（控制理论与控制工程专业论文）河流模型水深流速测试系统研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大型河流模型，需要测量的断面多、参数多、工侔量缀大。为了保证模型试 验的测试精度及成果质量，加快试验进度，提高模型运转效益，采用一套完善、可 靠、精度离、自动化程度高的测量与控制系统目显重要。随着计算机、微电子 技术和通信技术的发展，使得大型河流模型参数实时检测和数据采集处理成为 可能。 本论文主要探讨的河流模型水位、水流速度的检测技术是一种网络化河流 模型参数实时检测与采集处理技术。它结合m o d b u s 总线实现数据的远程通信， 爵运用嵌入式技术，设计并实现了河流模型承深流速测量系统。完成对河流模 型水位、流速数据的远程调用以及对历史信息的存储，计算和数学分析。 本文主要论述了河流模型水深流速测试系统的设计与实现。主要完成了戬 下几项工作： ( 1 ) 物理介质界蕊变化测量探针的研制。详细的介绍了介质探针的组成和 原理，同时对介质探针的特性进行深入的分析，最后介绍了基于物理介质界面 变化测量探针的水深、沙面、河床测量原理。 ( 2 ) 系统静硬件平台的构建。本系统硬件平台包括上位机和远端测试系统。 其中上位机硬件平台包括a r m 7 开发板、液晶显示屏、触摸屏、存储电路、 r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换模块；远端测试系统( 下位机) 主要包括介质探针信号处理电 路、电阻式流速传感器信号处理电路、显示和控制模块、电机控制电路。 ( 3 系统的软件平台的实现。主要介绍了系统上位机嵌入式开发平台的构 建，多任务系统的实现以及人性化的入机交互系统的实现；同时也详细的介绍 了下位机测试系统的测试流程和m o d b u s 协议实现。 这种融合了计算机、信息、微电子技术的网络诧河流模型参数实时检测与 采集处理技术是一种较为先进的检测与控制技术。此技术的使用使得试验数据 的采集与试验过程控制更加精确可靠，是提高试验精度的重要手段之一，同时 为系统地分析实验结果提供了强有力的帮助。 关键词：河流模型，嵌入式系统，m o d b u s 总线，介质探针，实时检测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rl a r g ef i v e rm o d e l ，m a n yc r o s s s e c t i o n sa n dp a r a m e t e r sn e e dt ob e m e a s u r e d ，i th a sh e a v yw o r k l o a d i no r d e rt oe n s u r ea c c u r a c ya n dq u a l i t yo ft e s t r e s u l t so ft h em o d e le x p e f i m e n t s ，s p e e du pt h ep r o g r e s so ft r i a l ，i m p r o v ef i v e r m o d e l so p e r a t i o n a le f f i c i e n c y ，i t si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt oa d o p tac o m p r e h e n s i v e ， r e l i a b l e ，h i g ha c c u r a c y , ah i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m s w i t h d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r ,m i c r o e l e c t r o n i c a n dc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y ，i t sp o s s i b l et om a k el a r g er i v e r sm o d e lp a r a m e t e rd e t e c t i o na n dr e a l t i m e d a t aa c q u i s i t i o n t h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fw a t e rl e v e la n dw a t e rf l o wv e l o c i t yo ft h ef i v e r m o d e li san e t w o r ko fr i v e r sm o d e lp a r a m e t e rd e t e c t i o na n dr e a l t i m ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i tc o m b i n e sr e m o t ed a t ac o m m u n i c a t i o nb a s e do nm o d b u s b u s ，a n du s e se m b e d d e dt e