶的命令指示,通過CC2430的RF無線電收發(fā)機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令、采集信息的交互,完成水位信息的采集。2無線水位監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無線水位監(jiān)測系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要由終端節(jié)點(diǎn)、基站和計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)發(fā)組成。終端節(jié)點(diǎn)接收基站命令,實(shí)施采集作業(yè);基站功能是傳達(dá)用戶指令,收集終端節(jié)點(diǎn)信息;計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件主要是負(fù)責(zé)下達(dá)系統(tǒng)命令,監(jiān)控水位信息,實(shí)施報(bào)警警示用戶。2.1終端節(jié)點(diǎn)軟件終端節(jié)點(diǎn)軟件根據(jù)基站的命令進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)采集作業(yè),然后將采集到的信息無線發(fā)送出去,這些信息包括水位信息、自身電量信號,其中節(jié)點(diǎn)信息包括電量信息,目的是便于用戶維護(hù)系統(tǒng),及時更換節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)電池,其具體的軟件流程圖如圖2所示。2.2路由節(jié)點(diǎn)軟件路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā),包括基站的命令和終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)信息,并根據(jù)基站的命令采集自身的電量信息,以確定是否由其承當(dāng)路由功能。軟件的流程圖如圖3所示。2.3基站軟件基站軟件主要包括串口通信、無線收發(fā)兩個模塊。串口通信協(xié)議如表1所示。協(xié)議每個字節(jié)含義如下:(1)起始位:標(biāo)識一個控制信息的開始,包括兩個字節(jié),分別設(shè)置為0x40和0x00。設(shè)備地址:標(biāo)識信息的目標(biāo)設(shè)備,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。目前暫時定義為0x00為播送地址,0x01為采集設(shè)備地址,0x02為計(jì)算機(jī)地址。(2)功能碼:標(biāo)識信息的功能,0x01為采集頻率控制,0x02為電壓數(shù)值傳輸。功能碼為0x01:數(shù)據(jù)位中數(shù)據(jù)為采集頻率。當(dāng)高位和低位全部為0X00時表示采集停止,否那么數(shù)據(jù)表示多少秒采集一次數(shù)據(jù)。功能碼為0x02:數(shù)據(jù)位中數(shù)據(jù)為電壓值,數(shù)值為實(shí)際電壓值的1000倍。(3)數(shù)據(jù)位:包括數(shù)據(jù)高位和數(shù)據(jù)低位,首先使用數(shù)據(jù)低位。(4)CRC校驗(yàn):對起始位、設(shè)備地址、功能碼和數(shù)據(jù)位進(jìn)行計(jì)算得出的8bitCRC值。基站軟件根據(jù)以上的通信協(xié)議與計(jì)算機(jī)通信,并根據(jù)相應(yīng)的命令,轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的任務(wù),然后接收終端節(jié)點(diǎn)的采集信息,其流程圖如圖4所示。2.4計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件為了更直觀、及時地了解水位信息,采用VisualC#開發(fā)了無線水位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件,如圖5無線水位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件主界面所示,在尾礦庫的水塔中布置液位變送器,在塔頂安置終端節(jié)點(diǎn),監(jiān)控室離監(jiān)測點(diǎn)比較遠(yuǎn),中間增加了路由節(jié)點(diǎn),在監(jiān)控室安裝基站,完成與計(jì)算機(jī)通信,軟件功能還包括從串口獲得采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息,根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及用戶的設(shè)置,實(shí)時圖形顯示水位、各個節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、通信狀態(tài)、各個節(jié)點(diǎn)的電池電量以及水位報(bào)警和電池電量報(bào)警等信息,很好地完成了水位信息的監(jiān)控。本研究室有較多的水利土木平安監(jiān)測方面的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，水位監(jiān)測方向的課題，以前也有過一定的研究和實(shí)踐。所以，用戶提出的建立水位監(jiān)測系統(tǒng)的需求，本研究室利用己經(jīng)掌握的嵌入式技術(shù)可以很好的滿足。首先是傳感器方面，壓阻式傳感器和超聲波液位儀都是經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的可靠的水位傳感器，可以根據(jù)不同的地理環(huán)境和用戶的不同需求，分別使用它們。其次，嵌入式平臺方面，本研究室已經(jīng)有了較為豐富的16/32位嵌入式開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能夠根據(jù)用戶的不同需求，構(gòu)建最適宜的嵌入式平臺滿足用戶的需求。然后是無線通信技術(shù)方面，因?yàn)檎颈睆V場面積比較大，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有線網(wǎng)絡(luò)布線比較困難，所以用戶要求使用無線通信技術(shù)構(gòu)建采集系統(tǒng)。本研究室研究過大多數(shù)的主流無線通信技術(shù)，也有豐富的無線開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，使用最適宜的無線通信技術(shù)滿足用戶的需求。最后是系統(tǒng)的可靠性方面，由于水利上木平安監(jiān)測工程實(shí)際意義重大，所以對系統(tǒng)可靠性大多要求比較高。本研究室可以利用已有的工程經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)格的開發(fā)測試流程，確保系統(tǒng)的平安可靠。在能夠滿足用戶根本需求的前提下，本文還要研究如何針對用戶的具體要求，設(shè)計(jì)出最適合于當(dāng)前應(yīng)用的系統(tǒng)。任何用戶最關(guān)心的都是系統(tǒng)的可靠性，在可靠的前提下，用戶對于系統(tǒng)本錢也是非常關(guān)心的。為了在不影響系統(tǒng)性能的前提下，盡可能降低系統(tǒng)本錢，本文在嵌入式硬件的設(shè)計(jì)方面采用了16位的MsP43O處理器和32位的ARMg53C2410處理器相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。通過嵌入式微處理器的上下搭配，能夠充分發(fā)揮不同性能微處理器的最大成效。根據(jù)站北廣場特殊的地理位置特點(diǎn)，即大多觀測點(diǎn)均位于方圓2公里的范圍內(nèi)這一現(xiàn)象，本文將ZigBee這一新興技術(shù)應(yīng)用于水位監(jiān)測領(lǐng)域。相對于有線傳輸來說，大大降低了施工布線的復(fù)雜性;另外對于以往使用的無線傳輸手段來說，系統(tǒng)的靈活性大大提升，功耗有明顯下降，另外通信費(fèi)用也降到了最低。依據(jù)用戶水位觀測和數(shù)據(jù)處理的要求，還為用戶提供了配套的上位機(jī)軟件，提供了數(shù)據(jù)存儲以及定時采集等功能。效勞器軟件與整個采集系統(tǒng)配和使用，可以極大地方便用戶的采集工作。作為無線水位監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)。本文首先分析比較了幾種市面主流的無線通信技術(shù)，然后針對本次應(yīng)用，選擇了最適宜的遠(yuǎn)距離和近距離數(shù)據(jù)傳輸手段，通過綜合使用兩種技術(shù)，構(gòu)建了整個監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。