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太原理工大学硕士研究生学位论文 检索式数字水位数据采集系统的研究 摘要 水位的测量是人们掌握水文信息过程中最基本的工作之一，现代化 的水位测量主要是通过水位数据采集系统来实现。许多水位数据采集系 统都要求能长期工作于荒野河道、偏远水库等供电困难的场合，所以设 计具有强大处理能力，高可靠性，低功耗的水位数据采集系统具有十分 重要的现实意义。 检索式数字水位传感器是太原理工大学测控技术研究所自主研发的 一种新型水位传感器，其基本原理是利用不同位置的信号采集电路来采 集水中传播的电信号，从而确定水位的数值。本课题来源于太原理工大 学测控技术研究所中试实验基地新型传感器数据采集系统定型改进实 验。最初设计的检索式数字水位数据采集系统由于检索周期长，测量速 度慢，系统功耗大，远程数据通讯繁杂而很难适用于各种不同应用环境 的要求。为了解决上述问题，提升系统性能，本文针对检索式数字水位 传感器实际工程的使用要求，从检索式数字水位数据采集系统节能降耗 出发，设计了配装检索式数字水位传感器的智能化、低功耗数据采集系 统。主要工作如下： 1 通过大量实验确定了检索式数字传感器水位信号取样电路 m f c 7 7 1 0 的工作方式，单触点采样周期，采样时钟与基准时钟的时序关 太原理工大学硕士研究生学位论文 系以及工作时钟范围等重要参数指标。 2 设计传感器智能变送器电路和电源电路，以实现对检索式数字水位 传感器水位信号取样电路的可靠供电，一次信号的精确采集，采样数据 的远程传送和电源的智能管理。 3 编制了管理中心软件，实现了对检索式数字水位传感器数据采集器 传回的数据进行存储、显示、打印等功能。 4 探讨了检索式数字水位数据采集系统硬件层、软件层低功耗运行的 技术途径，使检索式数字水位数据采集系统更适用于电池供电，长时间 无人看守的场合。 关键字：检索式水位传感器，数据采集，低功耗，智能变送 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h esy s t e mo fd i g i t a lr e t r i e v a l w a t e r l e v e ld a t aa c q u i si t i o n a b s t r a c t w a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ti so n eo ft h eb a s i cw o r kf o rp e o p l et oa c q u i r e h y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o n m o d e mw a t e rl e v e lm e a s u r e m e n tp r i m a r i l yt h r o u g h t h ew a t e r - l e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt oa c h i e v e ，m a n yw a t e r - l e v e ld a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mr e q u i r e sal o n g t e r mw o r ki nt h ew i l d e r n e s sr i v e r s ，r e m o t e r e s e r v o i r sa n do t h e rp o w e rs u p p l yd i f f i c u l t i e so c c a s i o n s ，t h e r e f o r e ，d e s i g na p o w e r f u lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n w a t e r - l e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sag r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ls e n s o ri san e wt y p ew a t e rl e v e ls e n s o r , i t sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yi n s t i t u t eo fm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lt e c h n o l o g yt a i y u a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , a n di t