（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式水文信息采集智能终端的研究与设计.pdf

摘要 水文信息现代化建设是我国国民经济持续、健康和稳定发展的重要基础和 保障，而先进的水文信息采集技术和采集手段是水文信息现代化建设的重要组成 部份，因此本文提出了嵌入式水文信息采集智能终端的研究和设计，旨在研究和 设计出一种集采集和控制于一体的远程无线水文信息采集终端，同时将其应用于 东莞市东引工程水文信息采集与控制系统中。 嵌入式水文信息采集智能终端是采用目前比较先进的嵌入式技术和g p r s 无 线通信技术，能够对多种水文信息进行采集、存储、查询和无线传输的嵌入式智 能终端，同时还能够完成对泄洪、排污、排水等闸门的控制任务。 嵌入式水文信息采集智能终端的设计主要包括硬件平台的构建和系统软件 的开发。硬件平台的构建是整个系统的基础和难点，在本论文中采用基于a r m 9 2 0 t 的多接口高性能c p us 3 c 2 4 1 0 x 作处理器，采用西门子的m c 3 5 i 作为通信模块， 其硬件电路设计主要包括核心板电路设计、扩展板电路设计、i o 扩展模块( 数据 采集模块) 电路设计和g p r s 模块电路设计，同时还包括p c b 设计和调试工作。系 统软件的开发主要包括驱动程序的设计、通信程序的编写和g u i 界面的设计，在 这一部份作者完成了l c d 驱动程序、s p i 驱动程序和g p r s 模块驱动程序的编写， 完成了基于q t e m b e d d e d 的嵌入式g u i 界面的程序编写，还进行了部份通信程序 的设计工作。 本文研究与设计的嵌入式水文信息采集智能终端符合水文信息采集自动 化、信息化的要求，完成了嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台的设计和部份 系统软件的编写，为最终将该系统推入市场并广泛应用奠定了坚实的基础。 关键字：s 3 c 2 4 1 0 x ；g p r s ：g u i ；q t e m b e d d e d ：s q l i t e ：嵌入式系统；水文采 集； a b s t r a c t n eh y d m l o g yi n f o r n l a t i o nm o d e m i z a t i o ni sf o u n d a t i o na n dg u a 瑚t e ew h i c h n a t i o n a l e c o n o m yc a nd e v e l 叩c o n t i n u 叫s l ”h e a l t h y 粕ds 忸b l y ，t h ea d v a n c e d h y d r o l o g yi n f o m l a t j o na c q u i s i t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea c q u j s i “彻m e t h o d a 瑶 i m p o r c a n tc o m p o n e n to fh y d r o l o g yi n f 0 衄a t i o nm o d e m i z a t i o n ，t h e r e f o r et h i s 枷c k w h i c hp m p o s et os t u d ya 1 1 dd e s i g nt h ee m b e d d e dh y d m l o g yi n f o r n l a t i o na c q u i s i t i o 如 i n t e l l i g e n tt e 门_ n i n a l ，i sf i o rt h ep u r p o s eo fs t u d y i n ga n dd e s i g n i n go n ek i n do 】 l o n g d i s t a n c ew i r c l e s sh y d m i o g yi n f o n n a t i o na c q u i s i t i o nt c m l i n a lw h i c hc a na c q u i r c a n dc o n 仃o l ，a n d a u t h o r 印p i i e s i t i n d o n g y i n gp r o j e c th y d r o l o g yi n f o m a t i o 玎 a c q u i s i t i o na n dc o n t r o is y s t e m t h ee m b e d d e dh y d m l o g yi n f o r n l a t i o na c q u i s i t i o n i m e l l i g e n tt e m i n a la d 叩t e p r e s e n t a d v a n c e de l b e d d e d t e c h n o l o g y a n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o 日 t e c h n o l o g y i tc a na c q u i r e 、s a v e 、i n q u i r ea n dt r a n s m i tm a n yk i n d so fh y d r o l o g ) i n f o 肌a t i o n ，a