c h n o l o g y d e s i g na n di m p l e m e n tt h em o d e lf i v e r sw a t e r l e v e la n df l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m c o m p l e t i o no fl o n g d i s t a n c ec a l l so f f i v e rm o d e l sw a t e rl e v e la n df l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e n td a t a , t h eh i s t o r i c a l i n f o r m a t i o ns t o r a g e c o m p u t i n ga n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s t h i sp a p e rd i s c u s s e sf i v e rm o d e l sw a t e rl e v e la n df l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e n t s y s t e m sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nc o m p l e t e d ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to ft h ev a r i a t i o no fp h y s i c a lm e d i ai n t e r f a c ep r o b e ( i n t e r f a c e p r o b e ) i n t r o d u c ei n t e r f a c ep r o b e sc o m p o s i t i o na n dp r i n c i p l ei nd e t m l ，a n dt h o r o u g h a n a l y s i sp r o b e sc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l yi n t r o d u c ew a t e rd e p t l l t h er i v e rb e ds u r v e y m e a s u r e p r i n c i p l e ，b a s e do ni n t e r f a c ep r o b e ( 2 ) s y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r mc o n s t r u c t i o n t h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m s i n c l u d ee m b e d d e ds y s t e ma n dt h er e m o t et e s ts y s t e m e m b e d d e ds y s t e m sh a r d w a r e p l a t f o r mf r o ma r m 7d e v e l o p m e n tb o a r d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , t o u c hs c r e e n ，s t o r a g e c i r c u i t ，r $ 2 3 2 r $ 4 8 5c o n v e r s i o nm o d u l e t h er e m o t et e s ts y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o i t l l i n c l u d ei n t e r f a c ep r o b es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，r e s i s t i v ef l o ws e n s o rs i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t s ，d i s p l a ya n dc o n t r o lm o d u l e ，t h em o t o rc o n t r o lc i r c u i t ( 3 ) s y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t i n t r o d u c et h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t p l a t f o r m sc o n s t r u c t i o n ，t h er e a l i z a t i o no fm u l t i t a s k i n gs y s t e ma n dh u m a n i z a t i o no