智能型液体漏检测仪设计-毕业设计论文.doc

苏州科技学院本科生学位论文 智能型液体漏检测仪设计摘 要：在半导体、石油、化工、药物工业中所处理的液体大部分是带有污染性而且有毒的,因而安全的生产、存储、运输是个大问题。同时随着智能建筑的发展，人们对环境和建筑的安全性要求越来越高，已从基本的防盗、防火等基本需求，过渡到对环境等诸多方面因素的关注，其中管道的液体泄漏问题成为了人们日益关注的一个重要安全因素。管道内的液体泄漏，给环境、建筑等带来安全隐患。这些场所如果发生任何一次泄漏而不能及时地被发现和排除，不仅会导致相关设备的损坏，而且还会引发数据丢失或重要资料被破坏，造成巨大损失。因此，实时地进行管道泄漏检测是非常必要的。本项目主要是就该智能型的液体泄漏检测装置的数据通道进行研究。此处的液体泄漏位置检测方法主要是基于嵌入式的无线信号采集，并通过无线的方式将前端的信号传输到网关，进而传输到以太网。该系统能够实时的采集液体泄漏现场的信号，并及时的传输到以太网中，具有一定的实用价值。关键词：液体泄漏；嵌入式；无线；以太网The design of forward data channel in liquid leakage checking systemAbstract: In the field of semiconductor、oil、chemical combination and medication, most liquid has been polluted and poisonous. So the most problem is how to produce、storage and transport these production. With the development of intelligent architecture, people are more and more concerning the security of circumstance and their architecture. Now besides the basic guard against theft and fireproofing, the security of circumstance is an important factor especially the problem of liquid leakage in their lives. The leakage of liquid has been bringing the trouble in the environment and architecture. Without discovering and eliminating the leakiness of these place in time, which may result in great loss, such as the damage to equipment 、the loss of important data and so on. Therefore, it is most important to check the pipeline to prevent the leakage.We mainly talked about the forward data channel of the automatic checking system. Here is based on the change of cable resistance to estimate where had taken leakage. In normal state, the value of resistance is very great. When the leakage had taken, the value of resistance will change. So the voltage of output will change. According to the law of Ohm, the resistance is relevant to the length of the cable. To calculate the voltage, we may know where leaked. But this voltage is very low, so we should enlarge it and then send to A/D. By the disposal of MCU, which may alert us and tell us where leaked.Key word: Liquid leak；Enlarge circuit；Telepathy cable目录摘 要1第一章 绪论31.1 引言41.2 液体泄漏检测的背景和现状51.3 本项目的研究思路和方法6第二章 液体泄漏检测系统原理及需求分析82.1 系统设计原理82.2 系统可行性分析102.3 系统性能描述122.4 142.5 15本章小结17第三章 泄漏检测的系统的总体设计183.1 课题基本任务及要求183.2 系统模块方案设计193.3 系统方案分析203.4 系统方案比较23本章小结26第四章 系统方案的硬件设计274.1 数据采集及发送原理图274.2 数据接收及处理原理图274.3 硬件电路芯片介绍284.4 方案模型及问题分析314.5334.633第五章 液体泄漏检测系统的软件设计275.1 软件构成275.2 发射主程序设计275.3 中断子程序设计285.4 接收主程序设计315.5 报警处理及显示子程序设计33第六章 实验样机调试及实验具体操作366.1 调试软硬件环境的建立366.2 实验具体操作过程37结束语38致谢39参考文献40附录A 英文资料41附录B中文资料56第一章 绪 论1 .1 引 言随着智能建筑的发展，人们对环境和建筑的安全性要求越来越高，已从基本的防盗、防火等需求，过渡到对环境等诸多方面因素的关注，其中管道的液体泄漏问题成为了人们日益关注的重要安全因素。