n di tc a l lc o m p l e t et h ec o n t m ld u t ) rf o rs t r o b ea sf l o o dd i s c h a 唱e 、血u n p p o l l u t a l l t sa i l dd r a i n a g e t b ed e s i g no ft l l ee m b e d d e dh y d m l o g yi 1 1 f o 肌a t i o na c q u i s i t i o nt e n n i n a l i n c l u d e t 1 1 eh a r d w a r ep l a t f 0 衄c o n s t m c t i n g 锄dt l l e s y s t c ms o f 研a r ed e v c l o p m e n t t h e h a r d w a r ep l a t f 0 咖c o n s t 兀l c t i n gi st h eo v e r a l ls y s t e mf o u n d a t i o na n dd i f f i c u l 吼i n l i f a n i c l ci t a d o p tm u n i n t e 血c ea n dh i g hp e r f b r n l a n c ec p us 3 c 2 4 1 0 xb a s e do f a t m 9 2 0 t ，i ta d o p ta l s os i e m e n sm c 3 5 ia sc o m m l l i l i c a t i o nm o d u l e t b ed e s i g n0 1 h a r d w a r ei n c l u d ec o r eb o a r dc i r c u i t 、e x t c n s i o nb o a r dc i r c u i t 、d a t aa c q u i s i t i o nm o d u k c i r c u i t 卸dg p r sm o d u l ec i r c u i t a tt h es a r n et i m e ，i ti n c l u d e sd e s i g na i l dd e b u g g i n o fp c b t h es y s t e ms o f a r ei n c l u d e sd e v e l o p m e n to fd r i v e r 、p m g r a m m i n go c o m m u n i c a t i o np r o 扩a ma n dg u ip m g m m a u t l l o rh a v ec o m p l e t e dp r o 铲a ml c 州v e r 、s p i 越v e ra n dg p r sm o d u l e 出v e r ，a u t h o r h a v ec o m p l e t e dd e s i g ne m b e d d e ( g u ib a s e do nq 忱n l b e d d e da n ds o m ec o m m u n i c a t i o np i o g r a m t h ee m b e d d e dh y 出o l o g yi n f o r n l a t i o na c q u i s i t i o ni n t e l h g e n tt c r i n i n a lw h i c ht h 乱 a n i c l es t i l d ya n dd e s i 印c o n f o 皿t oh y d r o l o g yi n f o 衄a t i o na c q u i s “i o na u t o m a t i c 、 i i l f b m a t i z a t i o nr e q u e s t t h ea n i c l eh a sc o m p l e t e dh a r d w a r cd c s i g i la n dp a ns o f h a n p r o 伊锄m i n g w h j c hh a se s t a b l i s h e d 1 es o l i df o u n d a t i o nf o rf i n a l l yt h m s t i l l gt h i s y s t e mt ot h em a r k e ta n dt 1 1 ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n k e y ”d s ；s 3 c 2 4 1 0 x ；g p r s ；g u l ；q 饱m b e d d e d ；s q l i t e ；e m b e d d e ds y s t e m ； h y d r o l o g ya c q u i s i t i o i l i l i 第一章绪论 第一章绪论 以水文信息采集终端为基础的水文信息采集系统是水文信息现代化建设的 关键和基础，因此本论文根据实际需要提出了嵌入式水文信息采集智能终端的研 究与设计。本章主要分析本课题研究的必要性、可行性及其意义，分析国内外对 嵌入式水文信息采集智能终端研究现状，然后提出本论文主要所做的工作。 