f h c is y s t e m a i s od e t a i la c c o u n to ft h er e m o t et e s t i n gs y s t e mt e s t i n gp r o c e d u r e sa n d m o d b u sp r o t o c 0 1 t h i sc o n v e r g e n c eo fc o m p u t e r ，i n f o r m a t i o n ，m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yn e t w o r k p a r a m e t e r so ft h ef i v e rm o d e lw i t hr e a l - t i m ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gi sam o r e a d v a n c e dd e t e c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g ym a k e su s eo ft h et e s td a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s sc o n t r o lt e s tm o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e i t so n eo ft h e i m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft e s t a tt h es a m et i m e ，i tp r o v i d e s s t r o n gs u p p o r tf o rs y s t e m a t i ca n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：r i v e rm o d e l ，e m b e d d e ds y s t e m s ，m o d b u sb u s ，i n t e r f a c ep r o b e ， r e a l t i m ed e t e c t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：滥日期堕：坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 盘名) ：立) 逮导师( 签名) 蛆日期巡= ：， 武汉理工大学硕士学位论文 1 1课题概述 1 1 1 课题的题目 第1 章绪论 课题的题目：河流模型水深流速测试系统研制 课题来源：武汉长江水利研究院 1 1 2 课题研究的背景介绍 目前的河流物理模型测量试验，数据采集还处于手工或半自动化的水平， 一般很难保证数据获取的准确性，整体的试验精度更难以保证。不但试验人员 的工作量大，而且无法做到实时、连续、同步检测和控制试验过程，这些都直 接影响着试验效率和成果质量。而且无法做到实时、连续、同步检测和控制试 验过程，这些都直接影响着试验效率和成果质量随着计算机、微电子技术和通 信技术的发展，使得大型河流模型参数实时检测和数据采集处理成为可能瞄副。 1 1 3 课题研究的目的和意义 河流模型是根据实际江河某一段河床参数按比例缩小在实验室所做的实体 模型，主要是通过对河流自然现象进行复演、模拟试验，以探求河流的自然规 律，为河流防洪预测、河道流沙淤积程度等研究提供有价值的数据。而河流模 型水流流速测量对于整个模型试验有着至关重要的作用。因此对于河流物理模 型试验而言，试验成果的质量在很大程度上取决于测量技术和试验的控制水平。 要提高试验的精度，不能仅有高精度的量测仪器，还要有先进的采集与控制技 术。 随着计算机、微电子技术和通信技术的发展，使得大型河流模型参数实时 检测和数据采集处理成为可能。因此融合了计算机、信息、微电子技术的网络 化河流物理模型参数实时检测与采集处理技术是一种较为先进的检测与控制技 武汉理工大学硕士学位论文 术。此技术的使用使得试验数据的采集与试验过程控制更加精确可靠，是提高 试验精度的重要手段之一，同时为系统地分析实验结果提供了强有力的帮助。 1 2 课题研究的现状 河流模型水深与水流速度的测量有以下几个方面内容：( 1 ) 单位置单点测量， 测量某位置某一深度的水流速度；( 2 ) 单位置多点测量，测量某位置的不同深度 点的水流速度；( 3 ) 多位置多点测量，测量某一断面上多个位置不同水深点的水 流速度；( 4 ) 立体测量，多个断面多个位置不同水深点的水流速度测量1 。 非恒定河流模型中，沿程水位随时间而变，水位自动检测是必不可少的。 此外，尾门控制、口门开启时间和速度控制以及入流、出流数字量水堰堰上水 头检测与控制也都与水位检测有关。因此，水位检测是非恒定流水力模型中最 关键的测试项目之一。河流模型水位量测主要是采用自记水位仪。按仪器感知 水面的方式，可分为接触式水位仪和非接触式水位仪。非接触式水位仪，如超 声式，也有不少产品，但在性能、精度、价格等方面尚未满足实用要求，目前 普遍使用的是接触式水位仪。接触式水位仪按触水测针测取水位值的工作方式， 又可分为跟踪式、探测式和振动式。 