在网络机房、信息中心、图书馆、档案馆等对安全性要求较高的场所，管道液体泄漏是影响环境安全的重要问题之一。这些场所的环境设备众多（如空调设备、消防设备等），其所用的供暖制冷管道、日常生活用水管道、消防用水管道等大多分布于房间顶部或地板下面的隐蔽处。由于管道老化、腐蚀、磨损等原因，往往会造成管道内的液体泄漏，给环境、建筑等带来安全隐患。在这些场所如果发生任何一次泄漏而不能及时地被发现和排除，不仅会导致相关设备的损坏，而且还会引发数据丢失或重要资料被破坏，造成巨大损失。据专家对电力行业的评估认为：防止一次泄漏事故或减少一天非计划停运，所挽回的损失就足够补偿监测系统的所有投资。因此，实时地进行管道泄漏检测是非常必要的。1.2 液体泄漏检测的背景和现状1、液体泄漏检测的背景1984年美国建成世界上第一座智能建筑，它采用计算机技术对楼内的空调、供水、防火、防盗及其供配电系统等进行自动化综合管理，并为大楼的用户提供语音、文字、数据等信息服务。世界各国纷纷效仿这一做法，因此智能建筑迅速在世界各地纷纷展开。它是现代建筑技术、通信技术、计算机技术、控制技术等相互结合、互相渗透的产物，集中体现了信息社会中的信息特征，是信息产业特别是微电子超大规模集成电路及网络技术迅速发展推动的结果，它给居住在大楼里的人们创造出一个安全、舒适、快速、便捷、节能等极具增值的服务空间。智能建筑系统构筑中主要包括：通信网络系统、信息网络系统、建筑设备自动化系统、建筑系统、环境系统等等。建筑设备自动化系统这一环节被人们越来越重视，因为它直接决定了建筑物内的舒适安全的生活、办公、娱乐环境，同时满足对高效节能的要求。这些正是用户入住首先必须考虑到的因素。这一系统从功能上分为物业管理、节能控制、安全防范等，往往人们设计的最初的出发点就是为安全着想的。安全防范主要包括消防报警系统、防盗保安系统、出入管理系统等。但是我们发现人们在考虑消防报警系统时，往往重心放在了火灾自动报警与消防联动控制方案的研究上，而将“火”的死对头“水”存在的隐患没有足够的重视。我们谈到的“水灾”有别与通常意义上的“水灾”，这里主要指的是一些供暖和制冷设备的输水管道、日常用水管道、消防用水管道等分布在地板之下或地板夹层中的管道漏水从而引发其他一些灾难，智能建筑内处处分布着重要的电子设备和环境设备，如UPS电源、空调机、消防设备以及各类线缆，一旦发生液体泄漏而又没有及时发现，小到地板受潮发霉, 大到由于水导电可能会损坏正在使用的电子设备或环境设备，严重的还会造成电路或电线短路从而引起火灾，造成不可挽回的损失。因此为了保证建筑环境的安全以及各种设备的安全运行，对液体泄漏实施监控是十分必要的。2、液体泄漏检测的现状液体泄漏检测是机房工程或建筑智能化工程中，需要实现的一种基本功能。但目前在工程中的使用方式仅局限于检测液体有没有发生泄露，很少涉及对泄漏位置的定位。在我国过去人们传统的检测液体泄漏的方法大多是被动人工查漏方法，即让工人在楼道和房间里检查，但用这种落后的方法检测液体泄漏的话，往往此时管道漏水规模已经由渗漏转变为泄漏，这种方法虽然简单,投资少,但总是要造成大量泄漏后才能发现漏水,造成的经济损失往往很大并且需要花费大量的人力和时间才能修复。而且这种液体泄漏检测的方法和其他的泄漏检测的方法往往只能检测到有泄漏的发生，而不能检测到泄漏发生的具体位置，而一些先进的智能型的液体位置泄漏检测设备因为成本费用较高，因而一般只在航空航天领域等高科技领域里使用，在我们日常的生活中则很少使用，因此完全有必要研制开发一种经济实惠的液体泄漏定位检测的设备。 1.3 本项目的研究思路和方法如果想要能够快速准确地确定液体泄漏的位置，就需要研制一种智能型的测量装置。本项目主要是就该智能型的液体泄漏检测装置的数据传输系统进行研究。此处的液体泄漏位置检测方法主要是将前端模拟信号送比较器与基准电压进行比较，产生一报警信号转换后送往控制器，经微处理器处理后通过无线传输到网关节点，网关节点接收信号并判断出是哪一个前端节点产生的信号然后将节点编号发送到以太网，最终在PC机上显示液体泄漏精确位置同时报警。第二章 液体泄漏检测系统原理及需求分析这一章主要是介绍液体泄漏检测系统的原理的和及系统可行性设计。为本论文后面章节的硬件设计提供理论依据。本系统是一个测量液体泄漏的系统，由于在具体的应用中泄露是一个很缓慢的过程，因此本系统对数据的实时性并没有太大的要求，但是对数据的准确性要求很高，因为数据一旦出错，产生的后果将是不可估量的。2.1 系统设计原理该系统作为数据远程监测系统，其基本的功能无外乎数据采集和数据传输。所以该系统要求能准确地采集数据并及时的发送到网关节点的数据，网关节点再将数据发送到以太网最终显示再PC的屏幕上。