（计算机系统结构专业论文）城市地下水质安全监测系统的设计与实现.pdf

人近理一i ：人学硕十学t 蕾论文 摘要 我国是一个淡水资源缺乏的国家，在大连这个沿海城市由于地理条件限制，市民日 常饮用水，工业用水很大程度依赖于地下水资源。而沿海地区地下水受到海水入侵的状 况近些年日益恶化。因此如何及时有效，准确的判断出地下水质的变化情况日益重要。 随着嵌入式技术的飞速发展，已经有很多种水环境监测仪器的研制与应用，极大的 方便了监测人员的工作。但是这些设备大多功能单一，在使用它们进行大范围的多点监 测时会由于某些方面的缺点限制了观测的效果，例如：监测项目单一；线缆消耗量大； 进口设备维护困难；数据传输方式不便等等。本论文根据大连城市地下水质安全监测这 一实际项目的需要，设计了一套基于z i g b e e 通信技术的无线地下水质监测系统，满足 了用户的需求，并为水质安全监测领域提供了一个良好的平台与设计思路。 论文详细介绍了一种基于使用$ 3 c 2 4 1 0a r m 处理器，z i g b e e 和c d m a 无线通信 技术的地下水质监测方案。依掘提出的方案，对系统的软、硬件进行具体的功能划分。 在硬件设计部分采用统一接口，模块化设计，使得数掘采集节点既可以独立工作又可以 融入系统整体。通信协议采用标准工业通信协议与自定义协议相结合的方式满足系统各 部分的需求。然后，针对具体功能模块进行了相应的应用软件设计。最后，为整个系统 设计了详细的测试方案，进一步确定了系统的可靠性与实用性。本文结合系统设计和相 应领域的实际应用，着重对安全监测系统的软硬件设计进行了阐述，并对项目开发过程 中遇到的问题和收获的经验进行了总结。 关键词：嵌入式系统；无线网络；z i g b e e ；地下水质；氯离子选择传感器 火迮理i ：火学硕十学f 秒论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc i t yg r o u n d w a t e rq u a l i t ys e c u r i t y i n s p e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t c h j n ai sac o u n t r yl a c ko ff r e s hw a t e rr e s o u r c e s i nt h ec o a s t a lc i t yo f d a l i a na sar e s u l t o fg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n s ，p u b l i cd r i n k i n gw a t e ra n di n d u s t r i a lw a t e rm o s t l yd e p e n d0 n g r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，t h e i n t r u s i o no fu n d e r g r o u n dw a t e r b y s e aw a t e rh a sb e e n d e t e r i o r a t e dt h es i t u a t i o ni nr e c e n ty e a r si nc o a s t a la r e a s t h e r e f o r eh o we f f e c t i v e l ya n d a c c u r a t e l yd e t e r m i n et h ec h a n g e sg r o u n d w a t e rq u a l i t yi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h e r ea r ea l r e a d ym a n yt y p e so f w a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sw h i c hh a v e b e e nd e v e l o p e d t h e s ed e v i c e sg r e a t l y f a c i l i t a t et h em o n i t o r i n gw o r k h o w e v e r ，m o s to ft h e s ee q u i p m e n t so n l yh a v es i n g l ef u n c t i o n t h a tp e o p l ec a n tu s et h e mi nm u l t i p o i n tm o n i t o r i n gp r o j e c t sa st h es h o r t c o m i n g so fc e r t a i n a s p e c t so ft h er e s t r i c t i o n so no b s e r v a t i o nr e s u l t s 。