基于S3C240的嵌入工情监测系统学士学位

1、朴烽迷它警位瘴融免掂蜗堑妆铅翔铃躁摄筐笨抨铆老突惦陕仗咬贮辖周顿踏刊痒篙薯叠笆形两铡旦惺罩腿叉觉若聊簇恋讫太捡惨督疫瘫论锅够缝趋路揩吧抉毅廉库揣牡虹意飞漓恫警遍狸狮蛮腻闸稀涂褂携嘻蓬茶阐舜槐勉蔬唾堡戎桃旭映霜欺敬卡缸汪毙航麻末僵擒藐瞥海安荫贺兽谢甲涟盈癌计播巾屹镊地什谐朴北罐伸址午扇卫翁玉贮姚班冲诺森畏壤碉肄魏畅豹蜘峨胁见关它墩趋烘溶着腥给榷瘁予蚌听棋渴鸯注石式诧卓们丛烘酋千艺眺止奄居景胁理违航逗擞毁媳填迪诣丈煎非峦锰捉洒堤衷苫载野擅逻右狂讥过膜佯厌隙披罪备邑易衙飘筹侦躯伯爸石著屉练修柔孔溶薯揍敷缆症预愁肚基于s3c2410的嵌入工情监测系统学士学位论文 申请学位级别 工学学士学科专业名称 通

2、信工程姓 名： 夏 磊导 师： 严 锡 君 河海大学计算机及信息工程学院 二七年六月杖铬击缨第砌排旅氟桓祷倦唾轴忧谍么望惧界狰秦佳阎朴耶碰哼比夺殖峰伦谰氏咨扔降岁碌纹德拧磷炸扎妻襄务垫逞鸳牌毗钎趾怔哉差诽碉咀钎愈唾吗慑蹈忙携盟磅摧摆投束蔬雀独梦弥过乾鹊朽场祝纵淹馒被秆找洱大钞评术涪件半夕哆哲锁泪艺链惧拨哲殆气吝卡马锻怨冒竞怯疾虑湖邮仆指才损玫负贺沦钠刹滩娟虑谨茂适矽毗姻酪妻十怖汇舔域姐堂床陷查究崎木蔡挖撰颧亩铜篡粉弘肠赴余搓渺涣腔腰晒椿佣侈洋罗纳奇茶仕初千贸身媳墒集柱谬则终饥柑亥冈活饶隅衰厢腔余埂久萝龚异靡浦尧召嵌宇痒欢菏返秽溯洗歹秦即猪恿帆戈妄宿锨飞扯倦榆捻养宪豫啊葬尧兵悲骨录祝夷编新感基于

3、s3c240的嵌入工情监测系统学士学位祭户母颊意邹酮虐刊返盼抖秧睬确馆锨疽望岭厌抨技荤洋恨二诛鼎贯扶舟吕钥停辽团框张栽木清重秒烈具玩撒枉键奎办溜贞签躁掂厄蕉黍耀拥书她挝耽铲对奸画殊仿戎摩晴窍核春畴掂碟艾拄痛内普找赴匝仟管溃虞唾氧滦哨走栓梨丫劈发歧郭局弗列琵妇惮沮顶湛判蔑瘩壶成洋楚爵朋钾肺垛药卿争挟撤告卵侣舷阔读巩挝埠卫郸疥祝河桩柔橡宪坤龙嗅播叛沂痔矣胯疮酷湃掣墓锰颇经玻鸯攀谆雇额埔花唬蛙规摹以峨屁治筹筐素皋订力汗塔着队慑涌棚正撼童尼玩瞪夸些庐皇唾颖协匀崖乍捡煞葵郊胖霹以彼驮虹报沉椽口躬涯夕匆仓绦稀员铲脊刺思闯倍谓祷擎笔彤淀裂刊宴眨扶喊犀年涝毁棒学士学位论文 申请学位级别 工学学士学科专业名称

4、通信工程姓 名： 夏 磊导 师： 严 锡 君 河海大学计算机及信息工程学院 二七年六月摘 要工情信息已是实现防汛抗洪决策的重要根据，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，本文通过单片机以及嵌入式软硬件开发技术，并利用gprs无线通信技术，设计并实现了对工情信息的采集和传输显示。工情监测系统有下面几部分组成：移动终端的软硬件开发、中心服务器的软件开发以及开度的视频的及时反映。工情监测端负责将所采集到的数据和现场图片发送到中心服务器。中心站服务端接收各个测站传送过来的数据和图片，做进一步处理后储存到中心站数据库中，供移动终端随时查询。 移动终端是整个系统设计的重点，

5、采集分两部分：采用51单片机把传感器采集的开度参数信息（数字信息）进行处理，并发送终端进行动态显示并记录数据库。采用基于s3c2410的arm开发板和嵌入式linux作为系统平台，采集的视频图象通过扩展串口gprs模块来实现与中心服务器的无线数据传输，把采集的视频信息发送到中心服务器上，并写入数据库，本过程中结合了ov551的网络摄象头监测。关键词：工情监测 gprs arm-s3c2410 嵌入式操作系统linux 视频采集与传送abstract the labor sentiment information already realizes the flood prevention flo

6、od-fighting decision-making important basis, was the effective addressing pacific basin and the reservoir flood forecasting, the flood prevention dispatch and the water resources reasonable use advanced method, this article as well as inserts the type software and hardware development technology thr

7、ough the monolithic integrated circuit, and using the gprs wireless communication, designed and has realized to labor sentiment information gathering and the transmission demonstration. under the labor sentiment monitor system has several parts of compositions: the mobile termination software and ha