流速测量是流动测量技术最核心的内容，一直是国内外研究的重点和热点。 进入九十年代后，流速测量技术得到了新的发展。从单点流速测量发展到多点 测量、全场测量；从单向到多向、从稳态到瞬态发展；从毕托管、热线热膜流 速仪( h w f a ) 、旋浆流速仪、激光流速仪( l d v ) 、相位多普勒( p d p a ) 发展到粒子 成象速度场仪( p i v ) 。热线技术是最早实现多点测量技术的方法，目前已出现多 达8 0 点的测量仪器和飞行热线测量方法。激光测速技术也已实现了多达六个测 量体的l d v 系统。但是这些方法或干扰和破坏了流场、或者成本太高，而且对 获得整个细致的流动图象也很费事更主要的是难以满足瞬态流场测试的需要粒 子图像测速技术的发展为上述问题的解决创造了条件。 粒子图像测速技术( p a r t i c l e l m a g i n ev e l o e i m e t r y ) 简称p 技术，是在流场中 施放示踪颗粒，采用摄、录像的方法记录颗粒的运动轨迹，经过图像处理得出 全试验段的表面流速和流态。如果设置多套摄录像系统则可在要求的时间内完 成流场信号的同步记录，再通过图像处理，即能获得需要的成果。这种方法对 流场干扰小，具有较高的精度，节省大量的试验时间，具有较大的经济效益。 2 武汉理工大学硕士学位论文 目前河流模型仍普遍采用是旋桨流速仪。传统的光电式旋桨流速传感器大 都是采用可见光源来进行流速测量的，这种传感器一个重大缺陷是受外界环境 光的影响，可靠性差。发光灯泡寿命短，故障率高，需要频繁更换灯泡，以保 证试验正常进行。在进行非恒定流试验时，试验需要连续不断放水，流速传感 器故障造成流速漏测。因此，迫切需要对这种光电式流速传感器进行改进【3 1 1 。 1 3 课题研究的工作内容 本课题是集信息技术、自动控制技术、传感器技术等多学科交叉和综合知 识对河流物理模型的重要水文参数进行测量，并且完成数据保存、分析、显示。 在整个设计过程中，需要解决的问题很多，采用全新的设计方法来实现对多点 多断面水位深度和流速的网络化测量。实现对河流模型中的重要水文数据( 水 深和流速) 的精确测量，为江河防洪预测、河道流沙淤积程度等研究提供有价 值的水文数据u 驯。 结合实际情况，根据设计的要求，对整个测试系统的嵌入式系统的硬件和 软件做了深入的研究，采用嵌入式操作系统和u c g u i ，实现人机交互界面的人 性化设计。 本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 物理介质界面变化测量探针的发明。 ( 2 ) 基于物理介质界面变化测量探针的新型测试方法的提出。 ( 3 ) 对内含a r m 7 核的处理器s 3 c 4 4 b o x 的研究。了解其内部寄存器、控 制单元以及外部接口的原理。 ( 4 ) 设计嵌入式硬件平台及水深和流速测试电路。拟采用购买的a r m 7 开 发板构建嵌入式硬件平台，用相应的传感器感应水深信号和流速信号。然后通 过电路将信号初步处理，最后通过r s 4 8 5 总线送到上位机中去处理。 ( 5 ) 对嵌入式操作系统u c o s 、u c g u i 的研究。了解进程、多任务的工作 原理，掌握驱动程序、应用程序的编写方法。同时按照长江水利研究院的要求 设计相关界面。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1系统的功能及其需求 该测量系统只能用于实验室河流模型的水流速度和深度的测量，不能用于 真实的河流如长江、黄河的水流速度和水深测量。河流模型水位水流速度自动 测量系统由两部分组成，系统上位机和远端测试系统( 下位机) 不能分开单独 使用。其整个系统的功能和指标： ( 1 ) 自动测量水深和流速。水深测量误差小于l c m ，同时根据水深计算该 垂线上需测量的流速的数量和位置，流速测量误差小于0 2 m s ；仪器测量某一 垂线上所有深度和流速的全部时间小于3 分钟。 ( 2 ) 能在远端测试系统( 下位机) 上通过按键点动控制水位水流速度探头 测量控制器上旋浆传感器上升和下降；不能通过机械装置控制水位水流速度探 头测量控制器上旋浆传感器上升和下降。 ( 3 ) 远端测试系统( 下位机) 通过r s 4 8 5 接口与系统上位机连接，通过发 光管表示通讯发送和接收状态，最大寻址机号为1 6 ，最大通信距离为3 0 米：每 个下位机之间最小安装距离大于2 0a m ( 包括旋浆传感器和水深传感器) ：从键 盘输入测杆k 值、c 值、模型流速比尺、采样时间、采样间隔时间； ( 4 ) 系统上位机具有大屏幕液晶显示器，液晶显示器尺寸3 2 0 * 2 4 0 ，带背 光显示，实现人机交互界面功能，实时显示每一垂线上水深、测量的流速的数 量和位置、每个位置的流速和旋浆脉冲计数。 ( 5 ) 配备r s 4 8 5 接口和m o d b u s 协议与p c 计算机连接，通过发光管表示通 讯发送和接收状态，最大寻址机号为3 2 。最大通信距离为1 2 0 0 米。数据传输采 用上位计算机读取方式； ( 6 ) 掉电保护内存，停电后数据不丢失，每个测量断面按最大可接1 6 台 水位水流速度探头测量控制器，每个垂线上最多测量5 点流速，每个垂线需保 存的参数为水深、测量的流速的数量和位置、每个位置的流速和旋浆脉冲计数。 