f o re x a m p l e ：i to n l yc a r lm o n i t o ras i n g l e p a r a m e t e r ；t h ec o s to fc a b l ec o n s u m p t i o n i st o oe x p e n s i v e ；m a n yd i f f i c u l t i e si nt h e m a i n t e n a n c eo fi m p o r t e de q u i p m e n t ；t h ed a t at r a n s m i s s i o ni si n c o n v e n i e n c e a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fp r o j e c t ，a u t h o rd e s i g n saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sg r o u n d w a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e mt om e e tt h en e e d so fu s e r sb a s e do nz i g b e e ，a l s op r o v i d eag o o dp l a t f o r m a n dd e s i g ni d e a si nt h ef i e l do fw a t e rq u a l i t ys e c u r i t y i nt h i st h e s i st h ea u t h o ri n t r o d u c e st h eu s eo f $ 3 c 2 410a r m b a s e dp r o c e s s o r ，z i g b e e a n dc d m aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t h i sg r o u n d w a t e rq u a l i t ys e c u r i t yp r o je c t i nd e t a i l e d ，t h es y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ec a r r i e do u ts p e c i f i cm o d u l e sb yt h e i r f u n c t i o n s i nt h eh a r d w a r ed e s i g nw eu s et h eu n i f i e di n t e r f a c e ，t h em o d u l a rd e s i g nm a k e sd a t a c o l l e c t i o nn o d ec a nw o r ki n d e p e n d e n t l ya n dc a r lb ei n t e g r a t e di n t ot h es y s t e ma saw h o l e t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l su s es t a n d a r di n d u s t r yp r o t o c o la n dt h ec u s t o mp r o t o c o lt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fe a c hp a r to ft h es y s t e m i td e s i g n st h es p e c i f i cs o f t w a r em o d u l e sf o rt h e c o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o na n dad e t a i l e dt e s t i n gp r o g r a mf o rt h ee n t i r es y s t e mt of u r t h e r d e t e r m i n et h eu s e f u l n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h es y s t e md e s i g na n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do ft h ec o r r e s p o n d i n g ，f o c u so nt h es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g na r ed e s c r i b e ，a l s oc o n c l u d et h ep r o b l e ms o l u t i o na n dt h ee x p e r i e n c e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；w i r e l e s sn e t w o r k ；z i g b e e ：g r o u n d w a t e rq u a l i t y ； i o n s e l e c t i v ee l e c t r o d ef o rc h l o r i d e 1 i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 人连理ii 人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 火连理i ：人学硕十学位论文 1 绪论 城市地下水质安全监测是环境安全监测的一个重要领域，是一项有重大实际意义的 研究课题。