多種無線通信技術(shù)的分析比較(l)IrDAIrDA是hifraredDataAssociation的英文縮寫，即紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會，成立于1993年。是一個致力于建立無線傳播連接的國際標(biāo)準(zhǔn)非營利性組織。目前在全球擁有160個會員，參與的廠商包括計(jì)算機(jī)及通信硬件、軟件及電信公司等。簡單地講，IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)，其相應(yīng)的軟件和硬件技術(shù)都已比較成熟。它在技術(shù)上的主要優(yōu)點(diǎn)有:無需專門申請?zhí)囟l率的使用執(zhí)照，這一點(diǎn)，在當(dāng)前頻率資源匾乏，頻道使用費(fèi)用增加的背景下是非常重要的。具有移動通信設(shè)備所必需的體積小、功率低的特點(diǎn)。HP公司目前已推出結(jié)合模塊應(yīng)用的約從2.5x8.0x2.9立方毫米到5.3x13.0x3.8立方毫米的專用器件，與同類技術(shù)相比，耗電量也是最低的。傳輸速率在適合于家庭和辦公室使用的微微網(wǎng)中是最高的，由于采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較少，速率可達(dá)16MbPs[4]。除了在技術(shù)上有自己的技術(shù)特點(diǎn)外，lrDA的市場優(yōu)勢也是十清楚顯的。目前，全世界有5000萬臺設(shè)備采用IrDA技術(shù)，并且仍然每年以50%的速度增長。有95%的手提電腦安裝了frDA接口。在本錢上，紅外線LED及接收器等組件遠(yuǎn)較一般RF組件來內(nèi)，相當(dāng)于日前藍(lán)牙產(chǎn)品的十分之一。IrDA的局限性。首先，IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，也就是說兩個具有IrDA端口的設(shè)備之間如果傳輸數(shù)據(jù)，中間就不能有阻擋物，這在兩個設(shè)備之間是容易實(shí)現(xiàn)的，但在多個電子設(shè)備間就必須彼此調(diào)整位置和角度等;其次，frDA設(shè)備中的核心部件紅外線LED不是一種十分耐用的器件，對于不經(jīng)常使用的掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備雖然游刃有余，但如果經(jīng)常用裝配IrDA端口的上網(wǎng)，可能很快就不堪重負(fù)了。IrDA的開展。IrDA除了傳輸速率由原來的FIR(Fastinfrared)的4Mbps提高到最新vFIR的16MbPs標(biāo)準(zhǔn);接收角度也由傳統(tǒng)的30度擴(kuò)展到120度。這樣，在臺式電腦上采用低功耗、小體積、移動余度較大的含有IrDA接口的鍵盤、鼠標(biāo)就有了根本的技術(shù)保障。同時，由于Inie二ct的迅猛開展和圖形文件逐漸增多，IrDA的高速率傳輸優(yōu)勢在掃描儀和數(shù)碼相機(jī)等圖形處理設(shè)備中更可大顯身手。(2)Bluetooth藍(lán)牙技術(shù)由愛立信、東芝、IBM和英特爾五家公司于1998年提出。主要用來打破以紅外線或電纜連接不同產(chǎn)品時受到的限制，2000年做到使移動等設(shè)備與個人電腦或任何其他設(shè)備、儀器之間，能夠在約幾十米的距離內(nèi)無需連接電纜線或紅外接口就可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。藍(lán)牙技術(shù)是實(shí)現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性標(biāo)準(zhǔn)，是一種低本錢、短距離、支持點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的通信的無線通信技術(shù)，藍(lán)牙最早是作為電纜的替代的一種低功耗短距離無線接口，實(shí)現(xiàn)在移動、便攜式電腦和其他電子裝置之間的無縫連接，進(jìn)而形成一個個局域網(wǎng)，使得其范圍內(nèi)的各種信息化的移動和便攜設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)資源共享。雖然用途上與紅外類似，其標(biāo)準(zhǔn)中也考慮到了與紅外系統(tǒng)的兼容性，但是由于無線電波比紅外線有固有的優(yōu)勢，藍(lán)牙技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用。但是未來的家居網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將會越來越多，藍(lán)牙有限的網(wǎng)絡(luò)容量將會大大限制其在低速控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。另外，藍(lán)牙的本錢始終高居不下，也就導(dǎo)致其無法適用于未來的大規(guī)模家居控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。目前己經(jīng)有基于藍(lán)牙的智能家居系統(tǒng)，但是因?yàn)橄到y(tǒng)造價(jià)高，所以無法推廣開來。藍(lán)牙技術(shù)具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)通訊優(yōu)勢，用于抄表領(lǐng)域在技術(shù)上是完全可行的。目前市場上早己有藍(lán)牙技術(shù)的抄表模塊。但由藍(lán)牙技術(shù)主要針對的是數(shù)據(jù)交換及語音信號傳輸，同其它專有的抄表技術(shù)相比，有協(xié)議過于復(fù)雜、芯片本錢較高的缺點(diǎn)。(3)Wi一Fi1999年9月，電子和電氣工程師協(xié)會(IEEE)批準(zhǔn)了IEEE802.llb標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)也稱為wi一Fi。wi一Fi的全稱是wirelessFidelity，又叫soZ.llb標(biāo)準(zhǔn)。它的最大優(yōu)點(diǎn)就是于在共享的無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信的物理層和媒體訪問控制子層。在物理層，IEEEso2.llb采用2.45GHz的無線頻率，最大的位速率達(dá)llMbps，使“載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突防止(CSMA/CA)”媒體訪問控制(MAC)協(xié)議。需要傳輸幀的無線工作站首先偵聽無線媒體，以確定當(dāng)前是否有另一個工作站正在傳輸(屬于CSMA/CA的載波偵聽的范疇)。如果媒體正在使用中，該無線工作站將計(jì)算一個隨機(jī)的補(bǔ)償延時。只有在隨機(jī)補(bǔ)償延時過期后，該無線工作站才會再次偵聽是否有其他正在執(zhí)行傳輸?shù)墓ぷ髡?。通過引入補(bǔ)償延時，等待傳輸?shù)亩鄠€工作站最終不會嘗試在同一時刻進(jìn)行傳輸(屬于CSMA/CA的沖突防止范疇)。使用帶確認(rèn)(A咖owled腳ent，AeK)信號的“請求發(fā)送(Re職esttosend，RTS)/去除發(fā)送(Cleartosend，CTs)”協(xié)議，確保成功地傳輸和接收幀。(4)數(shù)字電臺常見的數(shù)字電臺采用數(shù)字信號處理、糾錯編碼、軟件無線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和外表貼片一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[7]，電臺提供標(biāo)準(zhǔn)RS232數(shù)據(jù)口可直接與計(jì)算機(jī)、RTu、PLC、GPS接收機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)終端等連接，任何型號電臺可設(shè)置為主站或遠(yuǎn)程站使用，無中轉(zhuǎn)通信距離達(dá)50公里以上，能適應(yīng)室內(nèi)或室外的惡劣工作環(huán)境。某些型號電臺數(shù)據(jù)和話音兼容，可工作于單工、半雙工、時分雙工TDD、全雙工方式，收發(fā)同頻或異頻中轉(zhuǎn)組網(wǎng)，并具有遠(yuǎn)程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)方站之間的數(shù)據(jù)采集和控制。數(shù)字電臺作為比較成熟的技術(shù)，具有自己的技術(shù)特點(diǎn)。其最主要特點(diǎn)就是傳輸距離很遠(yuǎn)，可靠性比較高。