sb a s i cp r i n c i p l e i st ou s et h es i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i ti nd i f f e r e n tl o c a t i o n st oc o l l e c tt h e c u r r e n ts i g n a l st r a n s m i t e di nw a t e rt od e t e r m i n et h el o c a t i o no ft h ew a t e rl e v e l t h ei s s u es t e m sf r o ml l e ws e n s o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi m p r o v e m e n t e x p e r i m e n tb y i n s t i t u t eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g y e x p e r i m e n t a lb a s et a i y u a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b e c a u s et h eo r i g i n a l d e s i g no ft h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e r - l e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sl o n g r e t r i e v a lc y c l e ，s l o ws p e e dm e a s u r e m e n t ，l a r g ep o w e rc o n s u p t i o n ，c o m p l e x r e m o t ed a t ac o m m u n i c a t i o n s ，a n di ti sd i f f i c u l tt o a d a p t av a r i e t yo f e n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s i no r d e rt oa d d r e s st h e s ep r o b l e m s ，i m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，a g a i n s tt h eu s eo f t h ea c t u a lp r o j e c tr e q u i r e m e n t sf o rt h e d i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ls e n s o r ，i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gf r o mt h ee n e r g y s a v i n go ft h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d e s i g na n i n t e l l i g e n ta n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf i t t e dw i t ht h e m 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ls e n s o r m a i na c t i v i t i e sa sf o l l o w ： 1 t h r o u g hn u m e r o u se x p e r i m e n t sc o n f i r mt h ew o r k i n gm e t h o d so ft h e d i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ls e n s o rs i g n a ls a m p l i n gc i r c u i tm f c 7 7 10 ，m a k e s u r et h es a m p l ec y c l eo fs i n g a lc o n t a c t ，t h er e l a t i o nb e t w e e ns a m p l ec l o c ka n d r e f e r e n c ec l o c ka n do t h e ri m p o r t a n t p a r a m e t e r s 2 d e s i g no ft