目前，随着嵌入式技术和无线通信技术的飞速发展，环境安全监测手段也变 得更为多样化，更为高效。从传统的现场取样在实验室分析化验，到使用手持式仪器在 各个测点现场测量方法，再到现在的无线实时监测系统，可以说技术更新十分迅速。 国内外虽然已经有大量的将嵌入式应用技术与安全监测领域相结合的课题，并且也有很 多相关商业产品问世，但是环境安全监测系统的每一种应用都受到地域及具体功能要求 的限制，很难找到通用的解决方案1 2 1 。所以简单的套用已有成型系统势必无法满足具体 工程需要，要根据实际项目要求寻找最佳的解决方案。 1 1 城市地下水质安全监测的课题背景及意义 本课题来源于大连市地下水质安全监测这一实际项目，本教研室需要为监测部门提 供一套完整的解决方案，以供其监测大连市沿海地下水蕴藏地区的水质状况以及受海水 入侵的程度。下面先简单介绍一下大连沿海地区地下水分布地带的自然状况。 海水入侵是沿海地区主要的环境问题之一。大连沿海地区于1 9 6 4 年首次发现了海 水入侵，到目前为止大连市周边地区受海水入侵面积己近5 0 0 k m 2 ，主要集中于南关岭， 周水子等地区。由于大连地处辽东半岛丘陵地带，多山，地表径流较少，因此日常生活 生产所消耗的大量淡水均为地下水资源。而海水入侵对于地下水水质的危害是十分严重 的，主要表现为：使用了海水入侵的地下水会使工厂的设备、管道严重腐蚀，使用寿命 缩短；农业耕地由于使用了海水入侵的地下水灌溉导致土地板结、盐碱化，使粮食，蔬 菜产量大幅下降；居民饮用这样的苦咸地下水使得肠胃病发病率逐年升高【3 l 。造成工矿 企业，当地政府与本地居民的大量经济财产损失。因此及时掌握地下水水质的变化情况 与海水入侵的范围与趋势可以提前采取预防措施，进行科学治理。 早期的地下水质安全监测是由环境安全监测人员在各地测点采取水样，然后回实验 室进行分析化验得到最终数据。这样的监测方法既费时费力又无法做到实时可靠，而且 化验所用器材，试剂十分昂贵【4 j 。近年来国内外的基于嵌入式的监测仪器迅速发展，但 大都功能单一，对于地下水这样复杂的监测对象显得能力不足，且采用线缆连接方式测 量，导致价格依旧高居不下。不适合大连周边的复杂地质环境的应用。 因此，结合监测部门提出的需求以及本教研室的研究方向，本文针对大连地下水质 安全监测这一应用，设计了一套基于嵌入式平台与无线通信网络的实时无线水质安全监 城市地卜水质安全监测系统的设计与实现 测系统，圆满的解决了监测部门的需求，同时也为类似的安全监测系统提供了一个很好 的参考方案。 1 2 课题研究内容与论文结构 本文以大连地下水质安全监测这个实际项目为课题研究背景，综合利用了嵌入式技 术以及无线通信技术，采用了国际上较为先进且使用成熟的三星$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式平台作 为核心控制平台，德州仪器公司的m s p 4 3 0 系列单片机作为数据采集节点硬件，平台结 合超低功耗工业无线通信技术z i g b e e ，设计并实现了一个无线实时地下水质安全监测系 统。 第一章绪论部分作为本论文提纲挈领的章节。在这一部分阐述了论文的所选课题的 实际工程背景与其所具有的研究意义。具体的介绍了地下水质安全监测的重大实际意 义，嵌入式平台在环境监测领域的广阔前景。 第二章的内容阐述了地下水质安全监测系统的总体设计。本文首先对用户的具体项 目要求进行可行性分析与系统需求分析。其次依据总体设计思想，对系统进行了各个功 能模块的划分。在划分好功能模块的基础上构造出整个系统的功能结构框图。最后说明 整个系统的工作流程和软硬件的具体实现方式。 第三章的内容阐述了系统采用的硬件平台，对无线通信网络的选型与架构进行分 析，给出了本系统的组网方式。并且在第二章划分好功能模块的基础上详细说明了每一 个功能模块的设计思想与实现细节。在关键硬件电路部分如：数据采集节点、中继通信 节点等，采用图文结合的方式，通过对设计原理图的详细讲解，务求详尽明了。 第四章的内容阐述了系统各部分的软件设计与实现。在这一章中，首先介绍了嵌入 式操作系统的选型和内核移植，接着实现了$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式平台上的控制系统的软件设 计与基于美国德州仪器公司的m s p 4 3 0 平台的数据采集节点与中继通信节点的程序设 计。然后，详细介绍了数据库部分软件的开发方式和实现功能。最后，对整个系统使用 的两个通信协议s d i 1 2 与自定义通信协议做了解释说明。 第五章的内容给出了本系统开发过程中的各部分测试结果，并且给出一套基于本系 统的相应测试流程。