（农业电气化与自动化专业论文）基于远程通信的水处理设备数据采集系统.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得塑j 垦壅些盘鲎或其他教育机构的学 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 中作了明确的说明并表示谢意。 躲戤彳蝴期：刎年伽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰鱼盛些基鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦壅些盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：m 年月占日 电话： 邮编： 石 竿月致“ ：、) 年 名签 州 彰 w 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 摘要 随着我国经济的快速增长，传统的水处理已不能满足社会经济快速发展的需要， 新的技术，新的工艺，新的设备应运而生。针对目前水处理设备出现的问题提出了一 种基于网络通信技术、自动采集技术的数据自动采集、传输及处理系统。 本文研究的基于远程通信的水处理设备数据采集系统通过远程检测和调控，实现 了系统的一体化，提高了对设备的自动化水平、数据采集精度和故障排查能力。 论文介绍了数据采集系统的目标功能，通过对现有国内外系统结构的分析，确定 了本系统的结构设计方案。采用电能计量专用芯片配合m c u + m c u 的系统结构方案， 即系统可分为采集终端和集中采集器。其结构具有更高的集成度、精度、可靠性，并 简化了电路的设计和软件的设计，降低了系统的成本和维护难度。根据设计的需要选 用宏晶科技公司的s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 和s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机，可以使系统简化，结 构简单，提高系统的处理能力；数据采集使用美国模拟器件公司最新推出的专用电能 计量芯片a d e 7 7 6 3 ，以提高电压、电流采样的精度；并详细介绍了a d e 7 7 6 3 的工作 原理和外围电路及底层读写程序。存储模块选用f m 2 5 2 5 6 铁电存储器，其高速的s p i 接口增强了数据的读写能力，且具有比其它非易失性存储器高的多的读写操作次数。 温湿度的检测选用s h t l l 温湿度传感器，其检测精度更高，湿度精度在士3 以内， 温度精度在4 - 0 40 c 以内( 2 5 ) 。d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片的使用保证了时间的实时精确性。 液晶模块为用户的操作提供了很好的人机交互界面，使系统的可操作性更强，数据更 直观。而双m c u 之间的通信采用r s 4 8 5 通讯，并配以m o d b u s 协议，m o d b u s 协议的超强错误校验能力，使数据信息的传输可靠性更高。最后，介绍了系统的远程 通信的方式( g s m 通信) 。并对g s m 网络进行了详细的阐述，介绍了通讯模块 s i m 3 0 0 c 及其硬件外围电路和s i m 卡的接口电路。通过介绍a t 指令，阐述了a t 指 令的格式和模块的程序流程图。 关键词：a d e 7 7 6 3 ；s h t l l ；m o d b u s 协议；g s m 通讯；s i m 3 0 0 c o i lr e m o t e u n a b l et om e e t n e we q u i p m e n t t h a tt h es y s t e m o fa u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gb a s e do nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e a n da u t o m a t i ca c q u i s i t i o nt e c h n i q u e i nt h i st h e s i s ，d e s i g no fw a t e rt r e a t w e n te q u i p m e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nr e m o t e c o m m u i c a t i o na c h i e v e dt h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e ma n di m p r o v e sa u t o m a t i o nl e v e lo fe q u i p m e n t ，d a t a a c q u i s