（计算机应用技术专业论文）尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水利安全监测是为满足江河、水库、水电厂、城镇等防洪调度的需要，采用现代科 技对信息进行实时采集、传输、处理及预报的自动化技术。它是有效解决江河流域及水 库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段。它在江河流域防洪、工程施工、 水库安全度汛和电厂经济运行等方面发挥了重大作用，已为世界各国所普遍采用。 安全监测系统的建立，可迅速、准确地掌握上游可能发生的洪水，对水库的防洪安 全是十分必要的。可及时地为有关部门提供可靠的水情信息，为采取正确的防备措施提 供决策依据。尤其在施工期洪水预报方面，可使工程施工部门在洪水来临之前采取有效 措施，使得洪水灾害的损失减少到最低限度。 尼尔基水利枢纽是以防洪和工农业供水为主的大型控制性水利枢纽工程。担负着枢 纽下游的齐齐哈尔市及尼尔基齐齐哈尔区间两岸农田的防洪安全，而且对嫩江下游及 松花江干流的哈尔滨市也有较大的防洪效益。同时该工程也是实现“北水南调”的重要 水源工程。 本系统是应实际工程需要开发设计的。通过勘察和分析尼尔基水利枢纽现场环境， 利用现代嵌入式技术，采用基于x s c a l e 内核的p x a 2 5 5 处理器为硬件系统核心，移植 嵌入式w i n d w o sc e 作为操作系统，并在此基础上开发相应的设备驱动程序和系统的应 用程序。该系统目前己在尼尔基水电枢纽试运行3 个月，运行稳定，反馈效果良好。本 文结合系统建设和国内该领域的实际应用，着重对安全监测系统的软硬件设计进行了阐 述，并对相关的技术进行了探讨。 关键词：安全监测；嵌入式系统；p x a 2 5 5 ；w i n d o w sc e 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o r n i e r j ih y d r o l o g i ch i n g e a b s t r a c t w a t e rs a f e t ym o n i t o r i n gi saa u t o m a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi st om e e tt h en l d so ff l o o d c o n t r o lo f r i v e r s ，r e s e r v o i r s ，h y d r o p o w e rp l a n t ，t o w n sa n du s em o d e r nt e c h n o l o g yt oc o n d u c t r e a l - t i m ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , t r a n s m i s s i o n , p r o c e s s i n ga n df o r e c a s t i n g i ti sa ne f f e c t i v e s o l u t i o nt 0r i v e r sa n dr e s e r v o i r sf l o o df o r e c a s t i n g , f l o o dc o n t r 0 1 a n dr a t i o n a lu s eo fw a t e r r e s o l u c e s i tp l a y sam a j o rr o l ei nf l o o dc o n t r o lo fr i v e r s ，c o n s t r u c t i o n , r e s e r v o i rs a f e t yi nt h e f l o o ds e a s o na n dp o w e rp l a n ti ne c o n o m i co p e r a t i o na n dh a sb e e nw i d e l ya d o p t e db yt h e c o u n t r i e so f t h ew o r l d t h ee s t a b l i s h m e n to fs a f e t ym o m t o f i n gs y s t e mt h a tc a nm a s t e ru p s t r e a mf l o o d i n g q u i c k l ya n da c c u r a t e l ya n di sv e r yn e c e s s a r yt ot h es a f e t yo t l l ef l o o dc o n t r o lo fr e s e r v o i r i t w i l lp r o v i d er e l i a b l ei n f o r m a t i o nt ot h ed e p a r t m e n t st i m e l ya n db a s i so fd e c i s i o n m a k i n gf o r t a k i n gp r e c a u t i o n a r ym e a s u r e s p a r t i c u l a r l yi nf l o o df o r