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字電臺已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油天然氣生產(chǎn)，調(diào)配輸送自來水，廢水，煤氣工程，電力調(diào)度，配網(wǎng)自動化，負(fù)荷控制，鐵路通信系統(tǒng)，交通控制系統(tǒng)等等。缺點(diǎn)在于功耗比較大，數(shù)據(jù)傳輸受到無線電管制影響，另外施工地點(diǎn)的地理環(huán)境可能對傳輸距離有影響。(5)CDMA/GPRSGpRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(Generalpaeketradioserviee)的英文簡稱，是在GSM系統(tǒng)上開展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GsM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)那么以及同樣的TDM流幀結(jié)構(gòu)[8]。GPRs允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低本錢的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。和現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)相比，GPRS有幾個新特點(diǎn)。GPRS一個最突出的特點(diǎn)就是“永遠(yuǎn)在線”，GPRS采用的是分組交換技術(shù)，不需要像Modem那樣撥號連接，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才占用資源。GPRS以傳輸資料量計(jì)費(fèi)，這種計(jì)費(fèi)方式對消費(fèi)者來說更合理。CDMAIX原意是指CDMA2000的第一階段(速率高于15一95，低于ZMbps)，可支持308kbPs的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)部份引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務(wù)。是在現(xiàn)有cDMAIS一95系統(tǒng)上開展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著移動通信技術(shù)的不斷開展，采用GPRS/CDMAlx通信方式的移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了全國各地，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，這給行業(yè)應(yīng)用帶來了廣闊的市場前景。由于各行各業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)不盡相同，它們對信息化的需求也各有差異，這就要求移動通信運(yùn)營商提供的行業(yè)應(yīng)用解決方案不僅能夠滿足行業(yè)用戶一般化的信息通信需求，而且能夠充分滿足其個性化的特殊需求[9]。為此，近兩年來，中國移動和中國聯(lián)通兩大移動通信運(yùn)營企業(yè)以行業(yè)用戶的需求為導(dǎo)向，積極進(jìn)行移動行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)踐，致力于為行業(yè)用戶提供量身定做的解決方案。(6)ZigBeeZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和域網(wǎng)更簡單實(shí)用【’0]。zigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個局部:①數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10kbPs一250kbPs，專注于低傳輸應(yīng)用;②功耗低，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上;③本錢低，因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了本錢;④網(wǎng)絡(luò)容量大，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備，也就是說每個zigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接;有效范圍依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定;⑤工作頻段靈活使用的頻段分別為2.4GHZ、868MHZ(歐洲)及gl5MHZ(美國)，均為免執(zhí)照頻段;⑥采取了可靠的碰撞防止策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方確實(shí)認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā);⑦ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES一128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其平安屬性。zigBee是一種適用于自動化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無線通訊技術(shù)【川，具有低本錢、低耗電、雙向傳輸?shù)奶匦?，而且朝開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方向努力。另外，IEEE也將ZigBee收納為IEEE802.巧.4標(biāo)準(zhǔn)，與ZigBee聯(lián)盟共同推動此無線低速個人通訊標(biāo)準(zhǔn)(WPAN)。Zi少ee適用于一些簡單、低本錢的無線局域網(wǎng)絡(luò)，其低耗電特性，只要使用兩顆AA電池，即可維持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年間不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。IEEE802.巧.4在提出之初就強(qiáng)調(diào)簡單、廉價(jià)、低功耗:整個zigBee協(xié)議棧大小約為28kbytes，而藍(lán)牙的協(xié)議棧大小約為250kbytes，目前支持zigBee技術(shù)的芯片的價(jià)格可以控制在每片$3左右，大量生產(chǎn)后，其售價(jià)可望降低至$1左右;ZigBee非常強(qiáng)調(diào)低功耗，發(fā)送時最大功耗為30mw，占空比約為0.1，用兩節(jié)普通AA電池通?？晒ぷ靼肽甑絻赡?。盡管相對于802.11、藍(lán)牙等技術(shù)而言，它的數(shù)據(jù)率相當(dāng)?shù)?，但是對于家庭控制?yīng)用而言己經(jīng)足夠。所示:zigBee是一種適用于自動化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無線通訊技術(shù)【川，具有低本錢、低耗電、雙向傳輸?shù)奶匦?，而且朝開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方向努力。另外，IEEE也將ZigBee收納為IEEE802.巧.4標(biāo)準(zhǔn)，與ZigBee聯(lián)盟共同推動此無線低速個人通訊標(biāo)準(zhǔn)(WPAN)。Zi少ee適用于一些簡單、低本錢的無線局域網(wǎng)絡(luò)，其低耗電特性，只要使用兩顆AA電池，即可維持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年間不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。IEEE802.巧.4在提出之初就強(qiáng)調(diào)簡單、廉價(jià)、低功耗:整個zigBee協(xié)議棧大小約為28kbytes，而藍(lán)牙的協(xié)議棧大小約為250kbytes，目前支持zigBee技術(shù)的芯片的價(jià)格可以控制在每片$3左右，大量生產(chǎn)后，其售價(jià)可望降低至$1左右;ZigBee非常強(qiáng)調(diào)低功耗，發(fā)送時最大功耗為30mw，占空比約為0.1，用兩節(jié)普通AA電池通常可工作半年到兩年。盡管相對于802.11、藍(lán)牙等技術(shù)而言，它的數(shù)據(jù)率相當(dāng)?shù)?，但是對于家庭控制?yīng)用而言己經(jīng)足夠。所示:從表2.1可以看出目前幾種主流的短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用那么重點(diǎn)各不相同，有的應(yīng)用于工業(yè)控制，而有的應(yīng)用于生活娛樂。