i t i o np r e c i s i o na n dt r o u b l e s h o o t i n gc a p a c i t y t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h ee x i s t i n gs t r u c t u r eo fi n t e r n a t i o n a ld e t e r m i n e dt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m t ou s et h ee n e r g y m e a s u r e m e n ta s i cw i t hm c u + m c us t r u c t u r es c h e m e ，t h es y s t e mc o u l db ed i v i d e di n t oc o l l e c t i o n t e r m i n a la n dc e n t r a l i z e dc o l l e c t o r t h es t r u c t u r eh a sh i g h e rl e v e l so fi n t e g r a t i o n ，a c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y ， s i m p l i f i e sc i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i tr e d u c e dt h ec o s to fs y s t e ma n dm a i n t e n a n c ed i f f i c u l t i e s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n , t h es y s t e mu s e ds t c l 2 c 5 6 2 8 a da n ds t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 t h ed u a lm c u m a d et h es y s t e ms i m p l i f i e s ，s i m p l es t r u c t u r ea n dt oi m p r o v et h es y s t e mp r o c e s s i n ga b i l i t y d a t a a c q u i s i t i o nu s e da d e 7 7 6 3t h ec o m p a n yo fa d i i tc o u l di n c r e a s et h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n g a c c u r a c y t h i st h e s i si n t r o d u c e dp r i n c i p l eo fw o r k , p e r i p h e r a lc i r c u i ta n db o t t o mr e a d i n ga n dw r i t i n g p r o c e s so ft h ea d e 7 7 6 3 t h es t o r a g em o d u l eu s e df m 2 5 2 5 6n v f r a m i th a ss p it h a ti n c r e a s et h e a b i l i t yo fr e a da n dw r i t ed a t a i th a sm o r er e a da n dw r i t e so p e r a t i o n st h a no t h e rn v - f r a m d e t e c t i o n o ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yu s e dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rs h t l1 i ti sh i g h e rd e t e c t i o n a c c u r a c y ，h u m i d i t ya c c u r a c yw i t h i n4 - 3 ，t e m p e r a t u r ea c c u r a c yw i t h i n4 - 0 4 ( 2 5 ) d s l 2 c 8 8 7i sa k i n do fr e a lt i m ec m o sc h i pp r o d u c e db yd a l l a sc o r p i te n s u r e dt h ea c c u r a c yo fr e a