嵌入式智能水文信息采集及网络控制系统.pptx

设计课题 嵌入式智能水文信息采集及网络控制系统 制作人 等 前言 我国水文信息采集系统包括水情信息采集系统 工情信息采集系统和旱情信息采集系统 它是国家防汛决策系统的基础 水文信息采集系统主要完成水情 工情 旱情 灾情信息的采集和报送 其中 水情信息的采集由基层报汛站完成 并负责以数据通信方式把采集到的原始数据输入水文分站的计算机系统 由水文分站负责完成数据的预处理 包括话传信息的数据化和形成传真文件 工情信息的采集由基层防汛部门和工程管理单位负责完成 并负责以传真 话传和数据通信方式 把采集到信息输入地市防办的计算机系统 由地市防办负责完成信息的汇集 整理和话传信息的数据化 旱情信息的采集 报送 除水雨情信息仍由水情部门负责完成信息的采集和报送外 土壤墒情 地下水动态等旱情信息 原则上应由县级抗旱部门负责完成管辖区内的信息收集并报送给地市防汛抗旱部门 由地市防汛抗旱部门负责完成信息的汇集 整理和输入计算机系统 1 系统需求及技术指标 1 1系统需求一般水文信息采集系统包括多个水文数据采集站 它承担的主要任务是实时采集 存储 传输各采集站的水位 流量 日降水量 水库水位 入库流量 蓄水量等信息 实现水文信息采集和长期存储的数字化处理 并将实时采集的数据通过嵌入式控制器经GPRS空中接口接入无线网络 并由移动服务商转接到Internet 最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站 其功能框图如图所示 1 1系统框图 图1 1嵌入式水文信息采集系统框图 系统实物图 1 2技术要求 要研究和设计的嵌入式控制器需满足以下几个方面的技术要求 1 控制器应具有数字量 模拟量I O读写功能 能很好地读取底端的水文信息采集传感器 如流量计 水位计等 的数据并能控制各执行器动作 2 控制器应具有现场水文信息实时显示 数据查询的功能 3 控制器应具有良好的有线和无线通信的功能 能将现场采集到的数据发送到服务器 4 控制器应具有很好的实时处理能力 将得到的水文数据进行分析后分组打包 按照设定的协议将数据传送到数据中心 2 系统硬件平台总体设计方案 通常的嵌入式设备的硬件架构是以嵌入式微处理器为核心 通过CPU扩展接口以及平台硬件的支持 把众多的外设单元集到整个系统中 并通过CPLD等逻辑转换器件和其它硬件电路完成对外设模块进行读写和控制操作 本智能终端采用了S3C2410X处理器 利用S3C2410X出色的内核性能和丰富的外部接口构造一个嵌入式系统平台 其硬件框图如图2 2所示 图2 2嵌入式水文信息采集智能终端硬件构架 各部份基本功能如下 1 处理器采用S3C2410X 该芯片基于ARM920T内核 采用五级流水线和哈佛结构 提供1 1MIPS MHz的性能 是高性能和低功耗的硬宏单元 2 电源电路为5V到3 3V 3 3V到1 8V的DC DC转换器 给S3C2410X及其他需要3 3V电源的外围电路供电 3 采用12MHz晶振为S3C2410X芯片提供系统时钟 通过S3C2410X芯片内部集成的时钟控制逻辑可以产生系统所需的不同频率的时钟信号 4 NANDFLASH存储器存放Bootloader 嵌入式操作系统 应用程序和其它在系统掉电后需要保存的用户数据等 5 SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域 系统及用户数据 堆栈均位于SDRAM存储器中 6 1OM 1OOM以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道 通过该接口 系统可以10M或1OOMbps的速率接入以太网 7 JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问 通过该接口可对系统进行调试 编程等 8 系统通过一个RS232串口接一GPRS模块 实现无线数据传输功能 9 系统通过SPI接口扩展IO模块 负责数字量和模拟量的输入输出 图2 3嵌入式水文信息采集智能终端核心板原理图 图2 3嵌入式水文信息采集智能终端核心板原理图 2 2 1核心板硬件设计 2 2 1 1CPUS3C2410X功能概述S3C2410X是基于ARM920T内核的 最大工作频率能达到203MHz 可支持基本的外设接口 如彩色TFTLCD USB IIC IIS SPI UART等 并支持MMC和SD等标准的外部插卡 S3C2410X能支持NANDFLASH启动 具有很高的性价比 另外S3C2410X在市场上已有很多成熟的应用 因此作者选用了S3C2410X作为基于GPRS的嵌入式水文信息采集智能终端的应用处理器 下面是对S3C2410X功能的简要说明 