設(shè)計(jì)初衷不同，導(dǎo)致了它們的性能指標(biāo)各不相同。在本文中，需要使用近距離無線通信技術(shù)構(gòu)建一個無線采集網(wǎng)絡(luò)，不要求很高的數(shù)據(jù)傳輸率，但是對傳輸距離有一定要求，因此本文決定使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建區(qū)域采集網(wǎng)絡(luò)。至于遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，主要的手段就是CDMA/GPRS和數(shù)字電臺?？紤]到市區(qū)內(nèi)不能隨意使用無線電臺，加之效勞器距離采集系統(tǒng)比較遠(yuǎn)，本文首先放棄了數(shù)字電臺技術(shù)。CDMA和GPRS非常相似，CDMA傳輸帶寬稍大，加之該地區(qū)CDMA網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好，因此使用CDMA技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。為了更好的幫助讀者理解本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，下面本文詳述采集網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。無線采集網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建首先，本文需要簡述ZigBee技術(shù)的模塊功能和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。根據(jù)ZigBee協(xié)議，ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共有3種，它們是:(1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器:包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。(2)全功能設(shè)備(FFD):可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是精簡功能裝置(RFD)連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。它的特點(diǎn)是:附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.巧.4功能和所有特征;更多的存儲器、計(jì)算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)路由器作用;也能用作終端設(shè)備。(3)精簡功能設(shè)備(RFD):RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。它的基本特點(diǎn)有:附帶有限的功能來控制本錢和復(fù)雜性;在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備;zigBee相對簡單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了zigBee部件的本錢，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低本錢。通過使用上述3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，ZigBee技術(shù)支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluste:tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性匯’2]。不同網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是:(l)星型網(wǎng)支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)通信;中心節(jié)點(diǎn)為zigBee協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)為zigBee終端設(shè)備;所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn);適合圓形分散、距離較近的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。(2)網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)采用多跳式路由通信;網(wǎng)絡(luò)容量很大，可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu);該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。(3)簇狀網(wǎng)該網(wǎng)絡(luò)是以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心，連接前面介紹的兩種網(wǎng)絡(luò)，功能更強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。下列圖2.1表示了zigBee技術(shù)的3種組網(wǎng)方式。如圖2.1所示，zigBee技術(shù)的組網(wǎng)方式非常靈活，可以依據(jù)不同的應(yīng)用需求，構(gòu)建不同類型的網(wǎng)絡(luò)。考慮到本系統(tǒng)采集區(qū)域覆范圍不是很大，按傳感器功能劃分只需要構(gòu)建一個采集網(wǎng)絡(luò)，因此本文使用星型網(wǎng)作為區(qū)域采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中RFD連接控制傳感器的數(shù)據(jù)采集電路板，而FFD那么連接包含CDMA設(shè)備的區(qū)域采集控制系統(tǒng)。下面，本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)功能模塊的劃分。站北廣場水位監(jiān)測系統(tǒng)按照模塊功能，可以分成3個局部。分別是:數(shù)據(jù)處理效勞器、區(qū)域采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端。如圖2.2，是整個采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。下面詳細(xì)介紹每個功能模塊的設(shè)計(jì)思想:數(shù)據(jù)處理效勞器，就是一臺運(yùn)行了上位機(jī)采集軟件并且接入互聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)，可以放置在任何用戶需要的地方。它的主要功能是發(fā)送各種采集命令，控制另外兩種設(shè)備進(jìn)行工作以及接收采集回來的各種數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)按要求分析、顯示和存儲。區(qū)域采集控制系統(tǒng)是一個區(qū)域內(nèi)水位數(shù)據(jù)采集的核心節(jié)點(diǎn)【”】。它的硬件根本組成包括ARMgs3c2410處理器的核心板以及擴(kuò)展板，cDMA模塊以及zigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊。另外根據(jù)客戶的需求，還可以擴(kuò)展LCD顯示器觸摸屏和SD卡存儲器等設(shè)備。他主要負(fù)責(zé)維護(hù)使用ZigBee組成的區(qū)域采集網(wǎng)絡(luò)、接收轉(zhuǎn)發(fā)效勞器和采集終端之間的命令及數(shù)據(jù)，另外還可以對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。數(shù)據(jù)采集終端分為兩種，最常用的一種包括各種傳感器，數(shù)據(jù)采集電路板和ZigBee接入節(jié)點(diǎn)模塊。它的主要功能是接收區(qū)域采集控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的效勞器命令，完成采集過程，然后將采集到的數(shù)據(jù)或出錯信息以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式返回給效勞器。另外一種是物理位置相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集終端，它可以使用CDMA設(shè)備取代ZigBee設(shè)備，直接和效勞器通信【’4]。