l - t i m et i m e l c d p r o v i d e dag o o di n t e r a c t i v ei n t e r f a c e i th a dt h eh i g h e ro p e r a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dm o r ei n t u i t i v e d a t a t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm c u ia n dm c u 2w a su s e dr s 4 8 5a n ds u p p o r t e db ym o d b u s p r o t o c 0 1 c h e c k o u to fd a t ao ft h em o d b u sp r o t o c o lm a d et h em o r er e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n f i n a l l y ， t h i st h e s i si n t r o d u c e dr e m o t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m g s mw a sd e s c r i b e di nd e t a i l t h i st h e s i s d e s c r i b e dt h es i m 3 0 0 ca n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i ta n ds i mc a r di n t e r f a c ec i r c u i t s b yi n t r o d u c i n gt h ea t c o m m a n d s ，e x p l a i n e dt h ef o r m a to f a tc o m m a n da n df l o wc h a r t k e yw o r d s ：a d e 7 7 6 3 ；s h t l1 ；m o d b u sp r o c o t o l ；g s m ；s i m 3 0 0 c ； 目录 i 弓i 言1 1 1 课题背景及意义1 1 2 我国的水处理水平与国外的差距1 1 3 课题研究主要内容2 2 方案总体设计3 2 1 系统的目标功能。3 2 1 1 电压、电流检测3 2 1 2 监视功能3 2 1 3 数据显示功能3 2 1 4 存储功能3 2 1 5 数据通讯功能3 2 2 系统结构设计方案比较4 2 3 芯片选型4 2 3 1m c u 选型5 2 3 2 测量芯片选型7 2 4 总体方案设计8 2 5 本章小结1 0 3 系统硬件设计1 1 3 1 硬件总体设计1 1 3 2 测量芯片a d e 7 7 6 3 介绍1 2 3 2 1 测量芯片a d e 7 7 6 3 介绍1 2 3 2 2 测量芯片a d e 7 7 6 3 引脚功能1 2 3 2 3 测量芯片a d e 7 7 6 3 的的工作原理及外围硬件设计1 4 3 3 存储模块l5 3 4r s 4 8 5 串行通讯1 6 3 5 温湿度测量模块1 8 3 6 时间模块2 0 3 7 人机界面模块 3 8 系统的抗干扰性”2 2 3 8 1 硬件抗干扰2 2 3 8 2 软件抗干扰2 3 3 8 3 “看门狗”2 3 3 9 本章小结2 4 4 系统软件设计2 s 4 1 系统总体软件设计2 5 4 2 采集模块的软件设计2 5 4 2 1a d e 7 7 6 3 内部寄存器读写的基本操作2 5 4 2 2a d e 7 7 6 3 软件流程2 6 4 3 湿度软件设计2 8 4 4 串行口通讯部分软件设计3 1 4 5 本章小结3 5 5 0 集系统 1 1 课题背景及意义 1 引言 水对我们的生命起着重要的作用，它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不 可缺少的最重要的物质资源之一。 我国淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗 斯和加拿大，居世晃第四位，但人均只有2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的l 4 、美 国的1 5 ，排在世界的1 2 1 位，已被联合国列为1 3 个水资源贫乏国家之一。因此，我 国水资源并不丰富，并存在以下特点：水量在地区上分布不平衡，呈东南多、西北少； 水量在实际分配上很不均匀，大部分地区冬春少雨、多春旱，夏秋多雨、多洪涝；水 土资源组合不相适应。近年来我国连续遭受严重干旱，旱灾的发生频率和影响范围扩 大，持续时间和遭受的损失增加。 正是由于水是人类生存的基本条件，是国民经济的生命线。