1 1本论文的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着我国社会的发展，对水文信息的综合利用臼益重要，也对水文信息不断 提出了新的要求，水文观测项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及水文监 测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。现代电子技术、传感技术、通信技 术和计算机技术的迅速发展，也促进了水文监测技术自动化的发展，水文要适应 新情况新变化，实现从传统水文向现代水文转变，从而为我国社会主义现代化建 设服务川。 在水文监测系统中，常常需要对众多的水文数据进行实时监测，大部分监测 数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。传统的水文信息( 如水位、 流量、降雨量、泥沙含量等) 的传输，多采用有线或无线电台等方式进行，其主 要缺点是工程量大、维护费用高、无线信道易受干扰、有线传输线路易受破坏等， 不能实现水文信息的远距离准确传输，尤其是当信息点分散、信息量较大、信息 种类较多时则更难以实现m 。从目前我国的实际情况来看，中国移动通信公司的 信号几乎可以覆盖全国大部份地区，因此可以利用其成熟的g p r s 无线网络作为水 文信息采集系统的组网方案。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是一种采用分组 交换的高效率数据传输方式，g p r s 网络理论上最大可以提供1 7 1 2k b i t s 的传输 速率m 。同时g p r s 网络接入时间短，能提供快速即时的连接，而且g p r s 支持基于 标准数据通信协议的应用，可以和i p 网互联互通，支持特定的点到点和点到多点 服务。由于g p r s 网络具有永远在线、快速登陆、按流量计费、切换自如、高速传 送、安全可靠等优点，所以由它来做技术支撑，可以用最简单、最低成本、最安 广东工业大学工学硕士学位论文 全可靠的方式梅建远程监控网络，大幅节省了人力、物力，提高了水文遥测监控 的自动化水平m 。 随着电子技术的不断发展，以应用为中心，以计算机技术为基础，软件和硬 件可裁减的嵌入式技术应用进入了一个全新的时期，嵌入式技术特别适合应用于 对功能、成本、体积、功耗和可靠性严格要求的系统。 综上所述，如果能将g p r s 技术运用到嵌入式系统中，研究和设计出基于g p r s 的嵌入式水文信息采集智能终端，具有很强的现实意义和很广的应用前景，能将 水文信息采集提高至4 一个新的水平，从而创造出巨大的经济效益，为国民经济的 发展提供优质的水文信息服务。 1 1 2 研究意义 嵌入式水文信息采集智能终端是专门针对水文信息采集而设计的技术先进、 性能优越、性能可靠和低成本的数据采集系统，它主要具有以下优点： 1 。数据实时性强。由于采用g p r s 网络，而g p r s 具有实时在线特性，系统无 延时，无需轮巡就可以同步接收、处理多个或所有监测点的各种数据，因此可很 好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。 2 数据传送速率高。每个水文信息采集点每次数据传输量在1 0 k b p s 之内。 g p r s 网络传送速率理论上可达1 7 1 2 k b i t s ，目前g p r s 实际数据传输速率在 4 0 k b p s 左右，完全能满足本系统数据传输速率( 1 0 k b p s ) 的需求【5 1 。 3 监测范围广。由于g p r s 通信网络覆盖范围广，水文采集点不受通信线路 和地区的限制，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接 入需求。 4 可对各监测点仪器设备进行远程控制。通过g p r s 网络，系统还可实现对 仪器设备进行控制，如时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远 程在线升级。 5 设计成本低，易于诊断和维护。基于g p r s 的嵌入式水文信息采集智能终 端采用模块化设计，硬件主要用至i j a r m 9 芯片、g p r s 模块、i o 扩展模块和其他 一些外围电路，软件设计也不很复杂，因此整个系统的开发费用比较低，由于采 用模块化设计，所以易于诊断和维护。 6 操作简单、运营成本低。由于基于g p r s 的嵌入式水文信息采集智能终端 采甩带触摸屏的l c d 作为显示终端，用户只要点击触摸屏即可完成查询、填写、 第一覃绪论 设置等系统操作。由于中国移动g p r s 服务按流量计费，费用低廉，无漫游费， 从而运营成本较低。 因此，从上面可以看出，嵌入式水文信息采集智能终端的设计具有较强的创 新性和可行性，应用前景广泛，能带来很好的经济效益，对于提高我国水利建设 特别是水文信息采集自动化水平具有很大意义。 1 1 3 项目来源 本论文所研究的课题来源于我控制网络与系统集成研究所申请的广东省水 利厅科技计划项目和东莞市科技计划项目支持的东莞市东引工程水文信息采集 与控制系统建设项目。 东引工程即东江引水工程，从桥头镇建塘水闸至长安镇磨碟口水闸，全长1 0 2 公里，受益1 4 个镇区。工程主要担负着引淡、排洪、排污、排涝、通航以及部份 工业供水的任务，农田灌溉2 0 万亩，农田排涝1 8 万亩，是东莞市一宗最大的引水 灌溉工程，东引工程水文信息采集与控制系统包括2 4 个水文数据自动采测站，它 承担的主要任务是实时采集、存储、传输各采测站的水位、流量、日降水量、水 库水位、入库流量、蓄水量等水文信息，还包括泄洪、排污、排水等闸门的控制。 