e c a s t i n gi nc o n s t r u c t i o np e r i o d , i tw i l l e l l a b l et h ec o n s t r u c t i o ns e c t o rt ot a k ee f f e c t i v em e a s l e sb e f o r et h eo n s e to f t h ef l o o dt om a k e 譬 t h el o s so ff l o o dd i s a s t e ram i n i m u m n i c l j ih y d r o l o g i ch i n g ea r o j e c ti sal a r g ec o n t r o lp r o j e c ta n dm a i n l yf o rf l o o dc o n t r o l a n dw a t e rs u p p l yt oi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e n o to n l yi ti sr e s p o n s i b l ef o rt h es a f e t yo ft w o s i d e so ff a r m l a n do ft h ed o w n s t r e a mo fq i q i h a rc i t ya n dt h en i e r j it oq i q i h a r b u ta l s oi th a s ag r e a t e rf l o o dc o n t r o lb e n e f i t st ot h ed o w n s t r e a mo f n e n j i a n gr i v e ra n dt h ec i t yo f h a r b i ni n s o n g h u ar i v e r a tt h es a m et i m et h ep r o j e c ti sa l s oa ni m p o r t a n tw a t e rs o u r c cp r o j e c tt o r e a l i z et h e ”n o r t hw a t e rt r a n s f e rt ot h es o u t h ” t h i ss y s t e mi st od e v e l o pa n dd e s i g na na c t u a lp r o j e c t t h r o u g ht h es u r v e ya n da n a l y s i s o ft h ee n v i r o n m e n to fn i e l j ih y & o l o # eh i n g e ，t h eu s eo fm o d e me m b e d d e dt e c h n o l o g y , w e u s ep x a 2 5 5p r o c e s s o rb a s e do nt h ex s c a l ec o r ef o rt h eh a r d w a r es y s t e mc o r e ，t r a n s p l a n t e m b e d d c dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e n la n dd e v e l o pc o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n td r i v e r sa n d s y s t e ma p p l i c a t i o n s t h i ss y s t e mn o wh a sb e e nt e s t e di nn i e r j ih y d r o l o g i ch i n g ef o r3m o n t h s a n dr u n n i n gw e l l ，r e c e i v i n ga ne x c e l l e n tf e e d b a c k i nt h i sp a p e r , b a s e do nc o n s t r u c t i o na n d p r a c t i c a ld o m e s t i ca p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d ，w ef o c u so ns a f b t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g na n dd i s c u s st h er e l e v a n tt e c h n i q u e k e yw o r d s ：s a f e t ym o n i t o r i n g ；e m b e d d c ds y s t e m ；p x a 2 5 5 ；w i n d o w sc e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或i , r - 4 ；所使用过的材料。