日益严重的水资源短 缺和水环境污染不但严重困扰着国计民生，而且己经成为制约我国社会主义经济可持 续发展的主要因素。随着我国经济的快速增长，传统的水处理已不能满足社会经济快 速发展的需要，新的技术，新的工艺，新的设备应运而生。 1 2 我国的水处理水平与国外的差距 我国水处理行业近年来虽已取得较大的发展，但与世界先进水平还存在一定的差 距，同时由于多种因素的制约，其发展过程面临着重重困难。 我国水处理设备行业的发展是与我国环保产业的发展分不开的。国产水处理设备 的生产始于上世纪7 0 年代中后期，当时产品的标准化、成套化、系列化水平都很低， 定型产品较少。进入上世纪9 0 年代以来，城市水处理专用设备和与之配套的通用设 备的生产水平都有了很大提耐。 随着我国水处理设备正逐渐走向成熟，我国水处理设备领域中的技术规范、标准、 设计已逐步达到程序化与规范化。但工程设计水平有待提高，且产品制造技术与工业 发达国家的水平相比还存在较大的差距，与中等发展的国家相比也有一定差距。我国 的工业基础比较薄弱，机械、化工、材料等工业较为落后，水处理设备的生产制造水 平则整体上要比国外落后。其具体体现1 2 1 ： 一、产品品种少，更新换代慢，新产品的研发大多数也是简单模仿，消化吸收改 进与技术创新能力差，技术储备能力普遍偏低； 二，产品加工质量低，设备运行的稳定性差，可靠性低； 三、产品技术性能低，效率低，自动化程度低； 河北农业大学硕十学位( 毕业) 论文 四、产品的结构设计水平低，外观差。 要提高我国的水处理水平，关键是要提高水处理的装备水平，特别是要提高水处 理设备的水平，而更进一步的是提高水处理的设备数据采集的实时性、准确性和高可 靠性。通过提高对数据信息的及时采集、分析、处理，提高设备的处理能力，实现信 息的及时送达，事故及时处理。 1 3 课题研究主要内容 本文研究开发的水处理设备的数据采集系统是针对目前水处理设备出现的问题 提出的一种基于网络通信技术、自动采集技术的数据自动采集、传输和处理系统。通 过远程检测和调控，实现了系统的管理、控制一体化，克服了传统人工数据计量模式 集系统 水处理数据采集系统实际上是一个数据的集中采集终端，设计时需要一个总体设 计方案，以便后面具体开展设计工作。 2 1 系统的目标功能 根据用户的要求并查阅大量的相关文献资料，由用户确定数据采集系统应具备电 压检测、电流检测、数据监视、数据显示、数据存储和数据通讯等功能。 2 1 1 电压、电流检测 数据采集系统的电压、电流采集应该包括对多路的电压、电流分开检测能力。并 对电压、电流的测量量程做了如下规定： 直流：电压d c0 - 1 0 0 v ，电流d c0 - - 5 a ： 交流：电压a c2 2 0 - a ：1 0 ，电流a c0 - - 5 0 0 m a ； 供电电压选d c5 v 1 2 v 2 4 v 。 2 1 2 监视功能 该系统应该具有较强的监视功能，能不断的监视线路的电压、电流、温度、湿度 等相关数据，并对超过上限，低于下限的数据信息进行报警。温度范围1 0 1 0 0 ， 湿度范围0 - - 1 0 0 。 2 1 3 数据显示功能 数据显示功能可以通过按键切换分页面的方式显示系统的电压、电流、温度、湿 度及系统时间等数据信息。也可以对系统的各个参数的报警上下限进行人工设置，并 把报警信息显示在液晶显示器上。 2 1 4 存储功能 数据采集系统应该能够对一定时间内的设备运行参数进行数据存储，根据实际需 要，需要存储至少一个月时间内的运行参数。 2 1 5 数据通讯功能 数据采集系统需要把得到的相应数据上传，通过m o d b u s 协议可将数据上传至 上位机。根据应用方的需要，可以上传需要的运行参数，如电压、电流等信息。同时， 3 一 河北农业大学硕+ 学位( 毕业) 论文 当运行参数报警时，需要把某个或某几个报警信息通过手机短息的方式发 公司或个人。 2 2 系统结构设计方案比较 通过对国内外现有的产品分析中可以看到，目前的数据采集系统的结构方案大多 数采用以下两种：一种是d s p + m c u 结构，数据的采集和运算通过d s p 完成，然后 通过m c u 来完成控制、通信和人机交互的功能；这种结构增加了系统设计的难度， 并造成一定的资源浪费，同时成本造价也会相应提高。另一种是m c u + m c u 结构， 由m c u l 完成数据采集功能，由m c u 2 完成集中数据的显示、控制和通信功能；这 种结构的产品的优点是设计难度简单，造价成本低，但处理综合数据的能力比较差， 速度慢，耗时多。 近些年来，微电子技术、计算机技术的飞速发展，有力地推动了专用的数字信号 处理芯片的研制与开发，许多国内外公司根据不同的测量原理设计出的计量专用芯 片，为我们设计此类产品提供了思路 4 1 。在m c u + m c u 结构的基础上进行改造，采 用在前端单片机上添加电能计量专用芯片的方案，即通过前端的单片机对计量专用芯 片的控制寄存器写入适当的控制字。计量专用芯片的使用可以简化单片机系统的设 计，这是由于计量芯片中多个寄存器可以通过串行口的读写，来完成所需测量数据的 读入。