其中数据传输要准确，本系统利用TCP/IP协议来通信，所以正确封装、解析TCP报文是其他功能的必要条件。其次在数据传输方面也要准确无误，要尽可能的保证数据的准确性。因此该系统设计的主要工作是如何搭建一个可靠的通道来完成数据的准确传输，并在终端机上显示和报警。基本模块有：(1) 通过TCP/IP来实现与网关接口的通信接收网关发过来的TCP报文，并确定其最终来源，即准确解析出数据，发送命令到网关，在发送之前将TCP报文封装准确，并且发送后给成功的反馈信息。以确保发送成功与否的透明性。(2) 数据采集与传输前端节点采集信号并判断信号是否正常，如不正常就通过无线发送自己节点的编号到网关，网关无线接收节点编号并将其通过TCP/IP协议，传输到以太网。(3) 其他功能模块包括工作节点的报警声音，网关接收到数据的LED显示，无线连接正常显示等等。2.2系统可行性分析(1) 技术可行性分析：现行的网络技术和计算机通讯技术能满足远程数据采集和实时监测等功能要求。首先嵌入式系统已经在广泛应用在各个领域中，技术方面本身已经很成熟了。无线网络通信技术在很多项目中的成功应用等，这些都可以保证检测系统能够很好地实现。所以从技术上来说，设计液体泄漏检测仪完全可行。(2) 经济可行性分析：该系统使用的语言是开源的C语言，没有版权费用限制，开发系统采用开源的Linux和Microchip的免费开发环境，所以作为整个系统的一部分来说，并没有增加其额外的费用。而且开发好的话还可以移植到别的项目上面，可以节省开销。所以从经济上来说也是可行的。(3) 组织管理可行性分析；组织管理上来说，本系统在实现上面是一个独立的模块，没有太多的上游或下游的制约，只要留出一个外部接口来跟网关那块来通信就够了。所以组织管理上面也没问题。综上所述，该数据采集监测系统具备可开发的条件，项目可行。2.3 系统性能描述在实施后应能达到以下目标：l 正确采集数据及智能发送。l 节点管理方便l 上位机正确接收数据l 计算机实时显示l 工作分正常报警。以上就是作为液体泄漏远程监测系统的各种需求的分析，虽然系统功能上来讲并不复杂，但如何才能在实现这些功能的情况下将系统做的完整，各方面都能够很好地耦合起来，这就要求设计要做足工作。好的设计是成功的一半。第三章 泄漏检测系统方案设计3.1课题基本任务及要求1. 任务：(1)了解前向数据通道的设计和实现的几种方法，对多种实现方案进行比较，指出各自的优缺点，确定一种最有效的实现方案。设计出液体泄露现场信号采集及信号传输方案。(2)按照已确定的方案，设计检测前端的现场节点并通过无线通信方式将数据传输至控制中心节点（或网关），画出电路原理图。(3)对所设计的电路板进行焊接并基于嵌入式平台进行调试。2.要求：(1)现场节点能够及时准确的采集到现场信号，并通过分析是否产生液体泄漏，若产生则立即通过无线的方式将报警信号传至网关节点；(2)网关节点能够及时的接收到各个节点发来的报警信号，并能够识别出具体是哪一个节点的信号。(3)焊接好硬件平台，并调试好软件，使现场节点和网关节点能够正常有效的通信。3.2系统模块及总体方案设计1、系统设计模块图下位机的模块数据采集单片机智能处理数据发送上位机的模块数据接收嵌入式智能处理发送网卡计算机终端显示报警处理2、方案设计介绍方案一：发送端：NRF2401+PIC12F675组成前端节点，负责现场信号的采集和无线发送。用PIC的内置AD模块对前端信号进行采集，用NRF2401将报警信号传至网关节点；接收处理端：NRF2401+S3C44B0+RTL8019+uClinux组成网关节点，负责无线接收报警信号，并将报警信号传输至PC端。用NRF2401接收前端节点的报警信号，用RTL8019将报警信号发送至 PC端。方案二：采用ZigBee协议，选用MG2455（内置RF、AD）单片机组成无线传感网络；以接力的形式将各节点的报警信号至协调器，协调器以有线的形式将信号传输至（ARM7+RTL8019）网关节点，而后网关节点将信号传至PC端。方案三：NRF2401+PIC16F506组成前端节点，负责现场信号的采集和无线发送。用PIC的内置模拟电压比较器模块对前端信号进行采集，用NRF2401将报警信号传至网关节点；NRF2401+LPC2103+RTL8019+TCP/IP 组成网关节点，负责无线接收报警信号，并将报警信号传输至PC端。用NRF2401接收前端节点的报警信号，用RTL8019将报警信号发送至 PC端。3.3系统方案分析与比较3.3.1 三种设计方案的分析本次设计结合了具体的要求提出了三套设计方案，分析如下：3.3.2 方案一分析方案一中采用兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。选用了当今主流的内嵌射频模块的CC2430单片机，网关采用了ARM7+RTL8019的架构。与网关的通信采用UART标准。3.3.2.1 ZigBee特点介绍ZigBee主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂 (bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。一、Zigbee无线数据传输网络描述： 简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。