h ep o w e rs u p p l yc i r c u i ta n di n t e l l i g e n ts e n s o rt r a n s m i t t e r c i r c u i t ，i no r d e rt oa c h i e v et h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ls i g n a ls a m p l e c i r c u i t p o w e rs u p p l yc r e d i b l y , s i g n a ls a m p l ea c c u r a t e l y , s a m p l i n gd a t a l o n g d i s t a n c et r a n s p o r ta n dp o w e rs u p p l yi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t 3 c o m p i l et h em a n a g e m e n tc e n t r es o f t w a r et oa c h i e v es t o r a g e ，d i s p l a y , p r i n t i n ga n do t h e ro p e r a t i o n st ot h ed a t at r a n s m i tf r o mt h ed i g i t a lr e t r i e v a l w a t e rl e v e ls e n s o rd a t as a m p l i n ge q u i p m e n t 4 d i s c u s s e dt h e l o w p o w e rd e s i g no p t i o n so fp h y s i c a ll a y e r a n d s o f t w a r el a y e ri nd i g i t a lr e t r i e v a lw a t e r - l e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s ot h a t t h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e r - l e v e ls e n s o rm o r es u i t a b l ef o rb a t t e r y p o w e r e d ，l o n g t i m ew i t h o u tp e o p l eg u a r d so c c a s i o n s k e yw o r d s ：t h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e rl e v e ls e n s o r ，d a t aa c q u i s i t i o n ， l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ，i n t e l l i g e n tt r a n s m i t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表目录 图1 1 原有检索式数字水位数据采集系统主体框图4 图2 1m f c 7 7 1 0 封装图一8 图2 2m f c 7 7 1 0 内部结构框图一9 图2 3 检索式数字水位数据采集系统总体结构框图1 0 图3 一l 检索式数字水位采集器的硬件框图1 3 图3 2m s p 4 3 0 f i3 5 结构框图1 5 图3 3 智能变送器硬件原理图1 6 图3 4m s p 4 3 0 f 1 3 5 的基础时钟模块结构一1 7 图3 5 采样时钟与水位数据脉冲时序图1 8 图3 6m s p 4 3 0 f 1 3 5 和1 4 针仿真插座连接电路2 0 图3 7 智能变送器通信组成模式2 2 图3 8r s - 4 8 5 通信电路2 2 图3 - 9u a r t 数据帧格式一2 3 图3 1 0u a r t 传送波形图2 3 图3 1 l 串口通信接口电路2 4 图3 1 2 串口通信接口选择电路2 4 图3 1 3r s - - 4 8 5 转r s 一2 3 2 通信接口电路2 5 图3 1 4r s - - 4 8 5 转r s 一2 3 2 通信接口实物图2 6 图3 1 5 稳压电路2 6 图3 1 6 复位电路2 7 图3 1 7r s 4 8 5 两级防雷电路一2 9 图3 1 8 检索式数字水位采集器软件功能框图3 l 图3 1 9 检索式数字水位数据采集装置程序主流程框图3 1 图3 2 0 检索式数字水位数据采集装置中断处理程序流程图3 2 图3 2 1 检索式数字水位数据采集装置的初始化程序框图3 3 图3 2 2 采样时钟发生流程图3 8 图3 2 3 水位数据采集与滤波处理软件流程图3 9 图3 2 4 串行发送流程图4 0 图4 一l 水位信息管理平台总体结构4 4 图4 2 通信示意图4 7 图4 3 通信模块处理流程图4 8 图4 4 水位信息管理平台启动界面5 5 v 太原理工大学硕七研究生学位论文 图4 。