5 1 单片机数据处理能力不算强大，而计量专用芯片有硬件乘法器、开方器等， 刚好满足了计算的要求，减少了单片机系统的任务量。而对于前端单片机而言，只需 要读写电能计量专用芯片的控制寄存器、处理中断以及将计量芯片处理过的数据送 到后端单片机。这样的优点可以使终端的数据采集单元和数据处理单元较为均衡与合 理。此外，它的另一个特点是经过计量芯片输出的数据可以直接达到数据要求的精度 和分辨率。 综上所述，本文中的水处理设备数据采集系统采用电能计量专用芯片配合 m c u + m c u 的系统结构方案。由采集终端和集中采集器两部分组建数据系统。配有 计量专用芯片的单片机应用于采集终端，第二个单片机作为集中采集器的主控单片 机。 2 3 芯片选型 从前面的介绍可以看出数据采集系统应该就是一个高效的、精密的检测系统，要 想使数据采集系统达到产品设计要求的目标性能和技术指标，如何选择合适的m c u 和计量专用芯片是成功设计的关键一步。 4 基于远程通信的水处理设备数据采集系统 2 3 1m c u 选型 ( 一) 单片机的选择 整个数据采集系统都是以单片机为控制核心，因此主控芯片的选择和应用是非常 重要的。 单片机是指在一块芯片上集成了中央处理器c p u 、随机存储器r a m 、程序存储 器r o m 或e e p r o m 、定时器计数器、中断控制器及串行和并行i 0 接口等部件。 目前，新型单片机内还有a d 及d a 转换器、高速输入输出部件、d m a 通道、浮 点运算等特殊功能部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别 适用于工业控制及其数据处理场合。因此，其确切的称谓是微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e r ) ，单片机只是其习惯称谓1 4 j 。 单片机的应用已经深入到工业、交通、农业、国防、科研、教育以及日常生活用 品( 家电、玩具等) 各种领域。几乎可以说，只要有控制的地方就有单片机的存在。 结合本设计的要求及需要，系统设计需要双串行口进行通讯，同时支持s p i 通讯， 所以选用宏晶科技公司的s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 和s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机分别作为 m c u i + m c u 2 方案中的m c u l 和m c u 2 。由于s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 和s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的价格便宜，开发简单，从开发周期和研发费用上来说都是合理的选择。 ( 二) 单片机的特性 1 s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机 s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 作为宏晶科技公司的一款单片机，它的特点主要表现以下几点： 1 ) 高速：1 个时钟机器周期，增强型8 0 5 1 内核，速度比普通的8 0 5 1 快8 - - - 1 2 倍，可用低频晶振，大幅降低电磁干扰( e m i ) 。 2 ) 低功耗： 掉电模式：外部中断唤醒功耗 0 1 衅，支持下降沿上升沿低电平和远程唤醒。 空闲模式：典型功耗 1 8 m a 。 正常工作模式：2 7 m a - 7 m a 。 掉电模式可由中断唤醒，适用于电池供电系统。 3 ) 宽电压、宽温度范围工作稳定：s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 的工作电压范围为5 5 - - 3 3 v ， 不怕电压抖动，工作温度范围为4 0 - 8 5 。c ，并且具有超强抗干扰能力，高抗静电 ( e s d 保护) ，轻松过4 k v 快速脉冲干扰( e f t 测试) 。 4 ) 方便高效的开发环境：支持在系统可编程，无需编程器，无需仿真器，可远 程升级。 2 s t cl2 c 5 a 6 0 s 2 单片机 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 作为宏晶科技公司的一款单片机，它的特点主要表现以下几点： 1 ) 高速：1 个时钟机器周期，增强型8 0 5 1 内核，速度比普通的8 0 5 1 快8 1 2 倍，可用低频晶振，大幅降低电磁干扰( e m i ) 。 2 ) 低功耗： 掉电模式：外部中断唤醒功耗 0 1 衅，支持下降沿上升沿低电平和远程唤醒。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 - - _ _ _ _ _ 一 空闲模式：典型功耗 1 3 m a 。 