二、Zigbee采用的自组织网通信方式ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降 zigbee自组织网通信方式后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。三、ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。四、为什么自组织网要采用动态路由的方式？所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。五、ZigBee技术的特点包括以下几方面：低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较, 蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。高容量。ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。高安全。ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。3.3.3.2 CC2430简单介绍本方案中选用TI公司的CC2430单片机组成无线传感网络，CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。 CC2430的尺寸只有77mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的0.18µm CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器 整合在同一个硅晶片上。 MCU和存储器子系统 针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能。CC2430包含一个DMA控制器。8k字节静态RAM，其中的4k字节是超低功耗SRAM。32k，64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。 CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。 CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。 CC2430包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。CC2430内集成的其他外设有: 实时时钟；上电复位；8通道，814位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。 为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4 MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括： * 自动前导帧发生器 * 同步字插入/检测 * CRC-16校验 * CCA * 信号强度检测/数字RSSI * 连接品质指示(LQI) * CSMA/CA 协处理器 射频及模拟收发器 CC2430的接收器是基于低-中频结构之上的，从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2MHz的中频信号。中频信号经滤波、放大，在通过A/D转换器变为数字信号。自动增益控制，信道过滤，解调在数字域完成以获得高精确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在2.4GHz ISM波段的不同系统良好的共存。 在发射模式下，位映射和调制是根据IEEE 802.15.4的规范来完成的。调制(和扩频)通过数字方式完成。被调制的基带信号经过D/A转换器再由单边带调制器进行低通滤波和直接上变频变为射频信号。最终，高频信号经过片内功率放大器放大以达到可设计的水平。 射频的输入输出端口是独立的，他们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部TX/RX开关，其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的，一个平衡式天线，如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。图4展示了CC2430的典型应用电路。集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要。晶片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围，另搭配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。1. CC2430 芯片的主要特点：CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power OnReset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。