在本論文構(gòu)建這個無線水位監(jiān)測系統(tǒng)中，并沒有用到獨(dú)立數(shù)據(jù)采集終端，這是由于本次應(yīng)用的地理位置決定的。但是在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，預(yù)留了這方面的接口，為今后其他應(yīng)用工程或者本工程的擴(kuò)展，提供了良好的根底。下面本文從整體上闡述站北廣場無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和具體實(shí)現(xiàn)。根據(jù)用戶的實(shí)際需求，監(jiān)測人員應(yīng)該在效勞器端就可以遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測各點(diǎn)的水位變化情況。為了方便觀測人員，效勞器端軟件提供應(yīng)使用人員的功能包括:強(qiáng)制采集數(shù)據(jù)，定時采集數(shù)據(jù)，傳感器參數(shù)配置，當(dāng)前水位高度顯示和歷史水位高度顯示等。效勞器需要接入互聯(lián)網(wǎng)，以便與接入CDMA網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域采集控制系統(tǒng)通信。用戶首先應(yīng)該在效勞器上面配置所使用的參數(shù)，這些參數(shù)包括傳感器類型，傳感器的一些標(biāo)定系數(shù)和ZigBee模塊對應(yīng)的通信地址。參數(shù)設(shè)置好以后，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇強(qiáng)制采集或者是定時采集。這兩種采集方式所發(fā)送的命令格式是相同的，區(qū)別僅在于強(qiáng)制采集是手動采集數(shù)據(jù)，一次一采，而定時采集那么可以完全按照設(shè)定的時間間隔，自動采集數(shù)據(jù)。采集指令通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域采集控制系統(tǒng)接收到采集指令后，根據(jù)相應(yīng)的ZigBee模塊地址，將采集命令轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集終端。數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)上位機(jī)要求，執(zhí)行相應(yīng)的采集操作之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)格式后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至區(qū)域采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，然后通過CDMA網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到效勞器端。效勞器接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)配置的參數(shù)進(jìn)行處理，然后將有效數(shù)據(jù)顯示出來供用戶參考，同時將該數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便用戶日后調(diào)用觀察。本文設(shè)計(jì)的整個水位監(jiān)測系統(tǒng)的主要工作流程就如同上文介紹的樣子，這里描述的只是系統(tǒng)最根本的功能和具體實(shí)現(xiàn)過程，具體到每一局部的模塊實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，本文將在后面的章節(jié)中詳細(xì)討論。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)核心電路板是整個水位監(jiān)測系統(tǒng)的核心局部，它負(fù)責(zé)所有命令信息和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)傳輸以及局部數(shù)據(jù)的處理。從物理組成角度講，核心電路版主要包括:32位微處理器53C2410、SDRAM芯片HY57V561620BT一H，F(xiàn)lash芯片K9F1208，以及所需要的輔助部件，如晶體振蕩器，電源模塊等。下面詳細(xì)介紹這幾個局部的特性和設(shè)計(jì)思想。核心處理器局部設(shè)計(jì)處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，適當(dāng)?shù)倪x擇處理器，才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、高效的嵌入式平臺。處理器的選擇，是硬件設(shè)計(jì)的首要工作。ARM(AdvancedRISCmachines)，既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。ARM公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器，以及相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM處理器技術(shù)具有性能高、本錢低和功耗低的特點(diǎn)【’5]。適用于多種領(lǐng)域，t匕如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。(1)ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域:①工業(yè)控制領(lǐng)域:作為犯的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大局部市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。②無線通訊領(lǐng)域:目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低本錢，在該領(lǐng)域的地位日益穩(wěn)固。③網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用:隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。④消費(fèi)類電子產(chǎn)品:ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲掃七中得到J一‘泛采用。⑤成像和平安產(chǎn)品:現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大局部采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)【’“]。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。(2)采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn):①體積小、低功耗、低本錢、高性能;②支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件;③大量使用存放器，指令執(zhí)行速度更快;④大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在存放器中完成;⑤尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高;⑥指令長度固定;ARM微處理器目前包括下面幾個系列:ARM7系列、ARMg系列、ARMgE系列、ARMloE系列、seeureore系列、Inter的xseale、玩ter的strongARM。以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域【’7]。其中，ARM7、ARMg、ARMgE和ARM10為4個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為平安要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。從上面的介紹可以看出ARM系列處理器依據(jù)功能和價(jià)位可以劃分為不同的檔次，每一款處理器都是針對特定的應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的。綜合考慮客戶的需求，對平臺的熟悉程度以及工程的本錢控制，本文使用SAMSUNG2410(簡寫為53C2410)作為水位監(jiān)測系統(tǒng)的核心嵌入式處理器。