内存按一次最大保存2 0 个断面的数据计算；测量系统具有自检和看门狗功能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统总体框图 本项目的测试对象为长江部分河段的河流模型，需要检测的断面多、参数 多、工作量很大。为了保证模型试验的测试精度及成果质量，加快试验进度，提 高模型运转效益，需要采用一套完善、可靠、精度高、自动化程度高的测量与 控制系统。因此本文提出了基于m o d b u s 总线的网络化河流模型实时数据采集系 统。 在系统中采用的是工业控制中常用的总线型控制网络。作为系统主站的上 位机是控制系统的管理者，它具有管理控制远端测试系统( 下位机) 的功能， 并且这个权利由它所独享。作为现场测控系统的远端测试系统，每次测试完毕 后将向上位机发送各种水文数据的测试信息等功能啪儿2 。该分布式测控系统的 框图如图2 1 所示。 以m o d b u s 现场总线为基础的本系统从功能上分主要由两层组成：系统管 理层和现场控制层。它们之间通过以双绞线为传输媒介的m o d b u s 总线相连。 第一层是现场控制层，它是以现场控制设备作为网络节点构成的现场控制 网段。网络节点主要由多个远端测控节点组成。 第二层是系统管理层，它是实现系统信息集成和控制各网络节点进行测量 的部分。它是由嵌入式开发平台构成旧副嵋引。 图2 - 1 系统原理框图 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 系统工作原理 该系统的基本架构采用了工业控制系统中应用较普遍的c s 模式，这种系 统体系结构本身属于发展到2 0 世纪9 0 年代较为先进的结构。这种模式将应用 一分为二，服务器( 在该系统中为上位机) 负责数据存储、管理及操作和控制 状态的显示、对客户机( 在该系统中为下位机) 的控制等工作，而客户机则完 成与服务器的通讯及对系统执行机构的有效控制工作。c s 这种结构具有较强的 数据处理和事务处理能力，另外它数据的安全性和完整性也很好。较适用于较 小的分布式控制系统哺1 。 本系统基于c s 模式的体系结构图如图2 2 所示。上位机( 服务器) 的控制 及显示功能模块是人与系统交互的接口，它具有的功能主要包括对下位机( 客 户机) 相关参数的设置、同时控制下位机使用相应的测试方法来测试数据、一 级系统显示界面等。用户可以通过该功能模块实现与控制系统的交互。 当用户通过上位机总线通讯接口发出相应的控制数据时，接下来上位机就 会等待下位机相应的测试结果，并做相应处理。同理，下位机每次测试完毕后 通过m o d b u s 总线传送给上位机所有有效的水文参数测量数据，最后上位机对 相关的信息做相应处理、保存数据及显示该远端测控节点的测试结果在液晶显 示屏上。 上位机( 服务器) 下位机( 客户机) 图2 2 系统c s 体系结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 在本章中，我们明确了项目的具体要求，指标。同时按照项目的要求对系 统的总体进行了合理的规划，统筹全局。对系统上位机和下位机的工作原理作 了简单的介绍。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章物理介质界面变化测量探针的研制 3 1引言 在河流模型液位参数测量中，感知液面位置是测试准确的根本。在传统的 河流模型参数测试系统中，按仪器感知水面的方式，可分为接触式水位仪和非 接触式水位仪。非接触式水位仪，如超声式，也有不少产品，但在性能、精度、 价格等方面尚未满足实用要求，目前普遍使用的是接触式水位仪。接触式水位 仪按触水测针测取水位值的工作方式，又可分为跟踪式、探测式和振动式。本 章介绍的物理介质界面变化测量探针是一种新型的介质探针传感器，它具有测 量液面精确、成本低廉等特点瞄儿制。 3 2 物理介质界面变化测量探针的设计 3 2 1 背景技术 物理介质指具有不同物理性能的物质，界面指两种物质之间的接触面，例 如，玻璃杯中的水与玻璃杯之间界面，就是两种不同物理介质( 玻璃、水) 形 成的界面。在工农业生产和日常生活中，都存在如何测量界面在何处形成的问 题。例如，玻璃杯底界面与水面( 空气与水的界面) 距离问题。本发明是发明 一种探针传感器，用于测量从一种界面到另一种界面的变化。 3 2 2 设计内容 ( 1 ) 一种用于测量物理介质界面变化的探针，以下简称该探针： ( 2 ) 该探针采用电子技术、机械加工技术设计： ( 3 ) 该探针具有测量物理介质界面变化功能： ( 4 ) 该探针从一种物理介质到另外一种物理介质时就输出一个电脉冲信号： ( 5 ) 该探针由探针头和测量电路组成： ( 6 ) 该探针的探针头由导电材料( 如金属) 和绝缘材料( 如绝缘塑料) 制造： 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 该探针的探针头可以做成各种形状： ( 8 ) 该探针的探针头可以做成各种大小： ( 9 ) 该探针的探针头与测量电路的连接是有线连接： ( 1 0 ) 该探针可以测量的物理介质界面有：气体与液体界面、气体与固体界 面、气体与气体界面、液体与固体界面、液体与液体界面： ( 1 1 ) 该探针输出的电脉冲信号的宽度和幅度是可以变化的： ( 1 2 ) 对比：目前没有同类探针传感器。 3 2 3 探针的组成原理 图3 - 1 物理介质界面变化测量探针组成原理框图 物理介质界面变化测量探针由测量电路和探针头组成，探针头由两个金属 触点组成，其组成框图如图3 - 1 所示。 ( 1 ) 探针原理说明 如图3 - 1 所示，探针头由两个触点，即触点2 和触点1 组成，两个触点之 间存在电阻，其大小决定于触点之间的物理介质电阻特性。与之相连的测量电 路将电阻大小变化转变成脉冲信号，脉冲的频率或幅度跟随电阻大小变化，该 电路将脉冲信号的参数储存在电路中。当触点之间的介质没有变化时，脉冲信 号的参数不会发生变化；当触点之间的介质发生变化时，脉冲信号的参数会立 即变化，比较电路比较本次采样脉冲信号与上次脉冲信号参数异同，即输出一 个介质变化脉冲信号。 ( 2 ) 探针头设计 9 武汉理工大学硕士学位论文 触点1 引线 图3 2 探针头设计图 如图3 - 2 所示，探针头由套管、触点l 、触点2 、绝缘材料、触点1 引线和 触点2 引线组成，套管用绝缘材料制造，触点用不锈钢制造，触点1 直径与套 管内径相等，触点2 直径小于2 毫米，触点1 与触点2 之间距离不小于1 0 毫米， 触点1 引线和触点2 引线用直径为1 毫米的铜丝制造，触点1 引线和触点2 引 线之间要绝缘，套管内填充绝缘材料。 ( 3 ) 测量电路设计 单片机 触点1 引线界面脉冲输出 卜卜一心冲信号 p 厂一 m t o l ：r 罨线 图3 4 测量电路 如图3 4 所示，探针头的引线1 和引线2 之间的电阻和非门电路、电阻r 和电容c 组成振荡电路，产生频率与探针触点之间电阻成正比的脉冲信号，该 脉冲信号给单片机，由单片机处理后产生宽度和幅度可调节的界面脉冲信号。 该脉冲信号给应用电路使用，可组成如水位测量与控制、石油罐油层分离测量 与控制等二次开发产品。 1 0 武汉理大学硕士学位论文 3 2 4 探针的实物图 囤3 - 5 探针的实物图 3 3 物理介质界面变化测量探针的特性分析 当物理介质界面变化测量探针没入介质中时，其在触点i 与触点2 之间电 流主要集中在一个圆柱形的电场区中如图36 所示，此时两触点为两个电极， 电极问的有电荷的流动。 图3 - 6 触点在电介质中形成的电场 阁中所示，l 为触点1 与触点2 之白j 的垂直距离，s 为触点的表面积，p 为 电介质的电阻率，因此在两触点脚的电阻大概为r ，它由下式( 31 ) 确定： 武汉理工大学硕士学位论文 r p 詈 - ) 利用数学求导方法便可求得电阻的相对变化量。将式( 3 1 ) 两边取对数得： l n r l n p + l n l i n s 再对上式两边微分得： 百d r - 警+ 譬一警 ( 3 2 ) 式中，d r r 为电阻的相对变化；d l l 为两触点间距离的相对变化；d p p 为触 点问介质的变化；d s s 为触点的表面积的相对变化。 在本文中，物理介质界面变化测量探针已经制作出来了，因此l 、s 均为固 定值，因此： 塑。塑 ( 3 3 ) 一_ 一 1 一1j r p 由式( 3 3 ) 知介质探针两触点间的不同介质变化，会产生不一样的阻抗特 性。 3 4 水深、沙面、河床测量原理 由物理学知道，不同的物质具有不同的物理特性：如阻抗特性嘲。 图3 7 物质的阻抗特性 如图3 7 所示，给物质a 一个频率为f a 的电脉冲信号，由于物质a 的阻抗 作用，在物质a 的输出端得到频率为f b 的电信号。显然，假设以固定频率为f a 的电信号作为输入信号，对不同的物质，由于阻抗特性不同，得到的输出频率 不同，可设为f 1 ，f 2 ，f 3 ，等。由频率的相位或幅值差af = f l - f 2 ，即可测 量出不同物质。根据此原理，设计出一种特别的探针，用于检测不同物质组成 的物体层分布情况，如层高。 针对由水、泥沙、河床组成的3 层物体，我们设计出一种水位、泥沙、河 床探针，用于解决河流模型中泥沙的水深测量、沙面测量、河床报警等问题， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 如图3 8 所示，当探针从空气进入水中时，得到第一个频率差f l ；探针从水 中进入沙面得到第二个频率差f 2 ；探针从沙中进入河床，得到第三个频率差 f 3 。已知探针的运动速度v 和不同频率段的时间差at ，即可计算出不同层面 之间的位移( 距离) a s ，a s = v t 。 3 5 本章小结 图3 8 河流模型中各物质层 本章中，详细的介绍了物理介质界面变化测量探针的研制过程，同时对它 的工作特性做了细致的分析。为下文中探针的使用做了良好的铺垫作用。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 1引言 第4 章系统硬件设计 在上章中，重点阐述了物理介质界面变化测量探针的研制过程。本章则重 点介绍本测试系统的硬件部分开发。按照功能分包括上位机硬件开发平台和下 位机远端测试系统。本章将按照各部分的功能详细的介绍系统的硬件开发过程。 4 2 系统上位机硬件设计 为了节约项目开发时间，并且充分考虑到项目的实际需要，因此本系统的 上位机硬件采用q w 4 4 8 0 开发平台为基础，同时在其外部扩展液晶显示屏、触 摸屏、e e p r o m 存储模块、r s 2 3 2 r s 4 8 5 模块，其原理框图如图4 1 所示。 图4 1 上位机硬件框图 其中q w 4 4 8 0 作为整个上位机系统的核心，它是基于三星公司的$ 3 c 4 4 8 0 的嵌入式开发平台，具有信息存储、处理、控制下位机( 远端测试系统) 等功 能。