实现水文信息采集和长期存储的数字化处理，并将实时采集的数据通过嵌入式智 能终端经g p r s 空中接口接入无线网络，并由移动服务商转接到i n t e m e t ，最终通 过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站，同时还可通过嵌入式智能终 端对闸门等控制对象实现远程无线控制。 1 1 2 国内外研究现状 1 _ 2 1 国外研究现状 在水文信息采集方面，国外建立了比较先进的测报网络，测验设备先进、现 代化水平高，开发出了很多功能完善的水文数据采集终端，例如瑞士捷创力公司 研制的5 2 0 s ，日本尼康公司的d t m 系统产品【6 j ，并且在这些自动采集终端都配有 太阳能电池组和蓄电池组，能够保证在遇有大洪水和暴雨天气，正常的电话通信 和动力供电设备遭到破坏的情况下，水文数据的采集和传输仍能正常进行。 在水文数据传输方面，以美国为例川，美国早在8 0 年代初期即开始采用卫星 传输水文数据，由于卫星通信具有可靠性高，便于遥测、遥控和实现自动化等特 点，采用卫星通信的测站数量逐年增加。目前，美国采取以卫星传输为主嘲，其 广东工业大学工学硕士学位论文 它方式为辅传输水文数据的水文站已超过6 0 。测站将各种采集仪器( 如水位计、 雨量计坝0 量记录的实时水文数据，首先自动传输给测站配置的数据收集平台 ( d c p ) ，d c p 将数据自动发送至位于太平洋或巴西上空属于国家海洋大气局的两 颗地球同步环境卫星，地球同步环境卫星将接收到水文数据再传送给国内民用卫 星，这些民用卫星再将水文数据传送到地质调查局并同时传送给其它用户。 1 2 2 国内研究现状 水文数据采集是水利建设的重要组成部份，为满足国民经济建设发展的要 求，随着现代通信技术和计算机技术的提高，我国水文信息建设工作有了很大发 展，水文信息采集终端也越来越先进。例如南京水利水文自动化研究所研发的 d t 3 0 0 0 型水文数据采集平台【9 l ，太原理工天成科技股份有限公司开发的远程终端 单元r t u m 】，但它们还不够完善，主要体现在以下几个方面： 1 成本很高。目前我国绝大部份水文采集智能终端是采用有线、卫星、g s m 等传输方式，用有线需要架设电线，如果是偏远地区用的材料更多，用卫星通信 需要租用卫星，用g s m 如果数据量大花费也很大，因此都存在成本很高的问题。 2 无法完成远程无线集群测控。我国大多水文数据采集终端只能完成监测 的工作，无法实现远程垂隼好，研发集监钡蚜魄猁于一体的水文采集智能终端很有 必要，比如通过水文采集终端监测到某水域笨含量超标，这时应立即关闭闸门， 同样如果监控中心发现某河流水位太高需要打开水文数据采集站的闸门，如果能 通过水文采集终端实现这些功能将大大提高其使用效率。 3 通用性差。现在的水文采集终端只能实现单一的水文采集工作，无法应 用至小一般的工业控制中。如果将水文采集终端做成模块化，在不需要某部份模块 时可以将该模块去掉，比如去掉g p r s 模块即可当成一般的工业测控终端，这样实 现了产品应用的多样性，大大拓宽了智能终端的应用领域。 综上所述，从国内外对水文信息采集终端的研究和方向来看，基于g p r s 的嵌 入式水文信息采集智能终端在国内的研究还属于起步或空白状态。因此开发基于 g p r s 的嵌入式水文信息采集智能终端符合水文信息采集智能化、自动化的发展趋 势，有利于提高我国水文信息采集整体水平，加快我国水利水文现代化建设。 1 3 本论文的主要研究内容 本课题主要针对当前水文信息采集技术相对落后，工作效率低等实际情况， 4 第一章绪论 充分利用先进的嵌入式技术和g p r s 无线通信技术，设计出能够对多种水文信息进 行采集，并对水文信息进行存储、查询和无线传输的嵌入式智能终端，并将之应 用于东莞市东引工程水文信息采集与控制系统，从而完成嵌入式水文信息采集智 能终端的初步设计和应用，其主要研究内容有以下几个方面： 1 完成嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台设计。硬件设计是整个课题 的基础，也是本课题的难点。硬件设计主要采用模块化设计，分为核心板电路设 计、扩展板电路设计、i o 扩展模块( 数据采集模块) 电路设计、g p r s 模块电路设计 四个部份。由于在本课题中采用高性能多接口c p us 3 c 2 4 1 0 x ，它采用2 7 2 针b g a 封装，所以核心板必须做成6 层板，另外g p r s 模块属于高频电路，p c b 设计也比较 复杂。 2 完成嵌入式软件开发环境的建立。这一部份包括嵌入式l i n u x 的配置、裁 减和移植，文件系统的建立，还有驱动程序的设计。嵌入式l i n u x 的移植和文件 系统的建立是嵌入式软件开发的基础，在目前的嵌入式技术中相对比较成熟。驱 动程序的设计在本课题中主要包括l c d 驱动程序、s p i 接口驱动程序和g p r s 模块驱 动程序的设计。 3 设计出嵌入式水文信息采集智能终端的g u i ( 图形用户接口) 界面。嵌入 式系统应用软件的设计离不开g u i 的设计，在本课题中，作者采用o t e m b e d d e d 来 作g u i 设计，主要分为g u i 开发环境的建立和具体的g u i 设计。g u i 开发环境的建立 和移植是许多基于q t e b e d d e d 的g u i 开发者的难点，将在论文中作较详细的讲 叙，在本课题中将智能终端应用到东引工程水文信息采集与控制系统，将根据其 具体的要求作g u i 设计。 