(3)53C2410是三星公司針對工業(yè)級和民用級等多種應(yīng)用場合設(shè)計(jì)的一款性價(jià)比較高的16/32位RISC嵌入式微處理器，其內(nèi)部除了包含ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM92oTRlse處理內(nèi)核外，s3C2410還包括以下比較重要的功能模塊[’“]:內(nèi)帶有MMU(Memorymanageunit)內(nèi)存管理單元，故53e2410支持WindowseE、嵌入式Linux等多種嵌入式操作系統(tǒng);6KB的指令Caehe和16KB的數(shù)據(jù)Caehe;完全可編程控制的外部總線接口(Extemalbusinierfaee)，其存儲空間可分為8個128MBank，每個存儲區(qū)都支持8/16/32字寬進(jìn)行讀寫操作，最大地址訪問空間為IG;55個中斷源;3個異步串行口，其中一個可設(shè)置成紅外口;SPI串行口;可編程看門狗定時器;LCD控制器，支持STN和TFT兩種LCD顯示器;5個16位定時/計(jì)算器;8路10位的ADC，支持觸摸屏;2個USB主設(shè)備口，l個USB從設(shè)備;117位通用1/0口，24個外部中斷源。同時S3C24lO也提供了較好的電氣特性，具有工業(yè)級產(chǎn)品，四種工作模式:正常模式、低能模式、休眠模式和停止模式〔’”l。53c2410處理器采用272一FBGA封裝形式，共有272個引腳，按功能分類，可以分為總線控制信號、內(nèi)存Flash讀寫控制信號、顯示器控制信號以及通用1/0口等。其中一些引腳具有復(fù)用功能，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)核心板的時候并不需要把全部引腳都引出來，因?yàn)楹诵陌宀捎?層印刷線路板，制作本錢比較高。使用越多的處理器引腳就意味著核心板需要更大的面積，同時布線也更加的復(fù)雜和易出錯。本系統(tǒng)在核心板的制板過程中，在滿足當(dāng)前工程需要的前提下，預(yù)留了一些系統(tǒng)引腳資源，以方便今后的擴(kuò)展，同時又不會帶來本錢的大幅增加。SORAM存儲器接口電路設(shè)計(jì)任何處理器都需要將代碼數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中運(yùn)行，早期的8位單片機(jī)，所需內(nèi)存較少，處理器內(nèi)部往往都集成有SRAM。而在犯位處理器時代，處理器需要外接較大容量的內(nèi)存。目前RAM分為2類:SRAM和SDRAM。由于目前的微處理器上幾乎都集成SDRAM控制器，本系統(tǒng)采用SDRAM作為系統(tǒng)內(nèi)存。SDRAM(S”ehronousDRAM)即同步DRAM。它最大的特色就是可以與ePU的外部工作時鐘同步，和系統(tǒng)中的CPU、主板使用相同的工作時鐘，如果CPU的外部工作時鐘是100MHz，那么送至內(nèi)存上的頻率也是100MHZ。這樣將去掉時間上的延遲，可提高內(nèi)存存取的效率[20l。SDRAM的工作原理如下:SDRAM是以陣列單元來存儲數(shù)據(jù)的，因此在存取時必須提供一個行地址和一個列地址來確定所要訪問的數(shù)據(jù)的位置。第一步，地址總線上出現(xiàn)所要訪問數(shù)據(jù)的列地址，同時作為列地址信號標(biāo)志的RAS(RowaddressStrobe)信號有效，將列地址打入SDRAM，SDRAM將整列的數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備好，等待著被訪問;接著地址總線上出現(xiàn)所要訪問數(shù)據(jù)的行地址，并通過行地址信號的CAS(ColumnaddressStrobe)打入SDRAM，SDRAM從在這之前己選中的列中挑選出該行地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)輸出或輸入到數(shù)據(jù)總線。具體是輸出還是輸入操作是由WE信號決定的。本系統(tǒng)的硬件平臺考慮應(yīng)用的實(shí)際需求，采用的是兩片Hynix公司的HY57V561620內(nèi)存芯片，單片容量為4BankSx4Mx16Bit，采用2片構(gòu)成64M的SDRAM模塊，具體電路如圖3.1所示。Flash模塊電路設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)斷電的時候，需要使用非易失性存儲介質(zhì)保存操作系統(tǒng)鏡像，以便當(dāng)系統(tǒng)上電啟動的時候，可以將操作系統(tǒng)導(dǎo)入內(nèi)存，完成整個系統(tǒng)的上電運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，采用了一片三星公司的KgF一20564M火5BitNANDFlashmemo仃作為操作系統(tǒng)鏡像和BootLoader的保存介質(zhì)。下面首先簡單介紹一下Flashmemory。閃速存儲器(Flashmemory)是一類非易失性存儲器，即使在供電電源關(guān)閉后仍能保存片內(nèi)存儲信息;而諸如DRAM、SRAM等這類易失性存儲器，當(dāng)關(guān)閉供電電源后，片內(nèi)信息隨即喪失。Flashmemory有其它非易失性存儲器的共同特點(diǎn):與EPROM相比教，閃速存儲器具有明顯的優(yōu)勢;系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓;與EEPROM相比較，閃速存儲器具有本錢低、密度大的特點(diǎn)。其獨(dú)特的性能使其廣泛不。目前市面上應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域主要有兩種類型的閃速存儲器，NOR型和NAND型。這兩類閃存各有所長，NOR型隨機(jī)讀取的速度比較快，擦除和寫入速度比較慢。因此適合用于程序的讀取。一般NOR閃存的接口和EPROM相同，都有單獨(dú)的地址、數(shù)據(jù)和控制線，便于直接讀取;可以和微處理器連接，直接執(zhí)行程序代碼。而NAND結(jié)構(gòu)的閃存，相對來說讀取速度較慢，而擦除和寫入速度那么比較快[2’]。因此NAND閃存往往用來傳送整“頁”的數(shù)據(jù)，即將存儲陣列中的數(shù)據(jù)直接傳至微處理器內(nèi)部的容量達(dá)528字節(jié)的存放器。閃存直接和8位數(shù)據(jù)總線連接，一次傳一個字節(jié)。這樣如果一次讀出一個扇面，總的讀取時間和NOR閃存相差不多。NAND閃存的集成度比較高，主要設(shè)計(jì)用作固態(tài)文件存儲，沒有專門的地址線和數(shù)據(jù)線，只有控制線和8位1/0端口。和硬盤驅(qū)動器的DE接口相似，當(dāng)NAND閃存更新?lián)Q代成倍增加容量時，對外物理連接可以保持不變。由于集成度高，寫入和擦除速度快，NAND閃存適合用作大容量存儲器f22)。輔助電路設(shè)計(jì)除了上面詳細(xì)介紹的一些核心芯片，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心板上還有一些輔助電路，它們雖然不是系統(tǒng)運(yùn)行的核心部件，但是也是系統(tǒng)正常運(yùn)行不可或缺的組成局部。其中包括處理器使用的主時鐘晶振、輔助時鐘晶振電路;減少外界干擾的濾波電容;增強(qiáng)芯片帶載能力上拉電阻;顯示處理機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的LED等等。它們一起構(gòu)成了ARM核心板的最小硬件系統(tǒng)板[23]?？紤]到系統(tǒng)性能，核心板工作在203MHz的高速信號下，為了布線方便，減少干擾，采用了六層電路板分層布線的設(shè)計(jì)，頂層布件，第二層為接地面，第四層為電源面，其他各層為信號層。本次應(yīng)用所設(shè)計(jì)的核心板比較小巧，通過標(biāo)準(zhǔn)144芯SIMM插座與擴(kuò)展板板連接，具有較好的通用性，可以作為不同應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)的根底和平臺。系統(tǒng)擴(kuò)展電路板并不是一個獨(dú)立的功能模塊，它沒有計(jì)算能力，它的主要功能是為核心板供電以及擴(kuò)展出核心板需要的各種外設(shè)接口[24l。用戶使用的核心板的各種功能，都是通過擴(kuò)展板上的外圍電路最終實(shí)現(xiàn)的。既然核心板和擴(kuò)展板是配合使用的，那么為什么要將他們分開呢?這里主要考慮的是系統(tǒng)的本錢以及未來的平臺移植擴(kuò)展能力。因?yàn)锳RM系列處理器功能強(qiáng)大，引腳眾多，所以核心板必須至少使用6層印刷線路板才一能布線成功。而擴(kuò)展板主要是一些外圍接口電路，只需要使用2層印刷線路板就可以布線成功[25]。而多層板的單位面積本錢是大大高于2層板的，所以本系統(tǒng)把核心板和擴(kuò)展板分開設(shè)計(jì)。另外核心板上的引腳資源是非常豐富的，通常在一個應(yīng)用中一般不會使用全部的功能。分層的設(shè)計(jì)方式可以讓開發(fā)者根據(jù)不同的應(yīng)用，靈活的設(shè)計(jì)擴(kuò)展板的資源。這樣可以最大的降低用戶本錢和系統(tǒng)功耗。