5 运行中的水位信息管理平台主界面，5 6 图4 6 水位信息管理平台系统维护操作界面5 7 图4 7 数据备份选择对话框5 7 图5 一l 电源管理框图6 1 图5 2 变送器主程序流程示意图6 3 图5 3 系统调试实验电路6 4 图5 4 主要模块不问断工作功耗分布示意图6 5 图5 5 主要模块休眠状态功耗分布示意图6 5 表3 1 采样时钟与响应速度1 7 表3 2 微控制器主要应用端口功能3 5 表3 3 各种工作模式、各控制位和3 种时钟的活动状态3 7 表5 1 主要模块功耗对比6 4 v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：二乙增三一日期：善坐昱荦剑獾盈l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名： 导师签名： 土绛二一日期：赴型幽纽艮一 黔_ 二? 憎m ：矗 ：t 一，： 乙：。：1日期： h 屯k 。o 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究的背景和意义 水是我们人类赖以生存的重要资源。在我国由于人口和经济不断增长，对水的需 求也在不断的增加，然而同时由于污染等问题使得可用的水资源不断减少。我国水资 源的分布也极为不均，一些地方持续干旱造成粮食颗粒无收，而另外些地方却洪水 不断，这都给我国国民经济造成了严重的损失。合理的开发、调度、利用水资源是我 国未来可持续发展的重要保障。要实现对水资源的科学使用，及时准确地掌握相关水 文信息至关重要。 水位的测量是人们掌握水文信息过程中最基本的工作之一。管理人员随时掌握水 位变化情况，一是可以据此进行合理调度，满足各用水户的需求；二是可以保证堤防等 水利设施的安全；三是可以按照测流断面的水位流量关系进行水量计算，为按方收费 提供可靠数据。以前管理人员要随时掌握水位变化情况，必须长期驻守监测点。人工 对水位信息进行记录和报送，这极大地限制了测报的速度和测报的范围。随着近几十 年来传感器、计算机、数据库、通信、检测等技术的飞速发展，各式各样的自动化系 统被大量应用于水位测量。水位的自动测量主要依靠水位传感器实现，作为一次仪表 的水位传感器取得测量信号后，再由二次仪表进行数据处理，完成一次水位采集过程。 因此，水位传感器就成了能否自动完成观测任务、结果是否准确可靠的关键设备 【4 】【6 1 【1 2 】。 目前国内外应用较多的水位传感器如：浮子式传感器、超声波水位传感器、压力 式水位传感器等。这些传感器大多需要将水位信息转化为电信号模拟量后，通过适当 地调理将信号送给模拟数字转换器转换为可进一步处理的数字信号，这不可避免地引 入了模数信号转换环节所产生的误差和干扰。同时以上诸类型传感器在温度变化范围 大、含有泥沙、污物和腐蚀性等复杂水质环境下均无法精确测量，限定了其通用性。 为了很好解决上述难题并推动我国水位传感器向数字化、集成化、智能化、网络化发 展这一国际趋势，太原理工大学测控技术研究所在成功研制出感应式数字水位传感器 ( 专利号：z l 9 6 1 1 0 7 3 5 9 ) 并将其推向市场的基础上，经过几年的自主摸索，又研发 了一种全数字化的新型水位传感器：检索式数字水位传感器( 专利号： 太原理工大学硕士研究生学位论文 z l 2 0 0 3 1 0 1 0 9 6 3 1 9 ) 。该传感器较彻底地回避了模拟量检测易受温度、电磁场干扰等 不稳定、不可靠因素的影响，可靠性稳定性适用性大大增强，解决了与数字化网络接 轨问题。在温度变化范围大、含有泥沙、污物和腐蚀性等复杂水质环境下，该传感器 也能够精确测量。要使这种新型的传感器在实际工程中发挥其优良品质，设计与检索 式数字水位传感器相配套的数据采集系统意义重大。 在水位数据采集、监测工作中，经常遇到在荒野河道，偏远水库等供电困难的场 合下长时间采集记录变化缓慢的水位数据，这对水位数据采集系统提出了如何节省电 能以使系统工作时间更长，如何通信以使数据传输距离更长，如何设计才能便于安装 维护等技术要求。因此对检索式数字水位数据采集系统进行嵌入式、智能化、低功耗 设计是其应用于实际工程的必由之路1 0 l i h 1 3 1 。 1 2 国内外研究现状 步入新世纪，在计算机网络、通信技术、自动化技术、遥感技术、传感器技术以 及大规模集成电路的飞速发展的推动下，水位数据采集系统已取得了长足的发展。现 代水位数据采集监测不只是在大型水利工程和工业自动控制中应用，高楼大厦的高位 水箱、水塔、城市地下水道管网、地下水池水井等地方都需要对其相应的水位信息进 行监控。