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 作者签名：椎日期：掣7 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：牙自二- l 铆躲多数一 j 母# 一月卑日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景 嫩江是松花江的北源，发源于大兴安岭山脉右麓的伊勒呼里山，河源海拔高程1 0 3 0 米，河流全长1 3 7 0 公里，流域总面积为2 9 7 万平方公里。 嫩江白源头流出后自北向南流，沿途流经黑龙江省黑河地区、大兴安岭地区、嫩江 县、齐齐哈尔市、大庆市；内蒙古自治区的鄂伦春旗、莫力达瓦旗、阿荣旗、扎兰屯市、 扎来特旗；吉林省的白城市、松源市等地。在黑龙江省肇源市三岔河与南源第二松花江 汇合后形成松花江干流。全流域形状呈多支的扇形。嫩江水系右岸山高坡陡，植被较好， 支流众多，河网发达，主要支流有多布库尔河、甘河，诺敏河、阿伦河、雅鲁河、绰尔 河、洮儿河等。左岸坡度较缓，支流较少，主要支流有门鲁河、科洛河、讷谟尔河【。 嫩江流域属于寒温带季风气候区。降雨量多集中在夏秋两季，尤其在7 8 月份流域 内多年平均降水量为4 0 0 5 0 0 m m 。嫩江洪水多由暴雨形成。 1 9 9 8 年嫩江流域发生了百年不遇的特大洪水，直接经济损失超过4 0 0 亿元。为此国 家十五计划批准在嫩江干流修建尼尔基大型水利枢纽，该工程坝址位于嫩江干流中游， 在阿彦浅水文站下游3 2 k m 处的尼尔基镇。尼尔基水利枢纽是以防洪、工农业供水为主， 结合发电、航运及改善水环境，并为北水南调工程提供水源的大型水利枢纽工程。水库 总库容8 6 0 8 x1 0 8 m 3 ，兴利库容5 8 5 4 x1 0 8 m 3 ，装机容量2 5 m w 。 尼尔基水利枢纽担负着枢纽下游的齐齐哈尔市及尼尔基齐齐哈尔区间两岸农田 的防洪安全，而且对嫩江下游及松花江干流的哈尔滨市也有较大的防洪效益。同时该工 程也是实现“北水南调”的重要水源工程。 尼尔基以上流域现有水文站网分布不均匀。水库以上的甘河右侧支流奎勒河及嫩江 干流石灰窑以上广大地区水文、雨量站点稀少，基本为空白区。且现有站网大部分测站 报汛条件较差，无法满足尼尔基水库安全预报及水库优化调度的要求。 “防汛工作，信息先行”，应在可能的范围内做到最大程度上的防汛信息共享，确 保雨水情信息的时效性和准确性，提高安全监控的效率和作用。因此从防汛工作的实际 出发，建立安全监测是必需的，应结合现代信息处理技术、网络技术，来开发一套完整 的水利安全监测系统【2 j 1 。 尼尔基水利枢纽安全监测系统的建成是嫩江流域水资源开发利用、防治水旱灾害的 最为重要的非工程性措施，可及时掌握尼尔基以上及尼尔基齐齐哈尔区间的实时雨 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 情、水情，为实现水库的防洪灌溉、发电调度的优化决策，提高防洪能力和水资源开发 利用能力最优调度，发挥最大的经济和社会效益创造条件。 1 2 本文内容与结构 本文主要介绍了基于p x a 2 5 5 嵌入式处理器和w i n d o w sc e n e t 操作平台的水利安 全监测系统，系统通过高性能的嵌入式终端设备和相关的网络技术，实现了数据查询、 远程监测等功能。 本文的内容和结构如下： 第一章为绪论，简要介绍了本课题的来源及应用背景。 第二章为系统的总体设计，包括硬件系统结构、微处理器选型、嵌入式操作系统选 型及集成开发环境的建立。 第三章详细论述了前端采集仪的设计与实现，包括系统整体结构、软件设计及信号 处理、通讯接口、人机交互等模块的硬件电路设计。 第四章详细论述了监测中间站的设计与实现，介绍了存储设备、通讯接口、人机交 互等模块的硬件电路设计及w i n d o w sc e n e t 操作系统移植、驱动程序及应用程序的设 计。 第五章介绍了系统整体测试，包括功能测试、性能测试和电磁干扰测试。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 嵌入式系统的设计一般分为三个阶段：分析阶段、设计阶段和实现阶段。每一阶段 都涉及到一系列相关的活动。在分析阶段，需要了解和归档系统的目标，即决定系统应 该做什么。在设计阶段，确定如何在给定的约束下实现这些目标，即决定系统怎样可以 做到。在实现阶段，贯彻设计，建立并测试系统【4 j 。 分析阶段类似于软件工程中的需求分析，一般分为这几个步骤： 首先确定系统的约束条件 约束条件可能来自系统的内部或外部。重要的约束条件包括：是否必须采用某种硬 件，是否必须采用某种工具，是否依赖于固定的器件供应商等。 其次罗列用户的要求 要使得开发出的系统能尽可能的满足用户的要求，必须从各个角度去考虑。这里是 一些必须要考虑的重要因素：系统用于什么任务，系统的外观、重量、体积的限制，系 统的可扩展性，供电系统的设计等。 再次确定系统软硬件 在这方面需要注意的是要尽量缩小选择范围，必须注意以下问题：处理器的选择， 总线的宽度，操作系统的选择。 最后确定开发计划 设计阶段主要决定系统如何在给定的约束条件下完成设计要求。这个阶段的几个主 要步骤是：审查分析资料，说明硬件部件，定义硬件接口，说明软件接口，检查设计。 前两点属于准备工作，在完成所有准备之后，就要开始第三点，即系统的软硬件设 计。其中硬件设计又是重中之重，只有搭建一个合理的硬件平台，才能满足软件的运行 要求，从而满足整个系统及产品的要求。