本章小结 本章主要讲述了嵌入式水文信息采集智能终端设计的必要性、可行性，列出 其在国内的研究现状，以及本文主要所做的工作。第一节列出本论文的研究背景、 意义和项目来源，简要地说明了水文信息的采集对国民经济发展的重要性，分析 了当前水文信息采集终端的不足和存在的问题，从而得出本课题研究的必要性和 重要性，在第二节中查询了国内外水文信息采集终端的研究现状，系统地分析和 比较了它们之间的优点和不足，从而为本论文所要做的工作提供重要的指导，在 最后一节中作者讲述了本论文的主要研究内容也就是本文所要完成的工作。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章构建嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台 嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台的设计是整个系统开发的基础，任务 多，难度大。硬件的设计首先需要根据整个系统的需要建立总体设计方案，比如 c p u 的选择、模块功能的分配、各单元之间的连接和通讯、成本分析、以及p c b 设计工作量的考虑等。在硬件总体方案设计出来后，首先应实现各部件和模块电 路原理图的分析和设计，最后在检查无误后进行p c b 设计、硬件调试直至成功。 2 1 系统需求及硬件总体方案设计 2 1 1 系统需求 一般水文信息采集系统包括多个水文数据采集站，它承担的主要任务是实时 采集、存储、传输各采集站的水位、流量、日降水量、水库水位、入库流量、蓄 水量等信息，实现水文信息采集和长期存储的数字化处理，并将实时采集的数据 通过嵌入式控制器经g p r s 空中接口接入无线网络，并由移动服务商转接到i n t e 卜 n e t ，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站，其功能框图如 图2 1 所示。 图2 一l 嵌入式水文信息采集系统框图 f i 昏2 一ld i a g r a mo f e m b e d d e d i y d r o l o g i c “i n f o r i n a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m 本论文要研究和设计的嵌入式控制器需满足以下几个方面的技术要求： 1 控制器应具有数字量、模拟量i o 读写功能，能很好地读取底端的水文信 息采集传感器( 如流量计、水位计等) 的数据并能控制各执行器动作； 2 控制器应具有现场水文信息实时显示、数据查询的功能； 3 控制器应具有良好的有线和无线通信的功能，能将现场采集到的数据发 第二章构建嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台 送到服务器； 4 控制器应具有很好的实时处理能力，将得到的水文数据进行分析后分组 打包，按照设定的协议将数据传送到数据中心。 2 1 2 系统硬件平台总体设计方案 通常的嵌入式设备的硬件架构是以嵌入式微处理器为核心，通过c p u 扩展接 口以及平台硬件的支持，把众多的外设单元集成到整个系统中，并通过c p l d 等 逻辑转换器件和其它硬件电路完成对外设模块进行读写和控制操作。 本智能终端采用了s 3 c 2 4 1 0 x 处理器，利用s 3 c 2 4 1 0 x 出色的内核性能和丰富的 外部接口构造一个嵌入式系统平台，其硬件框图如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式水文信息采集智能终端硬件构架 f i g 2 - 2h a n a r cs t n l c t u r eo f b m b e d d e dh y d r o l o 百c a l1 1 1 f o m a t i o na c q u i s i t i o n i n t e l l i g e mt e m i l l a l 各部份基本功能如下： 1 处理器采用s 3 c 2 4 1 0 x ，该芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线和 哈佛结构，提供1 1 mi p s ，m h z 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元】。 2 电源电路通过5 v 到3 3 v 、3 3 v 到1 8 v 的d c d c 转换器，给s 3 c 2 4 1 0 x 及其他 需要3 3 v 电源的外围电路供电。 3 采用1 2 m h z 晶振为s 3 c 2 4 l o x 芯片提供系统时钟，通过s 3 c 2 4 1 0 x 芯片内部集 成的时钟控制逻辑可以产生系统所需的不同频率的时钟信号。 4 n a n df l a s h 存储器存放b o o t l o a d e r 、嵌入式操作系统、应用程序和其它 在系统掉电后需要保存的用户数据等。 广东工业大学工学硕士学位论文 5 s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于 s d r a m 存储器中。 6 1 0 m 1 0 0 m 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口， 系统可以l o m 或1 0 0 m b p s 的速率接入以太网。 7 j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行 调试、编程等。 