正是这些测试保证了整个地下水质安全监测系统可以安全可靠的运 行。 人近理i ：人学硕十学位论文 2 系统总体方案设计 根据项目的具体要求首先对整个系统进行需求分析，通过相关环境、水利、化学方 面的数据分析与理论支持，确定系统所使用的数据信号源。然后根掘各个传感器不同的 电气与物理特性，设计相关的信号放大电路，a d 采集电路等。在计算出全部监测系统 的节点数量之后设计中继通信节点以达到在工业通信协议与本系统自定义协议之间的 协议转化。最后，确定核心平台的软硬件选型并予以设计实现。各个节点通过z i g b e e 和c d m a 无线网络连接起来，进行指令与数据的传输。 2 1系统需求分析 由于本教研室有着丰富的大型水利土木工程安全监测方面的项目经验，同时在嵌入 式检测仪表方面也有大量的产品与平台。因此，通过对于教研室既有成熟平台的借鉴与 继承，加以研究拓展，那么就可以很好的满足客户对于地下水质安全监测项目的需求。 传感器的选择通过客户提供的测量数据与种类采用了氯离子选择传感器、电导率传 感器、温度传感器、浊度计。参考历史水文数据可以知道，海水中蕴含丰富的氯离子， 因此使用氯离子选择传感器和电导率传感器可以准确的得出地下水中氯离子含量的变 化。由于大连沿海地区海水污染较为严重，所以海水浊度较大，通过浊度计的数据我们 也可以明显的看出地下水被海水入侵的趋势，而温度在所有水质安全监测中都是必须参 考与计算需要的数掘，因此，高精度的温度传感器也是必须的。在嵌入式平台选择方面， 本教研室有大量的1 6 位与3 2 位应用成熟的平台可供选择，在性能与功耗上面完全能够 满足项目的要求。无线通信网络的使用是根据项目具体应用环境而采用的，可以大大降 低成本，而且通过超低功耗的无线通信网络模块的选用，可以满足本系统长期在线实时 监测的要求。在整个系统设计成型之后，通过笔者的丰富的实践经验，设计出一套与之 相配的测试流程，整个系统通过缜密设计的测试方案之后完全符合设计要求。 在满足工程设计需求的前提下，本文进一步研究了如何针对系统应用的实际环境， 设计出最适合于当前应用的系统架构。对于安全监测系统最为重要的就是保证系统的可 靠性，这样才能使系统获得的数据有参考价值。在不影响系统性能的前提下将器件成本 控制在一个合理的范围内，本文在嵌入式硬件的设计方面采用了美国德州仪器公司生产 的1 6 位的m s p 4 3 0 系列处理器和3 2 位的a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 处理器相结合的设计方案。通 过嵌入式微处理器的高低搭配，使其在系统不同的功能模块中能够充分发挥各个微处理 器自身的最大功效。 城市地r 水震安全监删系统的设计与实现 根据大连沿海地区的地理状况与地下水水质船测点分布的特点，即地理位置偏忻、 交通不便利、自然状况恶劣并且绝大多数临测点均位于方阕2 公里的范削内这坦象， 本系统采用z i g b e e 这新兴工业无线通信技术应用于水环境监测领域。相对亍t 纯传 输柬| 兑大大降低了施工布线的复杂性，兄外对十咀往位用的无线传输手段柬境，系统 的灵活性大大提升，功耗有明显下降，另外通信费用也降到了最低。 依据用户水位观测和数扼处理的要求，还为用户提供了配套的控制终端软什，提供 了数扼存储、导出以及定时采集、实时采集等功能：数扼痒配套软件与整个采览系统配 台使用，可以极大地万便用户的监删工作。 22 系统功能模块划分及设计 地下水质安全监测系统按照模块功能 中继通信节点和终端控制系统，如图21 ， 可以分成3 个郴分，分别是：数船采典i 2 是整个系统的结构示意图。 终一_ 控制东辱 i 州i | 韭f ，1j ， 形多冬洌。m u z 】b e e 幽2 1 系统结构示意剀 f i g2i s t r u c t u r eo f l h es y s t e m 下面介绍每个功能模块的设计思路。 数据采集节点，每个节点根据需求搭载不同种类的传感器：氯离子传感器，f l 导率 传感器，温度传感器，浊度计。由】6 位超低功耗单片机与双通道高速1 6 位a d 采集芯 片负责对经连传感器接口电路、滤波电路、放大电路处壬_ | _ 后的信号量的计算。基于列本 系统同后的后续工程与系统扩鹱的考虑，采用统一工业接 - q ，数掘采集甘，i 使用s d i 一】! ；| 一 人连理i ：人学硕十学何论文 协议接收命令与传输数据。这样可以有两点优势：第一，若出现紧急情况，由于每个节 点的接口统一，可以更换实验室用传感器作为单独的手持仪表进行测量；第二，采用的 工业通讯协议，方便监测工作人员定期去现场对节点进行例行检查，现场分析数据。 中继通信节点，这个部分作为整个通信网络的中转通信节点。主要功能有分为两部 分：其一是负责两种通信协议的转换，由于项目要求，前端采集节点采用的是s d i 1 2 通信协议，而主控制端采用的是自定义协议，中继节点负责完成这两种协议的转换；其 二由于s d i 1 2 协议速率较慢，而节点数量较多，为了最大限度降低通讯造成的功耗， 在每次采集之后将通讯模块置于休眠状态，中继节点作为数据缓冲而将采集的数据回传 至主控端。 终端控制部分，这一部分作为系统的控制核心，在以$ 3 c 2 1 4 0 为核心的嵌入式平台 上设计控制软件，负责各种通信指令的下发、数据的接收、数掘分析等，并将数据存入 数据库，如需要生成分析报表，则可以用e x c e l 导出功能。 