目前国内外在水位数据采集方面采用的技术和产品不少，归纳起来其数据采 集系统分为以下几种： 1 通过常见的浮子式、连通器式、吹泡式、压差式、电容式等不同类型的水位 传感器将水位信息转化为电信号模拟量( 如电压、电流或电脉冲等) ，再通过适当的信 号调理将信号送给模拟数字转换器( a d c ) ，使其转换为可以进一步处理的数字信号送 给数字信号处理器或微处理机并进行存储、计算、处理和显示。随着微电子技术的不 断发展，超大规模c m o s 集成电路芯片性能不断增强，许多采样器件内部集成了大 量新的功能部件，如基于标准总线、具有海量数据存储深度、高速d s p 能力和超高速 a d ，由这些器件所组成的数据采集系统具有良好的采样静态性能指标( 分辨率， 量化误差和量化噪声，输入范围，积分非线性误差等) 和动态性能指标( 采样率和转 换时间，动态积分非线性误差和动态微分非线性误差，谐波失真、最坏谐波、总谐波 失真和总谐波加噪声失真，信噪比、信噪失真比和动态有效位数，无杂散信号动态范 围等) ，这使得其用户为数众多。国内外现有的水位采集系统绝大部分都是基于此种 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 类型的例【3 9 1 1 4 例。 2 应用数字水位传感器直接将水位信息转化为数字量，采集系统直接对传感器 输出的数字量进行采样，统计，运算，存储和显示【3 5 1 。此类数据采集系统避免了使用 模拟数字转换器( a d c ) ，这可以消除由模拟数字转换器所产生的误差和干扰，同时数 字信号更有利于传输，存储和处理。太原理工大学测控技术研究所所研发的检索式数 字水位传感器就属于此类。检索式数字水位传感器是按照全数字化思想设计的，由大 量的逻辑电路组合，应用集成电路和芯片技术将传感器信号取样电路、数据变送电路 以传感器专用集成芯片的形式集成在半导体芯片上。传感器在使用时垂直安装于水 中，当水位上下变化时相应的取样电路向中枢电路发出信号。具体而言就是，检测水 位时，c p u 对若干取样电路发出水位检索指令，由信号发送单元从传感器底端发出 信号，通过水传递给取样电路，使取样电路实现o ”与“l ”的翻转，从而实现信号采集。 通过多路选通电路选通，再由检索电路统计选通电路输出的信号，最后将统计好的水 位信号通过系统总线传输到c p u ，再由c p u 进行变送、输出。检索式数字水位传感 器的研究采取的数字化采集物理量数据的方式，解决了“温漂”、“数字化”接轨问题， 大大地提高了传感器的可靠性、稳定性。并为工业自动化控制中普遍存在着检测数据 的稳定性可靠性研究找到了一条新方法，新道路。 1 3 课题的来源和主要研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题来源于太原理工大学测控技术研究所中试实验基地新型传感器定型改 进实验，该项目受国家“8 6 3 ”计划项目资助( 2 0 0 6 a a 0 4 2 1 7 0 ) 。测控技术研究所原 有的检索式数字水位数据采集系统主要由级联的若干水位信号取样集成电路 m f c 7 7 1 0 ，集数据采集和数码显示驱动为一体的数字信号变送集成电路m f c 7 7 2 0 和电源电路组成。系统主体框图如图1 1 所示。 太原珲工大学硕士研究生学位论文 感应触点感应触点 感应触点 图1 1 原有检索式数字水位数据采集系统主体框图 f i g 。1 1m a i nd m g r a mo ft h eo r i g i n a ld i g i t a lr e t r i v a lw a t e r l e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 当接通电源后，数字信号变送集成电路m f c 7 7 2 0 就不断向级联的水位信号取样 电路m f c 7 7 1 0 发送采样脉冲，级联的水位信号取样电路通过数据线源源不断将自身 各触点状态返回给数字信号变送集成电路m f c 7 7 2 0 并直接通过驱动四位数码管显示 水位信息。这种系统由于信号变送集成电路m f c 7 7 2 0 自身不具备编程的功能，无法 对采样时钟的发送和数据的接收按实际应用环境的不同进行智能化的控制。电源的不 可控，使该系统只适用于供电稳定且要求直接在现场显示测量水位数据的场合。要使 该系统能够对电源进行控制并根据用户的需要通过某种通信方式将测得的水位数据 传送至远方监控中心，就必须在原系统的基础上添加微控制器，这样一来系统结构将 较为复杂，器件冗余，功耗增大不可避免，系统的稳定性也受到影响。设计工作稳定， 运行智能化，远距离数据传输，节省电能的全新低功耗检索式数字水位数据采集系统， 对该系统将来应用于低功耗的“水文信息监控网络”进行了有益的尝试。 1 3 2 课题的主要研究内容 针对检索式数字水位数据采集系统实际工程需要，设计内容包括：对检索式数字 水位传感器信号取样电路m f c 7 7 1 0 进行采样驱动；一次信号的精确采集：采样数据 的远程传送；对传感器系统进行“休眠”“唤醒”等智能降耗控制；远方监控中心信息管 理平台建立。 ( 一) 检索式数字水位传感器智能变送器电路嵌入式设计 1 向传感器水位信号取样电路提供采样检索时钟，工作时钟频率范围为： 2 0 0 k h z 7 0 0 h z 可调。 2 精确采集级联的数字水位信号取样电路m f c 7 71 0 所返回的“o ”和“l ”数字信号。 3 对采集到的数字脉冲信号进行高速精确统计处理。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 进行抗干扰设计和电路封装设计。 ( 二) 采样数据的远程传送接口电路设计 1 设计远程通信接口电路，实现采样数据的发送与控制命令的接收。 2 对收发接口电路进行抗干扰设计，将发送接收误码率降至最低。 3 设计备用通信接口电路，实现数据通信方式的灵活选择。 4 进行抗雷电、电磁干扰设计。 ( 三) 检索式数字水位数据采集系统供电电路，智能控制电路设计 1 设计供电电路，实现对整个系统可靠供电。 2 设计主控电路实现对电源电路，信号采样电路，通信接口电路集中控制调度。 3 设计传感器休眠、唤醒功能控制，实现整个系统低功耗使用。 4 自动恢复功能。保证采集系统程序出错或意外死机时可重新启动恢复正常运 行。 ( 四) 远方监控中心信息管理平台设计 1 设计人机交互界面。 2 编写后台通信服务程序。 3 编写采样方式可选控制程序，用户可选择连续采样，定时采样和任意时刻命令 采样。 4 编写数据库程序，实现数据的存储、显示、查询、打印等功能。 1 4 论文总纲 本文分别从检索式数字水位数据采集系统的硬件、软件、通信协议、降耗措施、 试验分析等几方面详细进行阐述。 第一章绪论，首先介绍了检索式数字水位数据采集系统的研究背景和意义，详细 分析了国内外水位数据采集系统的分类和发展状况。就目前检索式水位数据采集系统 研究现状和在实际应用中存在的问题提出了本课题的设计目标，简介了课题主要的设 计工作内容，最后阐明了文章的组织结构。 第二章检索式数字水位数据采集系统原理分析与总体设计，首先简介了检索式数 字水位数据采集系统的关键技术，然后提出了系统整体设计构思并结合系统结构框图 详细介绍了检索式数字水位数据采集系统的工作原理，阐述了检索式数字水位数据采 太原理工大学硕士研究生学位论文 集器( 下位机) 和水位信息管理平台软件( 上位机) 的功能设计，最后简要介绍了本 系统的特点。 第三章检索式数字水位采集器嵌入式软硬件设计，首先对检索式数字水位数据采 集器在系统中担任地主要功能进行了简要的介绍，然后提出了该装置的总体设计思 路，并根据总体设计思路将总体功能细分成各个子功能模块，最后以先硬件后软件的 结构对各个子功能模块进行了详细的介绍。硬件方面包括：智能变送器电路、通信接 口电路、电源电路、复位电路、防雷与抗干扰电路。软件方面主要有：系统初始化子 程序、采样时钟发生子程序、水位数据采集与处理子程序、水位数据串行通信子程序。 第四章水位信息管理平台软件设计，主要阐述了水位信息管理平台软件的设计， 并详细解释了数据的传输过程，相关属性的意义和控制过程，数据库类型的比较、建 立与维护等。简介了用户介面的运行操作，最后给出了水位信息管理平台软件运行的 部分结果。 第五章系统低功耗设计与测试，探讨了检索式数字水位数据采集系统实现低功耗 的途径，通过试验验证低功耗措施的实际效果，并对测定的试验数据进行了分析。 第六章全文总结，主要是根据测试的结果对系统性能进行了分析和评估，并对本 课题所设计的检索式数字水位数据采集系统的不足之处进行了总结，提出了下一步改 进的设想以及对这个课题未来的展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章检索式数字水位数据采集系统原理分析与总体设计 2 1 检索式数字水位数据采集系统关键技术概述 检索式数字水位数据采集系统对水位的检测脱离了传统的模拟量检测的思路，运 用了智能化、数字化的全新设计思维将“神经元电路水位信息取样”、“数字化检索式 检测”、“数字化数据处理”及“电源智能化管理”等技术应用其中。检索式数字水位采 集系统信号采样、处理、变送实现了全数字化，较彻底地回避了模拟量检测受温度、 电磁场干扰等不稳定、不可靠因素的影响，可靠性稳定性适用性大大增强，解决了与 数字化网络接轨问题，在温度变化范围大、含有泥沙、污物和腐蚀性等复杂水质环境 下也能精确测量。 2 1 1 水位信息取样的基本理论 一个人如果站在水中，即使闭上眼睛也能知道水淹没到自己身体的哪个部位。这 是由于人体遍布着神经细胞，每个细胞相当于一个传感器，众多的神经细胞组成了神 经网络，向神经中枢( 大脑) 输送信息。目前的研究表明，生物神经网之间的信息传 递主要是以电脉冲的形式进行的。生物通过各个感观神经元将外界信息，经过神经轴 索，送入大脑神经中枢，经大脑处理后的信息，再由神经轴索伸向各功能器以支配生 物的各种行为【l 】。 检索式数字水位信号取样电路就是按照这一仿生物学的思路，运用仿神经理论设 计而成。