下面将概述硬件平台的设计基础并对详细设计 加以描述【”。 2 1硬件系统方案设计 2 1 1 微处理器选型 嵌入式处理器是嵌入式的核心。同时，嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核， 芯片生产厂家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。 典型的嵌入式微处理器有以下几种【“】： ( 1 ) a r m s t r o n g a r m 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 a r m 公司是全球领先的1 6 3 2 位精简指令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 微处理器知识产权设计供应商。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗 的r i s c 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产 各具特色的芯片。a r m 己成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案 的r i s c 标准。a r m 处理器有四大特点：小体积、低功耗、低成本和高性能；1 6 3 2 位 双指令集；全球众多的合作伙伴。 a r m 处理器目前有五个系列产品：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e 。 其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应 用于实时环境的a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i - s ，以及使用于开放平台的a r m 7 2 0 t 和使 用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等。 ( 2 ) m s m 1 p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处理器内 核标准，它是由m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计制造高性能、高档 次及嵌入式3 2 位和“位处理器的厂家，在r i s c 处理器方面占有重要地位。 ( 3 ) p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既有通 用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器 到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 ( 4 ) x 8 6 x 8 6 系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于1 1 1 t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展出2 8 6 ，3 8 6 ， 4 8 6 ，直到现在的p e n f i u m 4 ，a t h l o n 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，4 8 6 d x 是当时和a r m ，6 8 k ，m i p s 和s u p e r h 齐名的五大嵌入式处理器之一，8 0 8 0 是第一款 主流的处理器。今天的p e n t i n m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这有利有弊，利是 可以保持兼容性，至少十年前写的程序在现在的机器上还能运行；弊端是限制了c p u 性能的提高。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面 均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。 i n t e lp x a 2 5 5 5 微处理器是i n t e l 公司推出的采用i n t e lx s c a l ec o r e 的微处理器，是 一款全性能、高性价比、低功耗且基于a r m v s t e 体系结构的解决方案，支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 扩充，频率高达4 0 0 m h z 的3 2 位r i s c 微处理器。p x a 2 5 5 带有3 2 k 的指 令c a c h e ，3 2 k 的数据c a c h e ，同时带有内存管理单元( m m u ) 和读写缓存。它的存储 器总线可以方便的和s d r a m ，s r a m 和f l a s h 等许多器件相连。它将多种外设功能集 大连理工大学硕士学位论文 合于芯片内部( 如i _ c d ，u s b ，k d a ，a c 9 7 等) 。拥有七级超级流水线结构和更快的处 理速度以及独特的电源管理能力。