8 系统通过一个r s 2 3 2 串口接一g p r s 模块，实现无线数据传输功能。 9 系统通过s p i 接口扩展i o 模块，负责数字量和模拟量的输入输出。 2 2 系统硬件电路详细设计 基于g p r s 的嵌入式水文信息采集智能终端主要分为两部分来设计，一部份为 核心板，另一部分为扩展板，这样做的优点是两块板可分别调试，高频和低频分 离，核心板做成6 层板而扩展板可做成2 层板，这样可大大节省成本，其原理框图 如图2 3 所示。 图2 3 嵌入式水文信息采集智能终端核心板原理图 f i g 2 3p r i n c i p l ed i a g r a mo f e m b e d d e dh y d m l o g i c a li n f o m a t i o na c q u i s i t i o n h l t e l l i g e n tt e n n i n a lc o r eb o a r d 2 2 1 核心板硬件设计 2 2 1 1c p us 3 c 2 4 1 0 x 功能概述 s 3 c 2 4 1 0 x 是基于a r m 9 2 0 t 内核的，最大工作频率能达到2 0 3 m h z ；可支持基本 的外设接口，如彩色t f tl c d 、u s b 、i i c 、i i s 、s p i 、u a r t 等，并支持m m c 和s d 等标准的外部插卡。s 3 c 2 4 1 0 x 能支持n a n df l a s h 启动，具有很高的性价比，另外 s 3 c 2 4 1 0 x 在市场上已有很多成熟的应用，因此作者选用了s 3 c 2 4 1 0 x 作为基于g p r s 的嵌入式水文信息采集智能终端的应用处理器，下面是对s 3 c 2 4 1 0 x 功能的简要说 明： s 3 c 2 4 1 0 x 芯片是韩国三星电子公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 第二覃构建嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台 位r i s c 嵌入式微处理器，作为s 3 c 2 4 1 0 x 芯片的c p u 内核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t r j s c 微处理器采用o 1 8 啪c m o s 标准单元结构。a r m 9 2 0 t 内核由a r m 9 t d m i 、 存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中m m u 可以管理虚拟内存，高 速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成2 j 。 s 3 c 2 4 1 0 x 芯片集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 液晶显示屏) 、n a n df l a s h 控制器、s d r 州控制器、3 个通道的u a r t 、4 个通道的d m a ，4 个具有p 删( 脉冲 宽度调制) 功能的计时器和一个内部时钟、8 通道的l o 位a d c 。s 3 c 2 4 1 0 x 还有很多 丰富的外部接口，如触摸屏接口、1 2 c 总线接口、1 2 s 总线接口、两个u s b 主机接口、 一个u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和删c 卡接口。在时钟方面s 3 c 2 4 1 0 x 也 有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c ( 实时控制) 和具有p l l ( m - p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。艘l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达 到2 0 3 删z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n c e ，l i n u x 等操作系统以及进 行较为复杂的数据处理“。 2 2 1 2f l a s h 接口电路设计 本设计中设定数据宽度为3 2 位，而在a r m 中希望字单元的地址是字对齐的， 这就要求地址的低两位为0 ，即地址为o b 0 0 ，因此在连接s d r a m 和f l a s h 时要使其 地址低两位a o ：1 为0 。f l a s h 采用三星的i ( m 2 9 u 1 2 8 t ，f l a s h 在实际中主要用n f w e 、 n f o e 、a l e 、c l e 、n f c e 等的控制信号，电路图如图2 4 所示。 图2 4n a n df l a s h 接口电路图 f i g 2 - 4 c i r c u i td i a g r 锄o fn a n df l a s hi m e r f a c e 2 2 1 - 3s d r a m 接口电路设计 在本系统中采用两片3 2 m 现代海力思的s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 扩展成6 4 m ， 9 广东工业大学工学硕士学位论文 s 3 c 2 4 t o x 对于s 删的控制信号有n s r a s 、n s c a s 、n s c s 1 ：0 、d q m 3 ：o 、 s c l k 1 ：o 】、s c k e 、n b e 3 ：o 、n 1 】l b e 3 ：0 等，可以直接与h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 相连来控 帝口其存取，其电路接线图见附录2 。 