下面，就大連站北廣場地下水位監(jiān)測這一工程，本文對擴(kuò)展板進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。LCO顯示器以及觸摸屏接口設(shè)計(jì)擴(kuò)展板的顯示器以及觸摸屏的設(shè)計(jì)主要是考慮在程序調(diào)適過程中可以方便的觀察程序運(yùn)行狀態(tài)以及將來根據(jù)用戶的需求，對區(qū)域采集系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)充。比方說如果將來用戶要求在區(qū)域采集系統(tǒng)中顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，有了顯示器和觸摸屏就會非常方便。s3e24一。內(nèi)部自帶LeD控制器，支持多種類型的彩色Leo，如s翎、TFT等[26]。本系統(tǒng)考慮到實(shí)際的顯示效果和本錢，選用了SHARP的8英寸800x600的TFTLCD。因?yàn)?3C2410自帶LCD控制器，所以擴(kuò)展起來很方便，LCD接口電路如圖3.3所示。串行接口設(shè)計(jì)RSZ犯是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種全雙工串行接口。RS232被定義為一種低速率串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。其可靠傳輸距離大為約IOm，最高速率為20kbps。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。RS232接口是目前工業(yè)上最常用的一種串行通訊接口。工業(yè)控制的RSZ犯口一般只使用RXD、TXD、CND三條線。RS232接口的物理結(jié)構(gòu)。RS232接口連接器一般使用型號為DB一9插頭座，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。PC機(jī)的RSZ犯口為9芯針插座。一些設(shè)備與PC機(jī)連接的RS232接口，因?yàn)椴皇褂脤Ψ降膫魉涂刂菩盘?，只需要三條接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)TXD”、“接收數(shù)據(jù)RXD”和“信號地GND”。本次開發(fā)的系統(tǒng)需要使用RSZ犯串口作為CDMA和zigBee設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。系統(tǒng)核心板中S3C24lO具有3個標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，為了盡可能的擴(kuò)展對外接口，根據(jù)MAX3232芯片的功能，即每塊MAX3232可以擴(kuò)展2個獨(dú)立的RS232串口，故本系統(tǒng)通過2塊MAX3232芯片擴(kuò)展了3個RS232串口，其中一個作為與CDMA的接口，另SD卡就是SeeureDigitalCard，平安數(shù)碼卡。由松下公司，東芝公司和美國sANDIsK公司共同開發(fā)研制的，具有大容量、高性能、平安等多種特點(diǎn)的多功能存儲卡。它比MMC卡多了一個進(jìn)行數(shù)據(jù)著作權(quán)保護(hù)的暗號認(rèn)證功能(SDMI規(guī)格)。主要用于松下數(shù)碼攝像機(jī)、照相機(jī)，佳能和夏普攝像機(jī)、柯達(dá)、美能達(dá)、卡西歐數(shù)碼相機(jī)等廠家使用。尺寸為犯mm又24mmx2.lmm，比MMC卡略厚一點(diǎn)容量那么要大許多，已經(jīng)生產(chǎn)出ZG的容量[27]。此卡的讀寫速度比MMe卡要快4倍，達(dá)ZMB/秒。同時兼容MMe卡，sD卡的插口大多支持MMC卡。SD卡最大的特點(diǎn)就是通過加密功能，可以保證數(shù)據(jù)資料的平安保密。它還具備版權(quán)保護(hù)技術(shù)，所采用的版權(quán)保護(hù)技術(shù)是DvD中使用的CPRM技術(shù)(可刻錄介質(zhì)內(nèi)容保護(hù))。由于S3C24lO芯片內(nèi)部集成了SD驅(qū)動電路，可方便地對SD卡進(jìn)行擴(kuò)展，以擴(kuò)展系統(tǒng)的非易失存儲空間。SD總線信號定義如下:(1)CLK:時鐘信號。(2)CMD:命令/響應(yīng)信號。(3)DATO一DAT3:雙向數(shù)據(jù)傳輸信號。(4)VDD，VSSI，VSSZ:電源和地信號。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)SD卡接口的初衷是增加區(qū)域采集控制系統(tǒng)的本地存儲能力，這樣可以根據(jù)需要將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行本地備份，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展能力。如圖3.5，是SD卡接口原理圖。以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口的最主要功能是通過該接口下載操作系統(tǒng)鏡像。另外本文雖然主要使用無線通信技術(shù)構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)，但是并不僅僅局限于使用無線通信技術(shù)。有線傳輸也有它的優(yōu)點(diǎn)，比方說傳輸更可靠，通信費(fèi)用更低等?？紤]到ARM處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，本系統(tǒng)在擴(kuò)展版上擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口。這樣一來，相當(dāng)于給區(qū)域采集控制系統(tǒng)增加了一塊網(wǎng)卡，當(dāng)用戶需要的時候可以使用局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。本文以CS89OOA芯片作為核心，通過芯片引腳和地址總線以及數(shù)據(jù)總線的連接，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接口擴(kuò)展模塊。cs890oA是cimisLogic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器，功能強(qiáng)大。該芯片的突出特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部存放器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。如圖3.6，是本系統(tǒng)以太網(wǎng)接口原理圖。數(shù)據(jù)采集電路板作為數(shù)據(jù)采集終端的重要組成局部，主要功能在于接收效勞器指令，測試通信狀態(tài)或者采集傳感器數(shù)據(jù)，然后對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再將有效數(shù)據(jù)發(fā)送至區(qū)域采集控制系統(tǒng)。下面，本文詳細(xì)介紹整個數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)思想。處理器局部設(shè)計(jì)在本文設(shè)計(jì)的水位監(jiān)測系統(tǒng)中，除了要用到高端的犯位微處理器構(gòu)建系統(tǒng)核心結(jié)點(diǎn)之外，系統(tǒng)還需要設(shè)計(jì)大量的數(shù)據(jù)采集電路板。這些采集節(jié)點(diǎn)對處理器性能要求不高，但是對于可靠性、系統(tǒng)本錢和功耗有較大的要求。因此，本文采用了TI公司的16位微處理器MSP43O149作為通信節(jié)點(diǎn)的核心。下面本文簡單介紹一下MSP43O系列微處理器的特點(diǎn)，從中也可以看出數(shù)據(jù)采集電路板的一些性能指標(biāo)。在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在SMHz晶體的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)125us的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實(shí)現(xiàn)乘加)相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法(如FFT等)[281。MsP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只需6us。