正常工作模式：2 m a , - 一7 m a 。 掉电模式可由中断唤醒，适用于电池供电系统。 3 ) 宽电压、宽温度范围工作稳定：s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 的工作电压范围为5 5 , - - , 3 3 v 工作温度范围为- 4 0 c - - 8 5 c ，并且具有超强抗干扰能力，整机轻松过2 万伏静电测 试。 4 ) 方便高效的开发环境：支持在系统可编程，无需编程器，无需仿真器，可远 程升级。 ( 三) 单片机的内部资源 1 s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机 0 2 8 k 字节片内f l a s h 程序存储器，擦写次数1 0 万次以上。 0 2 5 6 + 5 1 2 字节片内r a m 数据存储器。 4 k 芯片内e e p r o m 功能，擦写次数1 0 万次以上。 i s p i a p ，在系统可编程在应用可编程，无需编程器仿真器。 8 通道，1 0 位高速a d c 。4 路p w m 可当4 路d a 使用。 4 通道捕获比较单元( p w m p c a 肥c u ) ，也可用来再实现4 个定时器或4 个外 部中断( 支持上升沿下降沿中断) 。 6 个1 6 位定时器，兼容普通8 0 5 1 的定时器t 0 t 1 ，4 路p c a 也是4 个定时器。 硬件看门狗( w d t ) 。 高速s p i 通信接口，全双工异步串行口( u 趾玎) 。 通用2 7 个i o 口，复位后为：准双向i z l 弱上拉，可设置成四种模式，准双向 口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏，每个i o 驱动能力均可达到2 0 m a ， 但整个芯片最大不得超过5 5 m a 。 由于所开发的数据采集终端，需要很好的数据通信能力，即要求单片机支持高速 s p i 通信接口，而s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机所具备的高速s p i 通信接口为数据的提取提 供了很好的条件。 2 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机1 5 j * 6 0 k 字节片内f l a s h 程序存储器，擦写次数1 0 万次以上。 1 2 8 0 字节片内洲数据存储器。 芯片内e e p r o m 功能，擦写次数l o 万次以上。 i s p ，i a p ，在系统可编程在应用可编程，无需编程器仿真器。 8 通道，1 0 位高速a d c ，速度可达2 5 万次秒。2 路p w m 可当2 路d a 使用。 2 通道捕获l t , 较单元( p w m p c c c p ) ，也可用来再实现2 个定时器或2 个外 部中断( 支持上升沿下降沿中断) 。 4 个1 6 位定时器，兼容普通8 0 5 1 的定时器t 0 t 1 ，2 路p c a 也是2 个定时器 硬件看门狗( w d t ) 。 高速s p i 通信接1 3 ，全双工异步串行口( u a i 盯) 。 通用4 4 个i o1 2 1 ，复位后为：准双向口弱上拉，可设置成四种模式，准双向 6 基丁远程通信的水处理设备数据采集系统 上拉，仅为输a , 高阻，开漏，每个i o1 3 的驱动能力均可达到2 0 m a ， 得超过1 2 0 m a 。 由于所开发的数据集中采集器是一个要求具有双串行口通讯能力，所以对选择的 单片机的通讯机制要求很高，而s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机所具有的双串口能力可以很 好的解决通信的要求，同时此单片机所具有的高速s p i 通信接口可以为其他数据的提 取提供很好的条件。 ( 四) s t c 单片机在系统开发中的优越性 首先，s t c 单片机有较高的处理速度和时钟频率，能很好的实现各种算法；其次， 有高速s p i 通讯接口和两个串行口，可以很好的实现不同条件的数据交换的要求；再 次，s t c 内部的e e p r o m 掉电不丢失的特点可用于存放各种数据；最后，通过i s p i a p 功能，可以使芯片在不脱板的状态下载程序，便于产品软件换代升级。 此外，s t c 单片机所具有硬件看门狗的特点，可以使芯片工作在恶劣的电磁环境 下。因为s t c 具有宽电压范围，所以负载端电压的波动不会影响单片机的正常运行。 同时，s t c 的i o 口资源非常丰富。 并且s t c 单片机属于小型封装，在制作p c b 时便于p c b 的紧凑化设训6 1 。 该两款单片机还具有一个优势，其内核为r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集) ，拥有更高的工作速度。