液晶屏作为整个系统的显示输出模块，通过与a r m 板的连接，来显示相关 的人机交互界面。通过触摸屏输入相关的指令来控制下位机( 远端测试系统) 工作。存储模块主要是采用在a r m 7 开发平台外扩e e p r o m 存储芯片，实现测 试数据的保存，系统参数设置的保存。r s 2 3 2 4 8 5 转换模块是上位机和下位机的 桥梁，通过电平转换实现m o d b u s 总线通讯的功能。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 1 q w 4 4 b o 开发平台设计 本系统以s a m s u n g 公司的a r m 7 t d m i 核微处理器$ 3 c 4 4 8 0 为核心，辅以f l a s h 存储器，s d r a m 、电源、晶振和复位电路以及调试用的j t a g 接口和串行r s 2 3 2 等通用接口及提供人机界面的l c d 和键盘接口。系统硬件结构如图4 - 2 。 图4 2q w 4 4 b o 开发平台 4 2 1 1 $ 3 c 4 4 8 0 简介 s 3 c 4 4 8 0 是三星公司为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能 的微控制器解决方案。它采用a r m 公司的a r m t t d m i 内核。其内部提供了丰富的 内置模块，包括8 k b 高性能缓存，l c d 控制器，2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管 理器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带p w m 功能的5 通道定时器，看门狗 定时器，8 通道1 0 位a d c ，i i c 总线控制器，i i s 总线控制器，s i o 接口，7 0 个 通用i o 口，具有日历功能的r t c ，带p l l 的片上时钟发生器n 町n 。其体系结构 如图4 - 3 所示。 4 2 1 2f l a s h 存储电路设计 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失 的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程、 擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式 系统中得到了广泛的应用n 引。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图4 3s 3 c 4 4 8 0 体系结构图 。 作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中主要用来存放程序代码、常量 表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位数据宽度，编程电压为3 3 v 。 本系统中的f l a s h 采用一片s s t 3 9 v f l 6 0 构建1 6 位存储器系统，其存储 容为2 m 字节；a 1 9 0 为地址总线；d q 1 5 o 为1 6 位数据总线；c e # 为片 选信号，低电平有效；o e # 为输出使能，低电平有效；w e # 为写使能，低电平有 效。因为在本系统中，f l a s h 存储器通常用于存放程序代码，系统上电或者复 位后从此获得指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置 到r o m s r a m f 1 a s hb a n k o ，即将$ 3 c 4 4 8 0 的n r c s 接至c e # 端。而f l a s h 的 输出使能和写使能分别接至$ 3 c 4 4 8 0 的h o e 、n w b e 端。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 其电路连接如图4 4 所示。 4 2 1 3s d r a m 接口电路 d d q l d q ： d d q 4 d d q 6 d q 7 d q 8 d 9 q 争 d q l 0 一d 嚏1 1 d q l ： d q l 3 d q l 4 d q l 5 a 1 图4 4s s t 3 9 l v l 6 0 接口图 c i 醴 馘 与f l a s h 存储器相比，s i ) r a m 不具有掉电保护数据的特性，但其存取速度 大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性。因此，s d r a m 在系统中主要用 作程序的运行空间，数据及堆栈区。在系统启动时，c p u 首先从复位地址o x o 处 读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入s d r a m 中运行，以提高 系统的运行速度，同时，系统用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌 入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避 免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微 处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口n3 1 。 