目前，p x a 2 5 5 被广泛应用在移动电话、数码相机、 掌上电脑等高科技产品中，对于嵌入式系统和便携式系统，p x a 2 5 5 是最佳的选择。图 2 1 为p x a 2 5 5 处理器结构图： 图2 1p x a 2 5 5 结构图 f i g 2 1 p x a 2 5 5a r c h i t e c t u r e i n t e lp x a 2 5 5 主要具有以下特点 9 1 ： ( 1 ) 高性能 低功耗、高性能3 2 位英特尔x s e a l e 核心c p u ( 2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 m h z ) ； 遵从a r m v 5 t e 架构并且应用编码与英特尔s a 一11 l o 处理器兼容，便于快速升 级： 英特尔7 级超级流水线r i s c 技术，使用先进的英特尔o 1 8 微米工艺，从而以 低功耗实现高速度核心； 3 2 k b 数据和3 2 k b 指令高速缓存； 2 k b 微型数据高速缓存用于流式数据； 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 英特尔媒体处理技术，包括4 0 位累加器和1 6 位s i m d 以增强音频视频解码性 能。 ( 2 ) 低功耗 采用节电和高速模式以延长电池寿命； 动态电压管理，可以在系统运行中进行动态的电压频率调整，允许应用程序进 行合理的性能功耗权衡； 功率管理部件可以通过i d l e ，s l e e p 和删c kw a k e - u p 模式节省功耗。 ( 3 ) i o 扩展 采用具备1 0 0 m h z 内存总线的集成式内存和p c m c i a c o m p a c t f l a s h 控制器，具 有六条1 6 位r o m f l a s h s r a m 插槽，1 6 位或3 2 位s d r a m ，四条s m r o m 插槽，以 及用于另外增加功能和扩展性的p c m c i a 和c o m p a c t f l a s h ； 系统控制模块包括1 7 个专用多用途中断i o 端口、实时时钟、监视器与计时器、 电源管理控制器、中断控制器、复位控制器和两个片载震荡器。 ( 4 ) 丰富的外设 外围控制模块提供1 6 通道可配置的d m a 控制器、带有可支持快速彩屏的特有 d m a 集成式l c d 控制器、b l u c t o o t hi f 、串口( i r d a ，1 2 c ，1 2 s ，a c 9 7 ，三个u a r t ， s p i 和s s p ) ，u s b 接口以及可扩展内存和i o 功能的m m c s d c a r d 。 ( 5 ) 带有3 3 v i o 接口，采用2 5 6 p b g a 封装。 2 1 2 硬件系统结构 本系统分成三个部分1 0 1 ：监控中心( 用p c 机实现) 、监测中间站( i n t e l p x a 2 5 5 + w i n d o w sc e ) 和前端采集仪m c d 4 3 2 ( 含传感器) 。 系统运行的流程如下：首先，监控中心向各监测中间站发送开始采集的指令，各监 测中间站接收到该命令后，控制本系统中的采集仪开始采集数据，并读取采集到的数据， 然后将所有采集的数据发送给监控中心，最后由监控中心完成数据的显示、存储、处理。 同时各监测中间站也可以定时的进行数据的采集，并将采集到的数据存储起来，以被以 后查询之用【】。基于p x a 2 5 5 的水利安全监测系统的整体操作透明化，使用简单，操作 方便。 ( 1 ) 监控中心 利用p c 机，运行服务器程序，通过用v c 开发，提供给用户一个友好的、功能强 大、易操作的控制界面。主要用于进行数据的接收、存储及进一步分析。 ( 2 ) 监测中间站 大连理工大学硕士学位论文 该系统是整个监测系统的核心部分，本次开发是以p x a 2 5 5 为硬件核心，w i n d o w s c e 作为操作系统，提供r s 2 3 2 、r j 4 5 、以太网口等标准接口，很方便的连接相应设备【1 2 】。 同时配有l c d 显示屏，可以为用户提供一个友好的界面。为了方便扩展海量存储器， 系统还提供了c f 卡接口。本系统在网络方面支持以太网接入，经过简单的设定口地址， 很方便的扩展网络。 监测中间站的功能： 用于控制前端采集仪进行数据的采集。 读取采集仪采集到的数据并进行存储。 将各采集仪数据通过网络发送给监控中心 ( 3 ) 采集仪 采集仪模块的主要功能是测量振弦传感器的频率( 用于工程建筑内部应力监测) 和热敏 电阻的温度( 用于工程建筑内部温度监测) 。最多能采集3 2 通道的振弦信号。 系统的整体结构如图2 2 所示。 r s 4 8 5 总线 以太网 监控中心 以太网 监测 中间站 前端采 集仪 驯悸 监测 中间站 监测 中间站 基蒜藏蘸 前端采 集仪 | | | 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 2 2 软件系统方案设计 2 2 1 嵌入式操作系统选型 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，在嵌入式系统中扮演着“灵 魂”的角色。嵌入式系统中的应用程序必须在极少人工介入的情况下完成高度专业化和 实时的工作，这就要求嵌入式操作系统能为之提供高效的服务和有力的支持。