CC2430 芯片采用0.18 m CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430 芯片的主要特点如下： 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅0.9 A 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 A 的流耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持CSMA/CA 功能。 较宽的电压范围（2.03.6 V）。 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。 具有电池监测和温度感测功能。 集成了14 位模数转换的ADC。 集成 AES 安全协处理器。 带有 2 个强大的支持几组协议的USART，以及1 个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC计时器，1 个常规的16 位计时器和2 个8 位计时器。 强大和灵活的开发工具。3.3.3 方案二特性分析方案二采用了独立的射频芯片nRF2401，8引脚的内置ADC、晶振的单片机PIC12F675，网关采用了S3C44B0+RTL8019架构。3.3.4 方案三特性分析方案三是对方案二的改进，重点对网关节点进行了重新设计，由于S3C44B0是外扩的存储器，所以在成本上并不占优势，故采用了具有内置存储器的LPC2103作为网关部分的主芯片，网卡还是采用了RTL8019，接收部分还是nRF2401，故设计思路的改变并不大。下面对LPC2103作简单的介绍：3.3.4方案性能比较：由于方案一具有开发简单，低功耗，便于硬件维护（各前端节点功耗相同，便于一起跟换电池），所以本次设计以此方案为主；方案二具有组网灵活，便于软件维护，适用于具有大量前端节点的网络，但是开发比较繁琐，而且网络上资料也比较少，所以此方案作为本次设计的拓展部分。方案三是对方案一的改进，在保持原先优点的情况下，具有更高的性价比和更低的功耗，所以本次设计以此方案对方案一进行优化。第四章 系统方案的硬件设计确定方案以后，开始硬件电路的设计，首先在PEOTELL软件进行了原理图及PCB的设计，并利用软件进行仿真，并对所选用的芯片进行介绍4.1 数据采集及发送原理图上图中JP28为pic16f675，J281与无线模组的J1对连，下图为无线模组的电路图4.2 数据接收及处理原理图接收部分分为底板、核心板、无线接收、网卡发送四个部分。上图底板为电源部分、复位部分、晶振部分、和DBSEL部分的电路图。上图为底板与无线、核心板、网卡三部分的接口电路。JP1、JP2接核心板J1、J2；JJ0接无线部分J1；JJ1接网卡部分J1。上图为无线部分电路。4.3 硬件电路芯片介绍1、nRF2401简介nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。芯片结构nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有55mm。nRF2401的功能模块如图1所示。工作模式nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，详见表2。收发模式nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。ShockBurstTM收发模式ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。2、PIC12F675简介特性如下：1. 8引脚，内置闪存8位CMOS单片机，6个I/O口2. 内置高精度4MHZ振荡器3. 宽工作电压范围，2.05.5V4. 采用哈佛总线结构，指令执行效率高5. 带有一个模拟电压比较器3、S3C44B0简介特性如下：1. 2.5V ARM7TDMI 内核，带有8K高速缓冲器2内部SRAM，LCD控制器3. 丰富的外设，如2通道UART，4通道DMA，8通道10位ADC等等4. 具有PLL的片上时钟发生器5. 30个中断源，71个多功能输入输出口4、RTL8019简介RTL8019AS 是高度集成以太网控制器，它能够简单的解答即插即用 NE2000兼容适配器，这种适配器具有二重和功率下降特性。通过三电平控制特性，RTL8019AS是已制的对网络设备 GREEN PC 理想的选择。全二重功能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅强带宽从 10 到20MBPS，而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适配器资源，如IRQ,输入输出，和存储器地址等等。然而，为了特殊的应用而得不到即插即用功能的兼容性，RTL8019AS支持JUMPER 和JUMPERLESS 选项。 为了提供完全解决即插即用方案，RTL8019AS 在集成 10BASET 收发器，BNC,和AUI 接口之间的自动检测功能。此外，8条IRQ 总线和16条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。 