2 3 系统总体功能设计 在这- d , 节对城市地下水质安全监测系统的设计思想与具体实现做一下概括。根据 工程的具体要求，监测人员应该在主控制端可以远程实时监测各测量节点的即时水质状 况。为了更加便利的监测，主控端软件的功能包括：即时数据采集，定时数据采集，传 感器参数配置，超限报警等功能【5 】。主控端与互联网相连，通过c d m a 网络经中继通 信节点发出数据采集命令。 系统工作前应配置各传感器参数，这些参数包括传感器类型，传感器的一些标定系 数和各节点z i g b e e 模块对应的通信地址。然后可以选择即时采集或者定时采集。采集 指令通过c d m a 网络经中继通信节点到达各子节点，采集节点接收到采集指令后，根 据具体的命令执行相应操作，而后将传感器采集的模拟信号进行处理，变为数字量进行 计算，然后将其按照s d i 1 2 通信协议的标准格式封装好，通过z i g b e e 网络将数据反馈 至中继通信节点。中继通信节点等待此次采集所涉及到的所有节点均响应之后将数据按 照本系统自定义通信协议格式封装好，然后通过c d m a 网络最终传递回主控端。主控 端接收到数据后，根据配置的参数进行处理，然后将各状态数据显示出来，同时将此次 数据存储到数据库中。 本文设计的整个地下水质监测系统的主要工作流程就如上面所述，这里叙述的是系 统最基本的功能和具体实现过程，在下面的章节中将会详细介绍每一部分模块的实现细 节。 城市地卜水质安全监测系统的设计与实现 3 系统硬件平台设计 系统中一切的功能都需要在硬件平台上来实现。我们设计的程序，编写的通信协议， 整个工程的实现目标都是要以优秀可靠的硬件平台为依托的【6 1 。在整个第三章中将详细 的说明整个地下水质监测系统的硬件选型，电路设计，功z 月匕l - , 的实现与拓展的思路。 3 1 系统主控端硬件平台选型 主控端作为整套系统的核心硬件平台将要完成下达各类采集与检测指令，接收数 据，分析处理数据等功能。是整套系统的指挥部，因此选一款合适的硬件平台尤为关键。 为保证核心功能的完美实现，硬件平台应该性价比出众，拥有成熟完备的开发环境，并 经过大量的实践证明。在本套系统中我们选择了以三星公司生产的a r m 9 级别处理器 $ 3 c 2 4 1 0 为核心的硬件平台作为主控端的运行平台。下面就对$ 3 c 2 4 1 0 核心平台的优势 与特点进行一下简述。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是三星公司基于a r m 公司的删9 2 0 t 处理器核，采用o 18 u r n 制 造工艺的3 2 位r i s c 架构微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t ，4 路 d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o 口，r t c ，8 路1 0 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c b u s 接口，l l s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 【7 j 。 这款针对工业级和民用级等多种应用场合设计的性价比较高的3 2 位p d s c 嵌入式微 处理器，其内部还包括以下比较重要的功能模块【8 】： ( 1 ) 内带有m m u ( m e m o r ym a n a g eu n i t ) 内存管理单元，故$ 3 c 2 4 1 0 支持w i n d o w s c e 、嵌入式l i n u x 等多种嵌入式操作系统。 ( 2 ) 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 。 ( 3 ) 完全可编程控制的外部总线接口( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) ，其存储空间可分为8 个1 2 8 mb a n k ，每个存储区都支持8 1 6 3 2 字宽进行读写操作，最大地址访问空间为1 g 。 ( 4 ) 5 5 个中断源。 ( 5 ) 3 个异步串行口，其中一个可设置成红外口。 ( 6 ) s p i 串行口。 ( 7 ) 可编程看门狗定时器。 ( 8 ) l c d 控制器，支持s t n 和t f t 两种l c d 显示器。 ( 9 ) 5 个1 6 位定时计算器。 人连理lj 人学硕十学何论文 ( 1 0 ) 8 路1 0 位的a d c ，支持触摸屏。 ( 11 ) 2 个u s b 主设备口，1 个u s b 从设备。 ( 1 2 ) 1 1 7 位通用i 0 口，2 4 个外部中断源。 同时$ 3 c 2 4 1 0 也提供了较好的电气特性，其工业级产品具有四种工作模式：正常模 式、低能模式、休眠模式和停止模式。可以适应本系统长期在线监测时不同工作状态下 的需要。 基于在核心平台上运行的嵌入式操作系统与监控系统软件需要较大容量的内存与 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器上集成了s d r a m 控制器这两方面考虑，本系统采用s d r a m 类型内 存作为系统内存。 