嵌入式系 统的硬件资源环境一般比较苛刻，嵌入式微处理器和微控制器的内存一般都不大，要在 紧张的资源下完成复杂的功能，要求嵌入式系统软件必须尽量的小巧、稳定和高效【n l 。 因此，一个好的嵌入式操作系统除了具有标准操作系统所具有的功能外，还应具有 如下特点： ( 1 ) 可裁减性高，以支持嵌入式操作系统的个性化开发。 ( 2 ) 开发工具全，好的工具可加快开发进度。 ( 3 ) 可移植性好，避免重复应用开发。 ( 4 ) 使用成本低，降低产品的总成本。 ( 5 ) 占用资源少，适应系统资源限制。 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个适用于通讯、娱乐和移动计算等一系列设备的开放式、 可扩展w i n d o w s 操作系统平台。基于标准的w i n d o w sc e 平台，使得新型非p c 商业和 消费设备相互之间的通讯，与基于w i n d o w sp c 的信息共享，以及与i n t e r n e t 的连接成 为可能。基于w i n d o w sc e 的第一代产品，将是为基于w i n d o w s 的p c 开发的一种新型 移动伴侣设备，称为掌上电脑，预计将于不久后由主要的个人电脑和消费电子设备o e m 厂商投放市场【j m 。 w i n d o w sc e 以前被称为p e g a s u s ，是一个从头建立的全新操作系统，它简洁轻便， 适用于广泛的商业和消费设备。w i n d o w sc e 所适用的设备类别包括：小型移动计算设 备( 如新型掌上电脑、“口袋”电脑) 、无线通讯设备( 如数字寻呼机和蜂窝智能电话) 、 新一代娱乐和多媒体控制台( 包括d v d 播放机) ，以及特制i n t e n e t 接入设备( 如i n t e r a c t t v 、数字机顶盒和i n t e n e tw e b 电话) 。 w i n d o w sc e 将m i c r o s o f t 的“信息唾手可得”的构想进一步扩展，已经超出了p c 的范围，而延伸到诸多基于计算机的设备，无论用户是在家中、还是在办公室或路上均 可使用。w i n d o w sc e 可以实现新型产品之间的相互“对话”、与基于w i n d o w s 的p c 共享和交换信息，并能访问i n t e n e t 收发电子邮件或浏览万维网。w i n d o w sc e 是建立基 于标准的完整操作环境的基础，其设计目的是为了显著降低o e m 厂商、硬件商和软件 大连理工大学硕士学位论文 商开发基于w i n d o w s 的通讯、娱乐和移动计算设备的难度。正是基于w i n d o w sc e 嵌入 式操作系统以上的优点，本设计决定采用w i n d o w sc e 做为本系统的操作系统。 2 2 2 集成开发环境的建立 p l a t f o r mb u i l d e r 是微软公司提供的定制w i n d o w sc e 操作系统的专用集成开发环 境。p l a t f o r mb u i l d e r 由一系列设计、创建、编译、测试和调试的工具组成，使开发人员 能够对模块进行配置、创建与调试，实现了嵌入式系统的灵活性与可靠性同w i n d o w s 与w e b 功能性之间的紧密结合。p l a t f o r mb u i l d e r 运行在桌面w i n d o w s 环境下，开发人 员可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性，并进行编译和调试。同时， 开发人员还可利用p l a t f o r mb u i l d e r 来进行驱动程序和应用程序的开发【l5 】。 p l a t f o r m b u i l d e r 为各种流行的设备预置了可裁剪的系统基础平台，为自定义操作系 统的创建提供了一个起点。开发人员可以利用平台开发向导和b s p 开发向导创建简单的 系统平台或b s p ，然后再根据需求进一步修改。p l a t f o r mb u i l d e r 为驱动程序开发提供了 基本的测试工具集w i n d o w sc et e s tk i t ，同时还提供了内核调试器，用于对自定义的操 作系统映像进行调试。另外，p l a t f o r mb u i l d e r 还提供了s d k 向导，用户可以导出一个 自定义的软件开发包，并将定制的s d k 导入到特定的开发环境( 如e m b e d d e dv i s u a lc + + ) 中去。 本系统开发工具使用了p l a t f o r mb u i l d e r4 2 的集成开发环境；操作系统为w i n d o w s x pp r o f e s s i o n a l ，w i n d o w s x p 对以太网、串行口及并行口的支持满足了开发过程中对通 信的基本要求。 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 3 前端采集仪设计与实现 3 1 采集仪总体方案设计 本采集仪主要实现了对两类重要的工程模拟量进行采集，即振弦传感器的频率( 用 于工程建筑内部应力监测) 、基于热敏电阻的温度( 用于工程建筑内部温度监测) 。 振弦式仪器【幡1 8 】自3 0 年代发明以来，由于其优异特性如结构简单、精度高、抗干 扰能力强以及对电缆要求低等优点而一直受到工程界的注目。