2 2 1 4 系统晶振电路设计 s 3 c 2 4 1 0 x 需要给f c l k ( 提供给内核) 、 h c l k ( 提供给a h b 串行总路线) 、p c l k ( 提供给 a p b 串行总线) 提供1 2 m 的外部时钟信号。同 时应给r t c 提供3 2 7 6 8 k 的外部时钟源信号， 电路如图2 5 所示。 图2 5 晶振电路图 f i g 2 5c i r c u i td i a g r a mo fc 叮s t a l 2 - 2 _ 2 扩展板硬件电路设计 扩展板的设计主要是根据终端触需要面设计的一些复b 臣电路，在本系统中主 要包含以下几个部份：电源管理模块、1 下t l c d 接口、触摸屏接口、通过s p i 接 口扩展i o 模块、通过u a r l 扩展g p r s 模块、u s b 接口、1 0 m 以太网接口、j t a g 接口，下面就各部份作具体的设计。 2 2 2 1 电源电路设计 在该系统中，需要使用5 v 和3 3 v 的直流稳压电源，其中，s 3 c 2 4 1 0 x 及部分外 围器件需3 3 v 电源，另外部分器件需5 v 电源，5 v 直流电源通过d c d c 转换成3 3 v ， 由于a 蹦内核需要1 8 v 的电源，因此需要将3 3 v 再转换成1 8 v ，系统电源电路 如图2 6 所示： 第二章构建嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台 图2 6 电源电路图 f 嘻2 6c i r c u i td i a g r a mo fs o u r c e 2 _ 2 2 2 丌a g 电路设计 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng m u p ，联合测 试行动小组) 是一种国际标准测试协议，主 要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、 调试。它在芯片内部封装了专门的测试电 路t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ，测试访问口) ， 通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进 行测试。 图2 7j t a g 电路图 f i g 2 7c i r c u “d i a g r 锄o fj t a g 标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试时 钟、测试数据输入和测试数据输出，其电路接线图如图2 7 所示。 2 _ 2 2 3串口电路设计及g p r s 模块 几乎所有的微控制器和p c 都提供串行接口，使用电子工业协会( e i a ) 推荐的 r s 一2 3 2 一c 标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。要完成最基本的串行 通信功能，实际上只需要r x d ，t x d 和g n d 即可，在本系统中用到r s 2 3 2 转换芯片 m a x 3 2 3 2 c s a ，具体电路如2 8 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 8r s 2 3 2 电路图 f i g 2 8c i r c u i td i a g r 锄o fr s 2 3 2 在本系统中，通过r s 2 3 2 接一个g p r s 模块，通过g p r s 模块把数据发送到g p r s 网中。由于g p r s 网与互联网都是基于i p 协议的，且是互相连接的，所以只要主站 监控管理中心可以通过任意方式上网，终端数据就可以通过g p r s 网络透明地传送 到主站监控管理中心。监控管理中心的查询命令和控制命令也可以通过互联网和 g p r s 网发送到g p r s 模块中，再由g p r s 模块传送给各个终端模块，对它们进行操作。 遁姗& 。终端检测控制部分可以直接访问互联网，所阻在主站管理监控中心并 不需要购置g p r s 模块，中心只需通过宽带、i s d n 或a d s l 上网即可。 本系统采用的是西门子公司的m c 3 5 ig p r s 模块。这个先进的g p r s 模块接 收速率可以达到8 6 2 0 k b p s ，发送速率可以达到2 1 5 k b p s ，当然最大的数据吞吐量 还依赖于g p r s 网络的支持，它支持g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 双频网络m l 。它为远程 测量和监控提供了一个理想的解决方案，实现了完整的p p p 协议及上层t c m p 协 议，可以通过简单的串口通信实现接入i n t e m e t 。 g p r s 模块电路原理图主要分为三个部份，一部份为m c 3 5 i 模块接口( 4 0 针) ， 一部份为s i m 卡接口电路( 8 针) ，还有一部份为串口电路的设计，整个电路如图2 9 所示。 