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd r a m ) 内存最大的特色就是可以与c p u 的外部工作时钟同 步，和系统中的c p u 、主板使用相同的工作时钟，可提高内存存取的效率【9 】。本系统采 用的是两片h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 内存芯片，单片容量为4 b a n k s x 8 m 1 6 b i t ， 采用2 片构成6 4 m x 3 2 b i t 的s d r a m 模块。 f l a s h 模块电路是整个a r m 硬件平台所必须的部分。它使用闪存存储器( f l a s h m e m o r y ) 确保在供电电源关闭后仍能保存片内信息，这样操作系统镜像和b o o t l o a d e r 系统启动引导程序等都将保存在$ 3 c 2 4 1 0 所提供的f l a s h 存储器中【1 0 】。 除了上面介绍的一些芯片核心功能部分，本系统硬件平台的核心板上还有一些辅助 电路，它们虽然不是系统运行的核心部件，但是也是系统正常运行不可或缺的组成部分。 其中包括处理器使用的主时钟晶振、辅助时钟晶振电路；减少外界干扰的滤波电容；增 强芯片带载能力上拉电阻；显示处理机运行状态的l e d 等等。它们一起构成了a r m 核 心板的最小硬件系统板。考虑到系统要求达到的性能，核心板将工作在最高达2 0 3 m h z 的高速信号下，为了布线方便，减少外界干扰，采用了在顶层布件，第二层为接地面， 第四层为电源面，其他各层为信号层的六层电路板分层布线的设计。充分的满足了系统 核心控制平台的基础硬件要求。在整个地下水质监控系统中由于核心控制平台要实现的 功能比较多，在平台已有的硬件功能上，我们还需要扩展一些必要的接口来实现系统自 由的功能。下面将介绍核心平台的扩展接口的设计。 3 2 系统扩展接口设计 三星公司提供的$ 3 c 2 4 1 0 核心平台具有各种基础的功能和大量的可扩展引脚。用户 可以通过自行设计扩展平台上的外围硬件电路来实现适合自身的功能。我们通过将核心 平台与外围功能模块分开的设计思路主要考虑以下两点：第一点，$ 3 c 2 4 1 0 核心平台是 具有通用性的，同一系列的产品均继承相同的接口，那么可以为以后系统的性能升级， 城市地下水质安全监洲系统的设计与实现 更新换代带来方便；第二点，自行设计的外围接口可以符合用户定制的要求，同时可以 有效的采用本实验室的一些成熟设计，并起到可加密保护自身知识产权的作用。这样采 用外围扩展电路，采用自定义接口与通用核心处理器电路相结合的方式具有灵活多变， 系统功能可扩展性好，安装使用方便等优势，可以最大的降低用户成本和系统消耗。在 接下来的部分将详细说明地下水质安全监测系统自行扩展的接口的设计思路与实现方 式。 3 2 1 l e d 显示器接口设计 l c d 显示器作为监视整个系统运行状态与下达各种操作指令的人机交互界面是系 统中必不可少的设备。在$ 3 c 2 4 1 0 处理器内部自带l c d 控制器，支持多种类型的彩色 l c d 显示器，如s t n 、t f t 等】。本系统考虑到实际的显示效果和成本，选用了s h a r p 的8 英寸8 0 0 x 6 0 0 的t f tl c d 。通过自行设计的接口电路与$ 3 c 2 4 1 0 处理器自带的 l c d 控制器相连接，扩展方便。l c d 显示器接口电路如图3 1 所示。 c o n 6 v d 咐 12 v d 咐：一 v d 嘲 34 c h d - r 皇暑暑t 56 78 。 一一。” + v 9 1 0 v m 删 l l1 2 v 瞳 v 们 1 31 4 1 51 6 v d o v d t 1 71 8 gho c o n t t ： v d 2 1 92 l d v d t s：铀d 3 3l o d e n甲dd33 v d - 4v d i |婶赫7 2 l2 212 2 32 434 i 一 2 52 6 v d ， l h 2 56 l 一 ，v 呦 2 7 勰 vd2i0 78 盯 ，v 唿 2 93 i d v 嗽 91 0 矗哺d 3 l3 2 3 33 4 兰i 盯； 3 53 6 v 赫 ； l 兰 v p r 睫 3 73 8 v u h 皇 峙l k t 3 94 0 簧m o * 4 14 2 g d 4 34 4 d p o h i - 1 7 4 50 , 6 g h d v h 4 74 8 f v p o h ：le o 4 95 0 ；：l c d；s 5 图3 1显示器接口电路 火连理l ：人学硕十学位论文 3 2 2 通信接口设计 基于本系统的无线网络设计，在核心控制端上扩展了两种通信接口，分别为r s 2 3 2 通信接口与以太网接口，以适应不同的通信模块的要求。r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中 应用最广泛的一种全双工串行接口。r s 2 3 2 被定义为种低速率串行通讯标准【l2 1 。