直到7 0 年代，随着现代 电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术才得以完善并真正能满足工 程应用的要求。根据美国垦务局及陆军工程师团在数十座大坝长期使用弦式仪器的经 验，以美国基康公司( g e o k o ni n c ) 为代表的弦式仪器专业制造商生产的仪器，具有 令人满意的稳定性。目前，性能完善的弦式仪器已成为新一代工程仪器的潮流。 振弦式仪器通常通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力应变等物理量， 钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系如式( 3 1 ) 。 f = 考居 - ， 其中，l ，mr 分别为钢弦的固有谐振频率，钢弦的长度，单位长度钢弦的质 量，钢弦的张力。 从激励和读数技术来区分，振弦式仪器主要有“拨振”和“自动谐振”两种方式。“拨振” 技术是一种最简单的方法，也是现在最常用的方法，它是将一个电磁线圈放在弦的中间 且距离弦非常近，该线圈兼作激励和信号感应线圈，电子脉冲信号通过两芯导线传入线 圈引起磁场改变使钢弦以其谐振频率振动。由于张力不同的钢弦的谐振频率不同，线圈 感受到钢弦切割磁力线的频率并将信号通过上述两根电缆传到读数装置。读数装置使用 高频石英计时器及周期平均技术来精确地测定弦的振动频率( 周期) ，并在几毫秒内给出 重复分辨率，通常分辨率能达到0 1 个微应变或更好。 振弦传感器测量原理是先向振弦传感器的激励线圈发送一串覆盖了一定频率段的 不同频率的脉冲信号，传感器中的振弦被激励检测线圈在激励脉冲控制下产生的变化 磁场“拨动”后，也会以一定的频率振动，此振动又在激励检测线圈中引起与振弦振 动频率相同的电压波动信号。然后再对这一反馈频率脉冲进行隔离放大并且分频以提高 测量精度，利用m s p 4 3 0 提供的基本定时器和捕获寄存器对脉宽进行测量计数，经过计 算后，即可求得反馈频率的频率值，由于整个过程都是对脉冲信号的测量，故此方法有 很高的精度，可以精确到小数点后一位。计算厂如式( 3 2 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 r = ! 兰!( 3 2 ) 7 d x 其中， ，f ，d x 分别为反馈频率值，分频系数，定时器时钟频率，经c d 4 0 2 0 分频后信号的脉宽计数值。 m c d 4 3 2 使用了配套的高阻抗兼容热敏电阻，2 5 对应3 k 电阻，通过一个恒定电 流源向热敏电阻提供o 1 2 5 m a 的电流，这样在电阻两端产生电压降，此电压降经过差动 放大后直接送到m s p 4 3 0 的1 2 位a d 转换器，再由单片机测出电压值，精度理论上可 以达到千分之二，但由于温度要求不是很高，加之一些模拟元件的温漂等原因，仅精确 到小数点后一位即可。温度值的计算如式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 。 墨二墨2 = 墨l = 墨z ( 3 3 ) y 一一 r ；! ! 二匕! ! f 墨二墨2 + 见( 3 4 ) 巧一 。 其中，且，置，足，y ，k ，k 分别为实际的热敏电阻阻值，第一标定点的电阻 值( 一般为1 0 k ) ，第二标定点的电阻值( 一般为1 目，实测中的温度一路对应的电压值， 第一标定点的电压值，第二标定点的电压值。 再根据该热敏电阻特性完成阻值到温度值的变换，公式如示( 3 5 ) 。 1 t = 二i 一2 7 3 2( 3 5 ) a + b i n r + c ( i n 尺1 。 ， 其中，ll n r ，a ，b ，c 分别为温度值，该温度下的热敏电阻阻值的自然数，系 数1 3 9 9 7 e - 3 ，系数2 3 7 8 2 e 一4 ，系数9 6 6 5 4 e 一8 。 采集仪全名为m c d 4 3 2 模拟量采集仪，可以比较广泛的应用于水利、土木、化学等 很多方面。它采用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片为核心，其内部外围模块非常丰富，此 仪器中用到的外围模块有f l a s h 、1 2 位a d 转换器、异步串行通讯口、捕获比较器以 及定时器。这些丰富的外围模块为电路的设计提供了方便，在早期的单片机系统的设计 中这些硬件模块都要靠专门的芯片来实现，各芯片问的走线占据了电路板的大部分，同 时可靠性和功耗也不如集成化的m c u 。可以确定，外围模块越发丰富的集成化m c u 是未来发展的主流。微控制器外的电路包括多路选择开关、前置隔离放大、分频、电源 转换供给、电源监视、键盘、时间日历片、通讯模块和报警指示等。仪器外壳拟采用全 封闭防水密封结构，能适应工程现场的恶劣环境，通常采用外置电源方式工作。m c d 4 3 2 完成对工程应用中传感器的数据采集，经过计算后直接将振弦频率值、温度值显示在 1 2 8 x 6 4 点阵液晶显示器上，可对这些参数进行自动定时记录或组成多点网络系统。还 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 可以抑制温漂、数字滤波、故障报警、参数设定、数据保存、数据通讯。m c i m 3 2 也可 作为一种便携式仪表，具有防水、操作简单、精度高、省电、性能价格比高等优点。 