第二章构建嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台 图2 9g p r s 模块电路原理图 f i g 2 9 c i r c u i td i a g m mo fg p r sm o d u l e 2 2 2 4 s p i 接口电路及i o 扩展模块的设计 s 3 c 2 4 1 0 x 有一个s p i 系统，它是一个同步串行外围接口，允许m c u 与各种外围 设备以串行方式进行通信，可使用s p i 来扩展各种接口芯片，这是一种最方便的扩 展方法。它的最大优点是只需3 4 根数据和控制线即可扩展各种接口器件。 本系统采用s p i 扩展i o 模块，1 0 模块的主要功能是扩展d i 、d o 、a i 、a 0 ，通 过这些模块实现与下端的传感器相连，这些传感器如水位计、流量计、雨量计等 等，从而实现通过s p i 来读取下端传感器的数据。 s p i 接口电路使用四个i 0 脚，它们是串行时钟s p i c l k ；主机输入从机输出数 据线s p i m i s 0 ；主机输出从机输入数据线s p i m o s i 和低有效的从机选择线n s ss p i 电路如图2 1 0 所示。 。i 图2 一l os p i 接口电路图 f i g 2 1 0 c i r c u i td i a g r a mo fs p ii n t e m c c i o 扩展模块共扩展6 个d i 、4 个d 0 、8 个a i 、2 个a 0 ，主要用到两块芯片 m a x l 2 2 7 和m a x 5 5 3 2 。m a x l 2 2 7 是串行1 2 位模数转换器( a d c ) ，采用s p i 串行 接口，内置基准和温度传感器。这些器件具有片内f o 、扫描模式、内部时钟 模式，内部平均和a u t o s h u t d o w n 等特性m l 。采用外部时钟，其最高采样速率可达 到3 0 0 k s 口s ，m a x l 2 2 7 具有8 个输入通道。所有输入通道都可以配置为单极性或双 极性模式、单端或差分输入。m a x 5 5 3 2 是双通道、1 2 位超低功耗的电压输出数 模转换器，i o 扩展模块电路图见附录8 。 ， 2 2 2 5 t f tl c d 接口及触摸屏电路设计 s 3 c 2 4 1 0 x 内部已经集成了l c d 控制器，因此可以很方便地去控制各种类型的 l c d 屏，例如s t n 和t f t 屏，s 3 c 2 4 1 0 xl c d 控制器的特性。 对于t f t 屏的主要特性有6 l ： 1 支持单色、4 级灰度、2 5 6 色的调色板显示模式； 2 支持6 4 k 和1 6 m 色非调色板显示模式； 3 支持分辩率为6 4 0 $ 4 8 0 ，3 2 0 2 4 0 及其它多种规格的l c d 。 对于控制t f t 屏来说，除了要给它送视频资料( v d 2 3 ：o ) 以外，还有以下 一些信号是必不可少的，分别是：v s y n c ( v f r a m e ) ：帧同步信号；h s l n c ( v l i n e ) ： 行同步信号；v c l k ：像素时钟信号；v d e n ( v m ) ：数据有效标志信号。 s 3 c 2 4 1 0 x 内置1 个8 信道的1 0 b i t 模数转换器( a d c ) ，该a d c 能以5 0 0 k s p s 的采 样速度将外部的模拟信号转换为1 0 b n 分辩率的数字量。同时a d c 部分能与c p u 的 触摸屏控制器协同工作，完成对触摸屏绝对地址的澳4 量，主要特性有： 1 分辩率：1 0 b i t ； 1 4 第二覃构建嵌入式水文信息采集智能终端硬件平台 2 相信误差：+ 一2 l s b ； 3 最大转换速率：5 0 0 k s p s ： 4 模拟量输入范围：0 3 3 v ； 5 分步x y 坐标测量模式； 6 自动x y 坐标测量模式； 7 中断等待模式 其l c d 接口及触摸屏电路图如图2 一1 1 所示。 图2 1 lt f tl c d 接口及触摸屏电路图 f i g 2 1 1 c i r c u i td i a g r a mo ft f tl c di n t e r f a c ea n dt b u c h s c r e e n 2 2 2 61 0 m l o o m 以太网接口电路 s 3 c 2 4 1 0 x 内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口，带缓冲d m a 接口 ( b u f f e r e dd 凇i n t e r f a c e ，肋i ) 。可在半双工或全双工模式下提供1 0 m 1 0 0 m b p s 的以太网接入。s 3 c 2 4 l o x 内部实际上己包含了以太网m a c 控制，但并未提供物理 接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。 在采集终端中1 0 m 网络接口主要用到高性能网络控制器芯片c s 8 9 0 0 a ，该芯 片是一种局域网处理芯片，工作电压3 3v ，工业级温度范围，l o op i nt q f p 封装， 4 k 字节的内部集成r a m 、1 0 b a s e t 收发滤波器m l 。 s 3 c 2 4 1 0 x 片内已有带m i i 接口的m a c 控制器，而c s 8 9 0 0 a 也提供了m i i 接口，各