RTL8019AS 支持16k，32k，和64k 字节BROM 和闪存接口。它仍然提供页面模式功能， 这种功能能支持在仅16k字节内存系统空间下的4M字节的BROM. 此外，BROM 的无用命令被用来释放BROM 内存空间。 RTL8019AS用16k字节SRAM 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更多友好的功能，而且节省了 SRAM 存储资源。4.4方案模型和放大电路实际设计第五章 智能型液体漏检测仪软件设计在上一章中，设计了PIC单片机和ARM7为核心的低成本、高精度、微型化计算机显示智能型液体漏检测仪的系统，将通过单片机外围扩展硬件电路以提高对数据采集的准确，并通过增加，防止，以最终达到提高测距精度的目的。在本章，将详细说明实现超声波测速系统的软件设计。5.1、软件构成整个系统软件程序包括C程序上位机和下位机部分。C程序部分包括数据采集发送部分和数据接收处理部分，有中断服务程序5.2、发射主程序流程图开始将编号烧入单片机EEPROM；将程序烧入单片机上电运行主程序初始化比较器模块初始化无线发送模块初始化比较器中断Sleep中断子程序中断开始是否是比较器中断读EEPROM的设备编号将编号通过无线发送中断返回5.3、接收处理主程序开始初始化端口初始化nRF2401无线接收模块初始化RTL8019网络模块设置网络UDP协议无线是否接收到信号？接收报警信号以UDP形式发送信号至局域网5.4、系统软件的调试程序编制完成之后，需要对程序各部分进行调试，以确定其在系统中的可靠性和合理性。由于程序其本身是由许多子程序和功能块组成，所以在调试过程中，可以对其中每个功能块和子程序逐一调试，待每个子程序都能完成其指定的功能，然后再进行综合调试。5.5、数据稳定性分析在前端节点采用了当今比较流行的PIC单片机。PIC单片机在抗干扰方面明显优于51系列单片机，而且PIC单片机采用了哈佛总线结构，分开的程序和数据总线使得CPU的执行效率更高，同时使得总线上的数据量变小，使系统更稳定。在设置节点序号时将序号放入PIC内置的EEPROM中，避免了程序的更换对节点序号的影响，同时EEPROM中的数据能够存放数百年，完全能够满足系统的需要。在网卡节点采用了32位数据总线的ARM7内核，因为采用了32 位数据总线使得CPU的处理能力大大提升，能够更快的处理各种信息，方案二中采用了uClinux操作系统，Linux系统是全球各地的电脑爱好者通过网络共同开发的，因此在TCP/IP网络协议更加稳定，方案三中采用了uip网络协议栈，专用的协议栈同样能够保证系统的稳定运行。第六章 设计样机调试及开发过程6.1 调试软硬件环境的建立（1）调试所需硬件设备前端：PIC16F675，nRF2401，1117M318，1117M333，各类电容、电阻、电感、晶振。后端：S3C44B0，LPC2103，nRF2401，RTL8019，各类电容、电阻、电感、晶振。（2）软件开发环境ADS1.2 IDE、MPLAB IDE它们集程序的编辑、编译、链接、调试以及仿真等功能为一体。具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等，使人们的编程、调试工作更加方便且高效。此外，它的软件仿真功能可以在不连仿真板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序。整个界面包括主菜单、工具栏、工作区窗口、编辑区窗口及状态栏。程序中使用C语言开发，调试分单步调试、软件单独调试及硬件连调，调试过程中运行性能稳定，取得了满意的效果。VMware 、Red Hat 9 、arm-elf-gcc在编译uClinux的时候必须采用安装有Linux系统的交叉编译环境， VMware主要的功能有： 1.不需要分区或重开机就能在同一台PC上使用两种以上的操作系统。 2.完全隔离并且保护不同OS的操作环境以及所有安装在OS上面的应用软件和资料。 3.不同的OS之间还能互动操作，包括网络、周边、文件分享以及复制贴上功能。 4.有复原（Undo）功能。 5.能够设定并且随时修改操作系统的操作环境，如：内存、磁碟空间、周边设备等等。 6.热迁移，高可用性。在Red Hat 9中安装了arm-elf-gcc交叉编译工具链，应用程序就能够通过调用该工具链进行编译。6.2具体操作过程前端：系统上电后调整比较器的输入端，当输入电压超过参考电压时，系统就会被唤醒，执行无线发送程序，发送完成后再次进入休眠状态后端：上电后程序会一直查询是否接收到无线信号，当接收到信号时，程序就会将信号通过网卡发送到指定的PC上，整个过程不需要任何人为操作。6.3具体设计过程在设计过程中遇到了很多困难，最终通过老师的耐心指导和自己的不断尝试终于顺利的完成了设计工作。在前端节点的设计上，按照实际的应用场合，要求系统能够尽量的缩小体积，所以在单片机的选择上费了好一番脑筋，既要能够满足设计的要求，又要小体积，同时还要有很高的性价比，最终确定了PIC12F675，因为这款单片机只有8个引脚，体积小，具有内置的EEPROM、比较器、中断完全能够满足应用需要，由于应用场合的特殊性使得系统要采用电池供电，比较器的采用能够让系统在空闲时间处于休眠状态从而降低功耗，同时只需要3.5元。无线芯片选用了nRF2