S3C2410X芯片是韩国三星电子公司推出的一款基于ARM920T内核的16 32位RISC嵌入式微处理器 作为S3C2410X芯片的CPU内核 16 32位ARM920TRISC微处理器采用0 18umCMOS标准单元结构 ARM920T内核由ARM9TDM1存储管理单元 MMU 和高速缓存三部分组成 其中MMU可以管理虚拟内存 高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成 S3C2410X芯片集成了一个LCD控制器 支持STN和TFT液晶显示屏 NANDFL ASH控制器 SDRAM控制器 3个通道的UART 4个通道的DMA 4个具有PWM 脉冲宽度调制 功能的计时器和一个内部时钟 8通道的10位ADC S3C2410X还有很多丰富的外部接口 如触摸屏接口 I2C总线接口 I2S总线接口 两个USB主机接口 一个USB设备接口 两个SPI接口 SD接口和MMC卡接口 在时钟方面S3C2410X也有突出的特点 该芯片集成了一个具有日历功能的RTC 实时控制 和具有PLL M PLL和UPLL 的芯片时钟发生器 MPLL产生主时钟 能够使处理器工作频率最高达到203MHz 这个工作频率能够使处理器轻松运行WinCE Linux等操作系统以及进行较为复杂的数据处理 2 2 2 1电源电路设计 在该系统中 需要使用5V和3 3V的直流稳压电源 其中 S3C2410X及部分外围器件需3 3V电源 另外部分器件需5V电源 5V直流电源通过DC DC转换成3 3V 由于ARM内核需要1 8V的电源 因此需要将3 3V再转换成1 8V 系统电源电路如图2 6所示 图2 6电源电路图 图2 6电源电路图 2 2 2 3串口电路设计及GPRS模块 几乎所有的微控制器和PC都提供串行接口 使用电子工业协会 EIA 推荐的RS 232 C标准 这是一种很常用的串行数据传输总线标准 要完成最基本的串行通信功能 实际上只需要RXD TXD和GND即可 在本系统中用到RS232转换芯片MAX3232CSA 在本系统中 通过RS232接一个GPRS模块 通过GPRS模块把数据发送到GPRS网中 由于GPRS网与互联网都是基于IP协议的 且是互相连接的 所以只要主站监控管理中心可以通过任意方式上网 终端数据就可以通过GPRS网络透明地传送到主站监控管理中心 监控管理中心的查询命令或控制命令也可以通过互联网和GPRS网发送到GPRS模块中 再由GPRS模块传送给各个终端模块 对它们进行操作 通过GPRS 终端检测控制部分可以直接访问互联网 所以在主站管理监控中心并不需要购置GPRS模块 中心只需通过宽带 ISDN或ADSL上网即可 本系统采用的是西门子公司的MC35iGPRS模块 这个先进的GPRS模块接收速率可以达到86 20kbps 发送速率可以达到21 5kbps 当然最大的数据吞吐量还依赖于GPRS网络的支持 支持GSM900和GSM1800双频网络 14 它为远程测量和监控提供了一个理想的解决方案 实现了完整的PPP协议及上层TCP IP协议 可以通过简单的串口通信实现接入Internet GPRS模块电路原理图主要分为三个部份 一部份为MC35i模块接口 40针 一部份为SIM卡接口电路 8针 还有一部份为串口电路的设计 整个电路如图2 9所示 图2 9GPRS模块电路原理图 图2 9GPRS模块电路原理图 2 2 2 4SPI接口电路及IO扩展模块的设计 S3C2410X有一个SPI系统 它是一个同步串行外围接口 允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信 可使用SPI来扩展各种接口芯片 这是一种最方便的扩展方法 它的最大优点是只需3 4根数据和控制线即可扩展各种接口器件 本系统采用SPI扩展IO模块 IO模块的主要功能是扩展DI DO AI AO 通过这些模块实现与下端的传感器相连 这些传感器如水位计 流量计 雨量计等等 从而实现通过SPI来读取下端传感器的数据 SPI接口电路使用四个I O脚 它们是串行时钟SPICLK 主机输入 从机输出数据线SPIMISO 主机输出 从机输入数据线SPIMOSI和低有效的从机选择线nSS SPI 电路如图2 10所示 图2 10SPI接口电路图 图2 10SPI接口电路图 2 2 2 5TFTLCD接口及触摸屏电路设计 S3C2410X内部已经集成了LCD控制器 因此可以很方便地去控制各种类型的LCD屏 例如STN和TFT屏 S3C2410XLCD控制器的特性 对于TFT屏的主要特性有 16 支持单色 4级灰度 256色的调色板显示模式 支持64K和16M色非调色板显示模式 支持分辩率为640 480 320 