r i s c 的指令系统相对于传统的c i s c ( c o m p l e x i n s u c t i o ns e tc o n p u t e r 复杂指令集) 要简单一些，因为r i s c 主要是把精力放到常用的 指令上，使指令具有简单高校的特点，而不常用的指令则通过组合指令来完成。 采用r i s c 体系结构，精简指令后绝大部分成为单周期指令，而且通过增加程序 存储器的宽度，实现一个地址单元存放一条指令。在这样的体系结构中，很容易实现 并行流水线操作，其结果大大提高了指令运行速度，可以实现一个时钟周期执行一条 指令。从另一方面看，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好 的电磁兼容效果。 2 3 2 测量芯片选型 如今人们对于采集检测设备的要求越来越高，希望一个采集装置能够具有多种功 能。如果数据测量使用普通的电子器件搭建的模拟电路，则一般电路复杂，数据计算 量大，并且测量精度低，可靠性低，成本高、调试困难，对单片机的要求也会相应提 高。近年来，随着一些专用数字信号处理芯片的研制和使用，国内外大多数仪表公司 都利用这类芯片研制高精度、低误差、体积小、高安全而且硬件和软件设计简单的参 数测试仪【7 1 。 a d e 7 7 6 3 是美国模拟器件公司最新推出的专用电能计量芯片，利用它能够测量 有功电能、视在电能、瞬时电压、瞬时电流、电压和电流均方根值等电量参数。以下 是a d e 7 7 6 3 电能计量专用具有的特性： 高精度；支持i e c6 1 0 3 6 6 0 6 8 7 、i e c 6 2 0 5 3 2 1 和i e c 6 2 0 5 3 2 2 标准 片内数字积分器可以直接与具有d i d t 输出的电流传感器接口 7 一 一 e 2 5 时，在1 0 0 0 ：1 的动态范围内有功功率测量误差小于o 1 提供仅累计正功率模式 片内用户可编程的线路电压浪涌阈值，s a g 和p s u 电源监控器 功率、相位和输入失调数字校准 片内温度传感器( 典型值士3 ) e s p i 兼容型串行接口 a d e 7 7 6 3 的内部包含两个程控放大器，两个2 阶1 6 位的一a a d c 转换器，一 个电压基准，一个温度传感器以及一个功能可通过寄存器配置的d s p 算法内核，d s p 内核的计算是通过数字化的电压电流数据来完成f 8 】。 根据a d e 7 7 6 3 所具有的特点，符合本设计的要求，能够实现对电压、电流均方 根值采样计算，并能满足精度要求。 2 4 总体方案设计 本方案中系统采用双c p u 模式，即m c u + m c u 模式，分为两个主模块组成形式。 一个主模块在本文中称其为采集终端，另一个主模块称其为集中采集器，如图2 1 所 示。本文将在下面来具体介绍这个两个模块的具体功能。 图2 - l 系统结构图 f i g 2 1s c r u 咖r eo fs y s t e m 集中采集器结构图如图2 2 所示。采集终端是以s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机为主控 制系统，并结合计量专用芯片a d e 7 7 6 3 ，配以通讯系统和电源系统。计量专用芯片 a d e 7 7 6 3 是该终端的核心，当某被测电路被单片机选通时，该电路的模拟电流、电 压信号经过a d e 7 7 6 3 采样，通过其内部的计算得到电压均方根值和电流均方根值并 存放在片内的寄存器中，将有效值从寄存器中读出通过a d e 7 7 6 3 芯片上具有的s p i 通信，传递给s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机。单片机把相应的数据通过r s 4 8 5 通讯上传至 集中采集器的单片机主控模块。通讯时采用m o d b u s 通讯协议，以提高数据传送的 高可靠性和通用性。 基于远程通信的水处理设备数据采集系统 a d e 7 7 6 3 s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机 r s 4 8 5 通讯模块 图2 - 2 采集终端结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f c o l l e c t i o nt e r m i n a l 在本方案中集中采集器的设计是以s t c l 2 c s a 6 0 s 2 单片机为主控单元。主要由 存储模块、通讯模块、人机界面模块、温湿度模块、时间模块、电源模块等几大模块 组成。它的原理结构图如图2 3 所示。该系统主要是负责数据的采集，并要求能够存 储至少一个月的数据，因此需要具有大容量的存储模块，用来存储大量的采集数据。 通讯模块包括r s 4 8 5 通讯和g s m 远程通讯两部分。r s 4 8 5 通讯用于采集终端与集中 采集器的之间的通讯以及集中采集器与上位机之间的通讯；而g s m 远程通讯用于集 中采集的数据与用户之间的通讯，实现现场信息实时远程上报，与设备的远程管理。 而作为一个完整的智能化系统，人机界面模块是必不可少的。