本系统选用s a m s u n g 公司的k 4 s 6 4 1 6 3 2 f ，构建1 6 位存储系统，其容量 为8 m 字节。相比于f l a s h 存储器，s d r a m 的控制信号较多，其连接电路也相 对复杂。 如图4 5 所示为1 6 位s d r a m 存储器实际连接电路图。 1 7 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 簿际 啦啦|主：一一一一 啦啦|主：一一一一 o l 2 3 4 5 6 7 s 9 s s 姒m甜魁筋”越越：乏姒m m 姒姒m 灿m 碣诲 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 藕孺 武汉理工大学硕士学位论文 u ， m ， a d d p a2 32d 盯 e a d d e 二2 4 a 0d q 0 4d a - a 1 d d 2 _ ；：5 a 1 d q ： 53 a ：a 2 一，a d d ? - 二：5 2 a q 二 ，0 立：4 3 = c 6 0 = c 6 ： 一， d d 己5 ：9 a；dq3 3d a t j ，二n n 口一：凸 a 4d q 4 1 03 ：a 5 1 0 4 1 0 4一r a d d 暑。3 l 5 o q 5 1 1 3 五= 互6 ， d d 己33 2 郜dq6 1 30 1 d d 曼93 3 a 7 d q ? 4 23 五= 3 d 3 王i ：3 4 a s d q 8 4 ；3 ： 9 一r 互d 3 ；1 1 ：二 yf y 50 土了a 1 0 厂 d 0 置l 二3 5 a 1 0 d q ：0 ， a 1 1 d ql 4 73 j 一 l l a d d 曼：12 0 d q 80 a 1 2 s o3 土：a 1 3 b a 0 d q 3 a d d 乏：2 15 10 = 1 4 a a l d q4 r 5 3 d t a l 5 ，v 1 7 u ) q m i i 聚掰、，蓉 n n 概w 二”o 二r 2 3 9 7 2 2 ；1 ，5 强x 砼矗t s c s t s r s s c 式en s c a s l k 营二o ， ；g s c z xe 强百 2 8 v s v d 啪 4 1l 毒 5 4 v s s l ) d l 2 7 v s 让) d 2 63 1 2 # 5 9 p 护l 西力 9 韬 v s o q l ) d q l 4 3 i i 。 5 2 蚓x d d q 2 4 9 v s s c l 3 ) d l q j 图4 5k 4 s 6 4 1 6 3 2 f 接口图 4 2 1 4j 1 - a g 接口电路 j t a g 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，j t a g 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路 测试访问口( t e s t a c c e s sp o r t ，t a p ) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部节点 进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议。 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。j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串连在一起，形成一个j t a g 链，能实现对各个器件的分别测试。j t a g 接 口还常用于实现在系统编程( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ，i s p ) 功能，如对f l a s h 器件进行编程等。通过j t a g 接口，可对芯片内部所有的部件进行访问，因而 是开发嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前，j t a g 接口有两种连接标准， 即1 4 针接口和2 0 针接口。本系统采用2 0 针接口，其具体电路连接如图4 - 7 所示。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 2 人机接口模块设计 图4 7j t a g 接口电路 人机接口模块是用户与控制器交互的桥梁，本系统的人机接口模块主要是 由液晶屏和触摸屏组成，液晶屏显示系统的界面以及数据采集的波形等信息， 触摸屏用来输入命令，以及相关的参数。 4 2 2 1 液晶显示模块 图4 8 液晶接口电路 本设计采用s h a r p 公司的点阵字符型液晶显示模块，其供电电压为3 3 v 和5 v ，是专门为$ 3 c 4 4 8 0 设计的廉价解决方案，其外形尺寸为3 5 英寸，显示 颜色为1 6 级灰度，分辨率为3 2 0 2 4 0 。图4 8 为液晶接口电路。 1 9 武汉理