m c d 4 3 2 的各项参数如下： 测量范围：4 0 0 h z 6 4 0 0 h z ( 振弦传感器共振频率) ，- 2 0 1 2 6 0 ( d g k 4 5 0 0 型热敏 电阻传感器) ； 分辨率：0 1h z ，0 1 ： 显示方式：1 2 8 x 6 4 点阵液晶显示器； 响应速度：单路采集时间0 3 5 s l s ； 通讯方式：可通过r s 4 8 5 与监测中心站通讯； 环境条件：一2 0 6 0 ； 电源：d c l 2v 3 0 * , 6 、1 0 0 m a 3 a 。 m c d 4 3 2 有四类仪器外接口： 电源输入插槽，通用性强。标准应为1 2 v ，接入7 v 1 8 v 电压均可稳定工作； r s 4 8 5 通讯插槽，安全可靠。并且外壳可与大地相连，防雷击； 多路信号输入插槽，采用接线板接入，方便插拔。每路四根信号线，p o r t o u t 和 a q 巾b 是单端输入的频率信号，v t e + 和a g n d a 是温度信号； j t a g 插槽，用于m s p 4 3 0 的程序下载和调试。 对比起国内同类仪表，m c d 4 3 2 有如下的优点： 微功耗，工作电流一般不大于1 0 0 m a ； 模块化设计，易于扩充、修改，形成一个系列的仪表产品； 高精度，工作稳定，抗干扰能力强，有效抑制漂移； 合理的电源供给电路，使工作电压范围大，极大范围适应现场情况，并设有电源保 护功能； 各路通道采用电磁继电器开关，物理隔离，抗干扰效果非常好。 整个硬件电路可以分为前端输入电路、微处理器模块、通讯模块、用户接口界面模 块及其他一些辅助电路。整个仪表共包括两块印刷电路板，一块是主板，包括微处理器、 电源监视、日历片、通讯模块、报警驱动、恒流源、激励放大、前置隔离等主要电路。 是整个m c d 4 3 2 的核心；另外一块是输入板，仅仅包括模拟开关、继电器阵列等电路。 装机时将两块电路板上下栈接、固定，连上液晶显示屏，装入机箱中。这样可以减少整 个仪表的面积，还有利于仪表的携带、扩充、保养、防干扰、防腐蚀等等。硬件电路框 图如图3 1 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图3 1m c d 4 3 2 硬件电路框图 f i g 3 1 h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo f m c d 4 3 2 3 2 采集仪硬件设计 3 2 1 信号处理电路 信号处理电路在m c d 4 3 2 中是一个庞大而且重要的模块，其中包括广义上的传感 一1 3 尼尔基水利枢纽安全监测系统的设计与实现 器、多路选择器、继电器阵列、隔离放大器等几个重要的部分，模拟信号的抗干扰工作 也大部分在此模块完成 1 9 - 2 l 。 ( 1 ) 前向通道( 传感器部分) 前向通道的含义：单片机作为测、控系统时，系统中总要有被测信号的输入通道， 由单片机拾取必要的输入信息。作为数据测量采集系统，对被测对象拾取必要的原始参 量信号并且最大程度上的保持信号不失真是系统的先决条件。 本系统使用的传感器模型是美国基康公司的振弦传感器，它具有几百到几千的谐振 频率，并且返回频率对施加在振弦上的压力极其敏感，可以对一些大型建筑内部压力监 测。同时它还具有2 5 时阻值为3 k 热敏电阻，由电阻值推算温度值的公式见3 1 节 ( 2 ) 多路选择开关 工程项目中常常需要多个通路共享处理单元，在设计中通过模拟开关控制继电器的 通断，得到了很好的效果。c i m 0 6 7 是美国德州仪器公司的十六选一多路模拟开关，这 种开关以其极小的电流泄漏而受到各方面的好评。由于继电器需要大电流来驱动，故在 c h 信号后用2 8 0 3 l w 来驱动继电器。 m c d 4 3 2 中使用的继电器是日本欧姆龙公司的g 6 h 系列高灵敏度继电器，支持最 大i a 直流电通过。 ( 3 ) 振弦激励电路 振弦传感器的振弦返回的谐振频率需要一系列频率连续的扫频信号来激励，这个覆 盖了一定频率段的激励信号直接来源于m s p 4 3 0 的i o 口是不行的：第一，m s p 4 3 0 的 i o 口驱动能力有限，电压也不相匹配，不能直接作为相对高能量的激励信号；第二， 单片机的i o 口输出的是数字信号，而直接与传感器相连接的是模拟信号，若数字电路 与模拟电路直接耦合将会有很大的串扰，也不利于整个系统的隔离保护。所以我采用光 耦隔离加三极管放大的方式产生激励脉冲，电路如图3 2 所示。 p l u s 0 和p l u s l 信号的频率是由m s p 4 3 0 通过计算得到的，通过设定不同的定时 器溢出中断来发出的。m c d 4 3 2 可以发出4 0 0 6 4 0 0 h z 间的等间隔的2 0 0 个不同频率的 激励。p 5 2 1 是光电耦合器，其内部是通过光电二极管控制另一个电路的通断实现对模 拟电和数字电的在电气上完全隔离的作用。 大连理工大学硕士学位论文 h 。i 蚓蚕茧罡： 图3 2 激励信号发生电路 f i g 3 2 i n c e n t i v es i g n a lc i r c u i t ( 4 ) 振弦频率信号输入电路 传感器频率信号输入通道如下图所示，振弦传感器受到p l u s 信号的激励之后，返 回的频率信号通过输入板上的c d 4 0 6 7 选通的某一路继电器之