其主要特性如下:(l)超低功耗:MSP430系列單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP43O系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8一3.6V電壓。因而可使其在IMHZ的時鐘條件下運(yùn)行時，芯片的電流會在0.1一400uA之間。其次，獨(dú)特的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在MSP43O系列中有兩種不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng):根本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器(32768Hz)，有的使用兩個晶體振蕩器(一個為32768Hz，另一個為高頻振蕩器)。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，翻開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時翻開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPMO一LPM4)。在等待方式下，耗電為O.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)O.luA。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)拇娣牌鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛，可一用看門狗將其復(fù)位。(2)豐富的片上外圍模塊:MSP43O系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗(WDT)、模擬比較器A、定時器A(TimerA)、定時器B(TimerB)、串口0、l(USARTO、USRATI)、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、14位Aoe(Aoel4)、12位nAe、IZe總線、直接數(shù)據(jù)存取(nMA)、端口。(Po)、端口1一6(Pl一P6)、根本定時器(BasicTimer)等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位;模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時器，可以設(shè)計(jì)為刀D轉(zhuǎn)換器;16位定時器(TimerA和TimerB)具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較存放器，可用于事件計(jì)數(shù)、時序發(fā)生、PWM等;有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用;具有較多的并行端口，最多達(dá)6XS條FO口線;Pl、PZ端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入;12/14位硬件刀D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)ZookbPs，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用;能直接驅(qū)動液晶多達(dá)160段;實(shí)現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換;硬件IZc串行總線接口，實(shí)現(xiàn)存儲器串行擴(kuò)展;以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸(DMA)模塊。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。(3)方便高效的開發(fā)環(huán)境:目前MSP430系列單片機(jī)有OTP型、Flash型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片;對于Flash型那么有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的Flash存儲器，因此采用先下載程序到Flash內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺PC機(jī)和一個JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和c語言[z9]。(4)適應(yīng)工業(yè)級運(yùn)行環(huán)境:MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運(yùn)行環(huán)境溫度為一40℃一+85℃，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境下。采集系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)(l)壓阻式水位計(jì)20世紀(jì)70年代，一種新型壓力傳感器迅速開展，該傳感器是直接將壓力傳感器嚴(yán)格密封后置于水下測點(diǎn)，將其靜水壓力轉(zhuǎn)換成電信號，用防水電纜傳至岸上，再用專用儀表將電信號轉(zhuǎn)換成水位值，這種水位計(jì)被稱為“水下直接感壓式壓力水位計(jì)”又稱為“壓阻式壓力水位計(jì)”。壓阻式壓力水位計(jì)簡稱壓力式水位計(jì)，是將擴(kuò)散硅集成壓阻式半導(dǎo)體壓力傳感器或壓力變換器直接投入水下測點(diǎn)感應(yīng)靜水壓力的水位測量裝置。能用在江河、湖泊、水庫及其它密度比較穩(wěn)定的天然水體中，無需建造水位測井，實(shí)現(xiàn)水位測量和存貯記錄。壓阻式壓力水位計(jì)是以壓力變換器作為傳感器，無需恒流單元，只需增加一只低溫漂移高精度的取樣電阻，其它組成單元那么完全相同。計(jì)算公式如3.1所示:月任(V-VO)XG+Eo(3.1)其中H代表水位高度，V表示測量電壓，V0表示標(biāo)定電壓初值，G表示率定系數(shù)，E0表示調(diào)整參數(shù)。通過使用計(jì)算公式和事先標(biāo)定好的傳感器參數(shù)，可以方便的把電壓信號換算成水位高度值。(2)超聲波液位儀超聲波液位儀是一種把聲學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合的水位測量儀器。按照聲波傳播介質(zhì)的區(qū)別可分為液介式和氣介式兩大類。聲波是機(jī)械波，其頻率在20一20000Hz范圍內(nèi)?？梢砸鹑祟惵犛X的為可聞聲波;更低頻率的聲波叫做次聲波;更高頻率的聲波叫做超聲波。超聲波液位儀通過超聲換能器，將具有一定頻率、功能和寬度的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成同頻率的聲脈沖波，定向朝水面發(fā)射;此聲波束到達(dá)水面后被反射回來，其中局部超聲能量被換能器接收又將其轉(zhuǎn)換成微弱的電信號。這組發(fā)射與接收脈沖經(jīng)專門電路放大處理后，可形成一組與聲波傳播時間直接關(guān)聯(lián)的發(fā)、收信號，根據(jù)需要，經(jīng)后續(xù)處理可轉(zhuǎn)換成水位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示或存貯。換能器安裝在水中的稱之為液介式超聲波液位儀，而換能器安裝在空氣中的稱之為氣介式超聲水位計(jì)，后者為非接觸式測量。通過分析比較，本文選擇了重慶易兆公司生產(chǎn)的超聲波液位儀，它是一種非接觸式測量儀器。它的標(biāo)稱測量誤差<1%，具有LED發(fā)光數(shù)碼管顯示屏和RS485總線擴(kuò)展接口，使用22OV供電。采集電路板設(shè)計(jì)通過上文的任務(wù)分析，本文確定了數(shù)據(jù)采集終端使用的處理器類型和傳感器類型，再考慮到之前介紹的無線通信模塊，故在數(shù)據(jù)采集電路板上設(shè)計(jì)了如下外圍電路:(1)AD采集由于本文采用的壓阻式水位計(jì)輸出信號為1一SV模擬量，所以本系統(tǒng)需要通過設(shè)計(jì)AD采集電路來讀取壓阻式水位計(jì)的輸出信號。MSP430149處理器內(nèi)置8路12位AD采集單元，這就大大降低了采集電路板AD局部的設(shè)計(jì)難度和制作本錢。由于水位傳感器的電壓測量不需要很高的精度同時也不需要很快的采集速度，因此本系統(tǒng)就使用149芯片內(nèi)置的AD采集單元。但是考慮到MSP430處理器工作電壓為3.3V，而本系統(tǒng)使用的傳感器的最大輸出信號為SV，所以該電路板對每路AD輸入信號使用2個10K電阻進(jìn)行分壓處理，同時使用2.5V穩(wěn)壓二極管作為AD采集電壓參考源。這樣一來，本文在充分利用己有芯片資源的前提下，以最低本錢設(shè)計(jì)了AD采集局部電路。(2)RS232/485接口串行通信在本系統(tǒng)中得到