其可 靠传输距离大为约1 0 m ，最高速率为2 0 k b p s 。在串行通讯时，要求通讯双方都采用同一 标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。作为目前工业上使用最多的一 种通信接口，我们采用通用的三线制接法，即使用r s 2 3 2 接口的i u 、t x d 、g n d 三 条线。r s 2 3 2 接口的物理结构。r s 2 3 2 接口连接器一般使用型号为d b 9 插头座，通常 插头在d c e 端，插座在d t e 端。p c 机的r s 2 3 2 口为9 芯针插座。一些设备与p c 机 连接的r s 2 3 2 接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需要三条接口线，即“发送数 据t x d ”、“接收数据r x d ”和“信号地g n d ”1 1 3 】。r s 2 3 2 通信接口在本系统中作 为c d m a 和z i g b e e 通信设备的标准接口。系统核心平台中的$ 3 c 2 4 1 0 处理器具有3 个标准的u a r t 接口。扩展的r s 2 3 2 接口采用工业级的m a x 3 2 3 2 芯片，根据m a x 3 2 3 2 芯片的功能，即每块m a x 3 2 3 2 可以扩展2 个独立的r s 2 3 2 串口，因此本系统使用2 块 m a x 3 2 3 2 芯片扩展了3 个r s 2 3 2 串口，其中一个作为与c d m a 的接口，另外一个作 为与z i g b e e 中心节点的接口，余下的一个留作扩展接口。r s 2 3 2 串行接1 ：3 电路原理如 图3 2 所示。 图3 2串行接口电路 f i g 3 2 i n t e r f a c ec i r c u i to fu a r t 一9 一 城市地卜水质安全监测系统的设计与实现 系统中采用的另一种通信接口是以太网接口，其最主要功能是在系统最初安装时通 过该接口下载操作系统镜像。另外鉴于本系统采用的嵌入式平台具有的便携性，以及在 系统工作时可能的各个不同的工作环境，以太网接口是十分必要的。用户可以通过高速 的以太网接口上传某一阶段所存储的大量历史数掘或者在系统增添新功能时通过以太 网下载更新版本的插件等等，具有很大的实际意义，增加了系统的灵活性和扩展性。 系统采用c s 8 9 0 0 a 芯片作为核心，通过芯片引脚和地址总线以及数据总线的连接， 设计并实现了以太网接口扩展模块。c s 8 9 0 0 a 是c i r r u sl o g i c 公司生产的低功耗、 性能优越的1 6 位以太网控制器，功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层 接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来 适应不同的应用环境。由于这样的优良特性，使得开发流程大大简化，很多成熟的a p i 可以直接应用到对于这个以太网模块的开发中。 3 2 3 数据存储系统接口设计 固态硬盘( s o l i ds t a t ed i s k 或s o l i ds t a t ed r i v e ) ，也称作电子硬盘或者固态电子盘， 是由控制单元和固态存储单元( d r a m 或f l a s h 芯片) 组成的硬盘。固念硬盘的接口规 范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一 致。由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳。其芯片的工作温度范围 很宽( - 4 0 8 5 ) 。目前广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、 电力、医疗、航空等、导航设备等领域。 固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存( f l a s h 芯片) 作为存储介质，另 外一种是采用d r a m 作为存储介质。本系统采用的是基于闪存的固态硬盘( i d ef l a s h d i s k 、s e r i a la t af l a s hd i s k ) ：采用f l a s h 芯片作为存储介质，这也是我们通常所说 的s s d 。这种s s d 固态硬盘最大的优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制， 能适应于各种环境。由于内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰 撞、冲击、振动。这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使 用，而且在硬盘载体发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。 其工作温度范围更大。典型的硬盘驱动器只能在5 到5 5 范围内工作。而大多数固态硬 盘可在1 0 7 0 工作，一些工业级的固态硬盘还可在4 0 8 5 ，甚至更大的温度范围下 工作。