240及其它多种规格的LCD 对于控制TFT屏来说 除了要给它送视频资料 VD 23 0 以外 还有以下一些信号是必不可少的 分别是 VSYNC VFRAME 帧同步信号 HSYNC VLINE 行同步信号 VCLK 像数时钟信号 VDEN VM 数据有效标志信号 S3C2410X内置1个8信道的10bit模数转换器 ADC 该ADC能以500Ksps的采样速度将外部的模拟信号转换为10bit分辩率的数字量 同时ADC部分能与CPU的触摸屏控制器协同工作 完成对触摸屏绝对地址的测量 主要特性有 分辩率 10bit 相信误差 2LSB 最大转换速率 500Ksps 模拟量输入范围 0 3 3V 分步X Y坐标测量模式 自动X Y坐标测量模式 中断等待模式其LCD接口及触摸屏电路图如图2 11所示 图2 11TFTLCD接口及触摸屏电路图 图2 11TFTLCD接口及触摸屏电路图 图5 1系统应用软件程序总体框图 图5 1系统应用程序总体框图 GPRS数据收发模块主要负责数据的收发 即系统的通信部份 GUI模块是系统的人机界面部份 通过GUI模块调用其它应用程序来显示和设置整个系统 关于这一部份将在下一节作详细的分析 应用程序数据采集模块是用来完成通过IO扩展模块采集各传感器的数据的 并将数据保存到数据库中以便其他程序调用 系统还有其它一些应用程序如系统时钟设置 关机 重启 用户设置等等 3 2系统驱动程序开发 3 2 1嵌入式Linux驱动程序概述系统调用是操作系统内核与应用程序之间的接口 设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口 设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节 这样在应用程序看来 硬件设备只是一个设备文件 应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作 对硬件设备进行打开 关闭 读写等操作 它主要完成以下功能 1 对设备初始化和释放 2 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据 3 读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据 4 检测和处理设备出现的错误 Linux系统支持三种类型的硬件设备 字符设备 块设备和网络设备 字符设备以字节为单位进行数据处理 一般不使用缓存技术 如打印机 键盘等 块设备允许随机访问 而且常常使用缓存技术 如软盘 硬盘 光盘等 网络设备在Linux系统中有专门的处理 主要是通过BSD套接字进行访问 与字符设备和块设备相对应的有两类设备驱动程序 分别称为字符设备驱动程序和块设备驱动程序 两者的主要差别在于 与字符设备有关的系统调用几乎直接和驱动程序的内部功能结合在一起 而读 写数据块设备则主要和快速缓冲存储区打交道 只在需要完成实际输入输出时 才用到块设备驱动程序 如图3 1字符设备和块设备驱动程序结构框图所示 图3 1字符设备和块设备驱动程序结构框图 图3 1字符设备和块设备驱动程序结构框图 图5 3系统登录界面图 图5 3系统登录界面图 这一部份界面主要是通过类FirPage来实现的 FirPage类的定义 FirPage h 如下 classFirPage publicQDialog Q OBJECTpublic FirPage QWidget parent 0 constchar name 0 定义构造函数 FirPage voidkeyboard 键盘界面设计boolgetText 获得从键盘输入的数据QPushButton keyboardButtons 36 定义键盘的按键QPushButton deleteButton 定义键盘上的删除按键QPushButton capslockButton 定义键盘上的CapsLock按键publicslots voidkeyboardClicked intdigit 定义一个槽 响应键盘按键被按下的事件voiddelEditText 定义一个槽 响应键盘删除按键被按下的事件voidcapslockText 定义一个槽 响应键盘CapsLock按键被按下的事件private 界面部件的定义QLabel topLabel QLineEdit passwordEdit QLineEdit nameEdit QLabel nameLabel QLabel passwordLabel QPushButton enterButton QLabel buttomLabel QButtonGroup keyboardGroup virtualvoidwidgetTextSet 各部件te