具体而言就是研究一种对水敏感的感应神经元电路，将这种神经元密布于一 根棒上就可以组成一条水位神经线，通过各个感应神经元将水位信息统计起来，即可 完成水位信号的数字化采集嘲。由于自然水能够传导电信号，这就为利用电信号在水 中传导特性实现水位信号的采集提供了可能，检索式数字水位信息取样电路就是利用 电信号在水中的传导率和在空气中的传导率不同这个特性来实现水位信号取样的。具 体就是采用大规模比较器阵列对若干水位感应触点进行逐个比较，暴露于空气中的感 i 应触点与浸没于水中的感应触点形成了不同的比较输出，这样水位取样电路中每个神 经元触点都是以开关脉冲的形式输出数字信号，经过统计后，所测量到的水位数据即 可得出。 检索式数字水位取样电路是按照全数字化思想设计的，由大量的逻辑电路组合而 7 太原理工大学硕士研究牛学位论文 成，线路复杂而密集，所带来的问题是电路密度大、离散性大。为了解决电路一致 性、稳定性、微小型化等问题，检索式水位传感器信号取样电路集成为数字化芯片 m f c 7 7 l o 。图2 一l 为m f c 7 7 1 0 封装图。a 0 a 7 为八通道水位取样电路感应触点； v r e f 为参考电压；r i n 为偏置电阻；v d d 为电源输入端；d s i 是串行数据输入端； d s o 是串行数据的输出；c k i 是同步时钟输入；c k o 是同步时钟输出；g n d 接地。 q 4 - 害量吾署吞量兰差 2；爱譬乏譬等2 图2 1m f c 7 7 1 0 封装图 f i g 2 1f i g u r ep a c k a g i n go fm f c 7 71 0 每个数字化芯片m f c 7 7 1 0 其内部主要是由电压比较器阵列对8 个间隔为标准1 厘米的测量触点进行检测。将焊接有若干水位信号取样集成电路m f c 7 7 1 0 的电路板 置于一个用绝缘材料制成的支撑骨架上，若干由非磁性、耐腐、导体材料制成的水位 测量触点以直线形排列，相邻两触点之间间隔l c m 距离( 此时水位测量分辨率为i c m ， 也可根据实际测量精度需要调整相邻两触点间距) ，水位测量触点通过引线与电路板 相连接。除外露触点和接口器件外，整体由环氧树脂或其它绝缘材料浇铸后成为一个 棒式全固体水位感应标尺，以有效地保障水位取样电路正常工作，防止水的渗入【3 1 。 水位取样电路以柱状标尺形式封装，垂直安装于水中，当水位上下变化相应淹没某个 测量触点时，该电路产生触发性翻转，输出信号由“1 ”变为0 ”，当水面离开某个测量 触点时输出信号由o ，变为“1 ”，然后将测得的0 ，“1 1 并型数据经过反相器反相后，分 别存放入芯片内部与8 个测量触点相对应的8 个寄存器中。水位取样集成电路 m f c 7 7 1 0 内部结构框图如图2 2 所示。在实际使用中，若干个m f c 7 7 1 0 之间通过2 线串行方式级联，萁上的测量触点组成一条水位神经线，构成了一个水位电子标尺。 根据传感器测量量程要求，通过公式：壤= n ( x - 一传感器量程；n 二一集成芯 ，u 片个数) 即可计算出检索式水位传感器取样电路所需数字化集成芯片m f c 7 7 1 0 的个 数。 太原理工大学硕士研究生学位论文 垒皿 a 1 ： 砑 丝 业 趔 水位取样集成电路m f c 7 7 1 0 电 压 比 较 器 阵 噜再赫i ! 1 i 并 富 转 换 2 1 2 检索式检测技术 l 输 l 出 训霁 i 器 采样时钟输出 c k o 图2 - 2m f c 7 7 1 0 内部结构框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fm f c 7 7 1 0 串行数 据输出 d s o 检索就是按照一定的方法从各种信息中找出所需相关信息的过程。检索式数字水 位数据采集系统中的检索主要是指对水位取样电路测量感应触点所得到的感应状态 按照一定规则进行读取。具体工作时，由级联的水位信号取样电路m f c 7 7 1 0 所组成 的水位电子标尺置入水中后，各感应触点将各自所感应到的外界状态并以“l ”“o ”高低 电平的形式分别存入各触点所专属的寄存器中。当检索开始时，控制器向级联的水位 信号取样电路m f c 7 7 1 0 发送采样时钟，级联于最末端的数字化芯片m f c 7 7 1 0 内部 的检索机构将最先与采样时钟同步，依次将本芯片内部8 个感应触点所对应的寄存器 中的数据按从下到上的顺序依次弹出，经过并串转换机构以串行数据方式传递出去。 然后依次是末端第二片数字化芯片m f c 7 7 1 0 ，第三片直到所有芯片的所有感应 触点状态都弹出。、这样就完成了对所有测量触点的一遍检索。 检索式测量最大的优点是若有个别感应触点发生损坏失去了感应能力，其它感应 触点依然能独立感应。只要损坏触点数目不超过整体感应触点数目的1 ，检索剩余 未损坏的感应触点状态依然可以测得较为准确的水位数据。在实际使用精度要求不高 的场合下，损失部分精度，整体系统仍然能正常工作，这大大增强了检索式数字水位 数据采集系统的可靠性，延长了传感器的使用寿命。