因此选择固态硬盘来作为地下水质监测系统的数据存储介质是极其适合的。下面 简述一下扩展的电子硬盘接口设计。 $ 3 c 2 4 1 0 与硬盘之间接口电路分为3 个部分：片选信号、数据信号和控制信号。硬 盘上寄存器分为两组，分别由i d ec s 0 和i d ec s l 选中，d a 0 - d a 2 则用于组内寄存 人迎理r 人学硕十学伊论文 器寻址；用n o e ( 读信号) 接b u f f e r ( 7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 ) 的d i r 引脚来控制缓冲器方向；控 制信号部分因该c p u 与硬盘之间d m a 时序不一致，故采用一块e p m 7 0 3 2 a e t c 4 4 - 7 芯片用于调整其时序。在p i o 模式下，不需要d m a r q 和n d m a c k 信号，d m a 模式 下，这两个信号才起作用。接口电路示意图如图3 3 所示。 gcs4 蓊 卜 勒 罱 黝 卜 i d e _ c s 0 昌 蘩 皇f , c s 5 i d e _ c s l 舌 蔫 o 鬻 o a d d l o a 叩2 篓狻黟7 4 l v 。t h 1 6 2 2 4 影5 豫黯尹 d a 0 n a 2 慧 n 盯a o d a t a l 5 匿 檄彳，7 4 l v t h i 6 2 2 4 5 黟睁 d d o d d l 5 歹 o e 毳 卜d i o r e 黝 k d i o w e i n t 8 羽 溺 i n t r q 删c k l 九i 胁： ：m t a r q m 【d r e q l l - - - - 刈# - - j - - 小：璜协c l 【 玎、跑，黟缴缆锄厂 飞溉么爱缴二鬈施玩劁x 黝援我缓甏：幺熬 图3 3 固态硬盘接口电路示意l 鳖1 f i g 3 3 i n t e r f a c ec i r c u i td i a g r a mo f s o l i ds t a t ed i s k 3 3中继通信节点的设计 在本系统中中继通信节点起到一个通信枢纽的作用，由于前端的采集节点应用的是 工业标准接口设计，应用工业通信协议使得每一个节点都可以单独的与客户已有的工业 数据采集终端相适应。因此需要中继通信节点进行缓冲数据，转换工业通信协议与自定 义通信协议，由于在这部分将建立整个无线数据采集网络的中转站，它的硬件设计要求 达到可靠性高，响应速度快，功耗低的标准。 3 3 1无线数据采集网络的构建 作为基于无线数据传输的地下水质安全监测系统，构建无线通信网络，是整个系统 中非常重要的一个环节。在下面的部分介绍几种目前市面主流的无线通信技术的优缺 点，然后针对本系统的应用，选择了最合适的无线数据传输手段，构建了整个监测系统 的无线通信网络。 城市地。i - 8 质安全监测系统的设计与实现 w i m a x ( 全球微波互联接入) 全称为w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s 。w i m a x 的另一个名字是8 0 2 1 6 。w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入技术， 能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达5 0 k m 。w i m a x 还具有q o s 保 障、传输速率高、业务丰富多样等优点。w i m a x 的技术起点较高，采用了代表未来通 信技术发展方向的0 f d m o f d m a 、a a s 、m i m o 等先进技术，随着技术标准的发展， w i m a x 将逐步实现宽带业务的移动化，而3 g 则将实现移动业务的宽带化，两种网络 的融合程度将会越来越蒯| 4 j 。 w i m a x 的应用前景十分广阔，宽带无线接入技术是各种有线接入技术强有力的竞 争对手，在高速因特网接入、双向数据通信、私有或公共电话系统、双向多媒体服务和 广播视频等领域具有广泛的应用前景。相对于有线网络，宽带无线接入技术具有巨大的 优势，其优势在于拥有更远的传输距离是3 g 标准的1 0 倍；更高速度的宽带接入；丰富 的多媒体通信服务；提供优良的最后一公里网络接入服务。它的窄信道带宽有利于避开 己知干扰，有利于节省有限的频谱资源，同时具有灵活的带宽调整能力，有利于运营商 或用户协调频谱资源。但是目前的缺点是缺乏足够的通信运营商的支持，产品仍然有很 多处于工程测试阶段，缺少成熟的运行平台与应用实例，并且价格高昂，不利于工业领 域的大量使用。 b l u e t o o t h ( 蓝牙技术) 由爱立信、诺基亚、东芝、i b m 和英特尔五家公司于1 9 9 8 年提 出。主要用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2 0 0 0 年做到使移动电 话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电 缆线或红外接口就可进行数据交换。 蓝牙技术是实现语音和数掘无线传输的丌放性规范，是一种低成本、短距离、支持 点到点和点到多点的通信的无线通信技术，蓝牙最早是作为电缆的替代的一种低功耗短