人机界面模块包括显示 部分和键盘输入部分。显示部分用以显示要求采集的数据，及报警信息设置；键盘输 入部分用以选择显示页面，也可设置报警上下限等信息。系统还具备一个温湿度检测 能力，对设备当前环境进行检测，上报当前环境数据。同时系统还有一个时钟模块， 为系统提供可靠的时间保障。电源模块则通过稳压芯片为存储模块、通讯模块、人机 界面模块、温湿度模块、时间模块提供可靠电力，以减少模块之间的相互干扰，提高 采集数据的精度和系统的稳定性。由于该采集系统可能在相对差的环境中工作，可能 有一些干扰，因此，需要采用一些特殊的措施如光电隔离、大面积接地、掉电保护、 看门狗等措施用以消除干扰保证系统的可靠、稳定的运行。 图2 - 3 集中采集器结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo f c e n t r a l i z e dc o l l e c t o r 9 2 5 本章小结 本章讨论了数据采集系统的总体方案设计。首先结合课题的需求给出了采集系统 的目标功能，提出了采集系统目标功能和具体要求；针对采集系统的目标功能和数据 要求，对目前国内外数据采集系统的结构设计方案优缺点进行了分析比较后，确定数 据采集系统采用计量专用芯片配合m c u + m c u ，即采集终端+ 集中采集器的系统结构 方案；结合设计要求和设计结构进行单片机和电能计量专用芯片的选型，选定适合设 计要求的单片机和计量专用芯片。确定水处理设备数据采集系统的采集终端选用 s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机和a d e 7 7 6 3 电能计量专用芯片；而集中采集器选用 1 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机。最后介绍了水处理设备数据采集系统的总体设计方案和总体 图，并详细说明了采集系统的模块组成和各个模块的功能特点。 基于远程通信的水处理设备数据采集系统 3 1 硬件总体设计 3 系统硬件设计 整个数据采集系统的大体硬件结构原理图如图3 1 所示：分为采集终端和集中采 集器。 i 、l 7 、一i - u ld s l 2 c 8 8 7 i ! ! 型：堂皇i s p i f m 2 5 2 5 6 + 叫铁电存储器i 4 8 5 通讯 刻喽磐h 镳弘 s t c l2 c 5 6 2 8 a d l 卜 s t c l2 c 5 a 6 0 s 2 is h t l l 温湿i 单片机广 单片机 叫度芯片一i 叫液o c 晶”j 显4x 示8 模c - 块7 可面匦门 g s m 供块i 图3 - l 硬件结构原理图 f i g 3 - 1h a r d w a r es t r u c t r eo fs c h e m a t i cd i a g r a m 采集终端以s t c l 2 c 5 6 2 8 a d 单片机为控制单元，以a d e 7 7 6 3 为主要数据采集单 元，负责对电压、电流信号进行采样，计算出电压、电流的均方根值并将其存储在片 内寄存器中，m c u 通过s p i 读取数据。通过单片机控制c d 4 0 5 1 选择具体的对哪路 进行数据采样。m c u 的串行口具有两个功能，当对采集模块下载程序时，串行口主 要完成程序的下载，然后跳转到与集中采集器的r s 4 8 5 通讯中。 集中采集器是以s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机为主控单元。本设计通过按键控制液晶 屏菜单的切换以及数值的设置等；显示模块可以显示采集的电压、采集的电流、温度、 湿度、时间等信息；也可以对报警上下限进行设置。通讯模块，s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片 机具有双串口功能，其中串口一首先完成程序的下载，然后跳转到与上位机的通讯中； 串口二也要完成两个功能，一个是与采集终端进行的r s 4 8 5 通讯，还有就是定时与 g s m 模块通讯。因此串行口都是复用的。为了保证大量的数据正确收集以及对设备 的监控作用，同时还能够与g s m 模块通讯，需要一个正确的时钟，所以采用d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片。该芯片可以在日历模式下自动对秒、分、时、星期、日、月、年计数并且 还能产生秒、分的中断，其自带电池可以在系统掉电的情况下仍然继续工作，保证了 时间的准确性。 3 2 1 测量芯片a d e 7 7 6 3 介绍 a d e 7 7 6 3 配备专有a d c 和固定功能d s p ，可在变化较大的环境条件下长期保持 高精度特性。a d e 7 7 6 3 内置两个二阶1 6 位a a d c 、一个数字积分器( 在通道1 上) 、基准电压源电路、一个温度传感器及所有必需的信号处理电路。可选片内数字 积分器可以直接与罗氏线圈等