将检索式数字水位数据采集系统 应用于各种复杂环境下水位的测量，可以大大拉长系统人工维护的周期，降低系统运 行成本，特别是在对荒野河道，偏远水库，地下暗渠等恶劣环境条件下水位信息的采 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 集意义重大。 2 2 系统总体设计方案 鉴于检索式数字水位数据采集系统经常在荒野河道、偏远水库、地下暗渠等环境 复杂，供电困难的场合下长时间采集记录变化缓慢的水位数据。本设计的整体方案就 是以智能控制、节能降耗、便于安装维护为核心设计思想，简化系统底层硬件结构， 消除器件冗余，采用微功耗处理器取代原有的数字信号变送集成电路m f c 7 7 2 0 ，以 实现对水位信号取样电路检索驱动，数据采集，电源管理，数据的处理与远距离传输。 设计操作方便、界面友好的远方监控中心信息管理平台，以实现良好的人机交互。 2 2 1 系统总体框图 检索式数字水位数据采集系统是通过对水的电化学特性的研究，利用电信号在水 中能够传导的特性来实现水位信号取样，进而进行数据采集、统计、报送。系统总体 结构框图如图2 3 所示。 图2 3 检索式数字水位数据采集系统总体结构框图 f i g 2 3t h em a i ns t r u c t u r ed i a g r a m o ft h ed i g i t a lr e t r i e v a lw a t e r - l e v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 本系统包括上位机系统和下位机系统两个部分。上位机系统为水位信息管理平 台，位于远方监控中心，实现对水位数据的存储、显示、查询、打印等功能，下位机 系统( 检索式数字水位数据采集器) 主要由传感器供电电路，水位信号取样电路，智 能变送器电路和数据通信接口电路四部分组成，位于水位监测点现场。 1 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 系统工作原理 测量时，智能变送器通过采样时钟线向级联的m f c 7 7 1 0 发送采样脉冲，级联的 m f c 7 7 1 0 接收到采样脉冲时钟序列后，依次将各个测量触点所对应的寄存器中的测 点状态数据弹出，并通过芯片内部的转换电路与采样脉冲时序同步进行串行输出。智 能变送器同步对级联的m f c 7 7 1 0 返回的脉冲序列进行采集，进而统计出有效脉冲个 数，即可得出有多少个感应触点浸没在水中，水位信息值进而由变送器内部通过公式 计算得出，并通过智能变送器的数据输出端口传送至远方监控中心上位机中供管理人 员进行各种处理，智能变送器随即控制传感器供电电源电路使传感器系统进入休眠状 态，这样就完成了对水位的一次检索式测量，直到下一次检索指令到来又重新开始。 2 2 3 系统主要特点 ( 1 ) 系统高度集成化 检索式数字水位数据采集系统采用了集成电路工艺技术，把复杂的水位信号取样 电路集成在很小的数字芯片m f c 7 7 1 0 上，有力地推动了检索式数字水位数据采集系 统向集成化、芯片化方向上发展。其性能优越，安装和使用都卜分方便。 ( 2 ) 水位信号采集、传输全数字化 通常所说的数字化，是指输出的模拟信号通过a d 转换成数字信号。检索式数 字水位传感器通过刻度采集水位信号，从开始采集水位信号就实现了数字化，经过内 部电路处理后输出仍然是数字信号，克服了传统数据采集不可避免的“温漂”问题，实 现了与数字化网络接轨。 ( 3 ) 低功耗 从检索式数字水位数据采集系统节能降耗出发，对检索式数字水位数据采集系统 物理层如各种芯片的选型，软件层如工作方式等进行了低功耗设计，最大限度地降低 了系统功耗。 ( 4 ) 人机交互方便 进入水位信息管理平台用户界面，点击按钮就可以完成各种操作，无须特殊培训， 轻松上手。 太原理工人学硕十研究生学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了检索式数字水位数据采集系统水位信息取样原理和检索式检测技术， 阐述了本系统核心设计思路，给出了系统设计总体结构框图，并结合框图详细说明了 系统工作原理，最后对所设计的系统特点进行了介绍。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章检索式数字水位数据采集器嵌入式软硬件设计 3 1 检索式数字水位数据采集器硬件设计 检索式数字水位采集器的主要功能是对水位信息进行取样，进而对取样后的数据 进行检索式采集，经过相应运算后将水位数据通过通信接口上传计算机。根据检索式 数字水位采集器的这些功能要求，该装置的硬件主要由以下几个部分组成：智能变送 器电路、远程通信接口电路、系统电源电路、供电控制电路和其它如：防雷击、抗干 扰等相关电路。检索式数字水位采集器的硬件框图如图3 1 所示。 图3 - 1 检索式数字水位采集器的硬件框图 f i g u r e3 - 1h a r