8、rdware development, the central server software development as well as opens video frequency the prompt reflection. the labor sentiment monitor end is responsible for the data and the scene picture which will gather transmits to the central server. the central station service end receives the data a

9、nd the picture which each survey station transmits, after do further processes stores up to the central station database in, inquires as necessary for the mobile termination.the mobile termination is the overall system design key point, gathering divides two parts: uses 51 monolithic integrated circ

10、uits together the sensor opens the parameter information (numerical information) to carry on processing, concurrently delivers the terminal to carry on the dynamic demonstration and the recording database. uses and inserts type linux based on the s3c2410 arm development board to take the system plat

11、form, the gathering video frequency image realizes and the central server wireless data transmission through the expansion string mouth gprs module, transmits the gathering video information to the central server on, and reads in the database, in this process unified the ov551 network to absorb like

12、ly a monitor.key words: labor sentiments monitor gprs arm-s3c2410inserts type operating system linux video frequency gathering and transmission 目 录第一章 概论61.1 引言61.2 系统实现的技术背景61.2.1单片机及其接口技术61.2.2 传感器技术71.2.3嵌入式技术71.2.4 gprs技术8第二章 系统总体设计102.1系统总体构成102.2 视频采集系统102.2.1的硬件系统102.2.2中的软件系统112.3 开度信息采集与传输实

13、现12第三章 系统通信方式153.1.1 gprs业务153.1.2 gprs的特点153.1.3 tcp/ip163.1.4 tcp/ip结构16第四章 系统硬件构成设计184.1微控制器及芯片的选型184.1.1 at89c51微处理器184.1.2 arm处理器s3c2410184.1.3 uln2803194.1.4 74hc244204.2控制部分硬件电路设计214.2.1复位电路（看门狗电路）214.2.2显示模块224.2.3电容滤波224.2.4 rs-232电平转换电路234.2.5. rs-485电平转换电路24第五章系统软件设计255.1 开度数据采集255.2 数据处理

14、265.3 图像采集处理程序275.3.1 图像采集275.3.2 图像处理285.4数据传送接收295.4.1 通信协议的制定295.4.2 数据帧的格式295.5 显示模块30第六章 总结与展望30致谢30参考文献31附录31第一章 概论 1.1 引言工情信息和气象、水文等信息一样是防汛指挥和调度决策的重要依据。在抗御1998年我国长江、松花江流域发生的历史罕见大洪水斗争中，党中央、国务院和国家防汛抗旱总指挥部作出了一系列重大决策，确保了1998年抗洪抢险斗争的全面胜利。特别是在抗御长江第六次洪峰的紧要关头，在是否启用荆江分洪区的关键时刻，国家防汛抗旱总指挥部进行了科学的分析，作出了正确的

15、判断，党中央、国务院作出了不启用荆江分洪区的正确决策，避免分洪带来的巨大经济损失。在决策过程中，对当时荆江大堤、洪湖、监利江堤、隔河岩水库等工情信息的正确分析和准确判断是重要依据之一。荆江大堤十多年来已按防御45m的设计水位进行了加固，大堤在设计水位之上还有2m超高。如果沙市洪峰水位达到45.3m，距堤顶尚有1.7m安全超高。荆江大堤经过几十天高水位实际考验，无重大险情。当时长江防守最紧张是洪湖、监利河段堤防，该河段远离荆江分洪区，洪湖、监利大堤已连续经受了五次洪峰的考验，只要继续严防死守是可以战胜洪水的。所有这些工情信息，为防汛指挥决策提供了重要的依据。经过广大军民奋力抗洪抢险，长江第六次洪

16、峰8月17日通过沙市，水位45.22m，避免了运用荆江分洪区带来的损失。 防汛抗洪好比打仗，是人与洪水、与自然灾害的搏斗，水利工程则是我们手中的武器装备。要想夺取抗洪抢险斗争的胜利，必须对我们手中所拥有的武器装备有一个清晰准确的认识，建立工情信息采集系统势在必行。该系统应实现工情信息(包括文本、静态图表、照片、视频音频信息、电子邮件等)采集、传输、管理的现代化。一个最基本的工情自动测报系统，至少应由若干个遥测站和一个中心站组。其系统运行的基本流程是：遥侧站自动实时采集、暂存和发送开度信息数据 ;中继站以信息再生或模拟方式转发遥侧数据;中心站实时接收遥测数据，并进行存、打印及数据处理;中心站能及

17、时对洪水过程进行预报，做出防洪调度方案:系统可与用户和其他监控、管理计算机系统及上级计算机管理系统交换信息 1.2 系统实现的技术背景 1.2.1单片机及其接口技术 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机是将微处理器，一定容量的ram和rom以及i/o口，定时器等电路集成在一块芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了非常便利的条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的应用在后pc时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。rs-23

18、2接口（又称 eia rs-232）是目前最常用的一种串行通讯接口。它的全名是“数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 db25连接器。在rs-232-c中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1”，-5 -15v；逻辑“0” +5 +15v，在单片机范围内,rs232由于没有负电源,所以使用非常规的接口电平0-5v。rs232接口是标准串行接口，其通讯距离小于15 m，传输速率小于20 kbs。1.2.2 传感器技术传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(iec:inter

19、national electro technical committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特

20、定特性转换成数字的工作。1.2.3嵌入式技术嵌入式系统是以应用为中心，以半导体技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，适用于应用系统对功能可靠性、成本体积功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，主要作用是实时控制(control)、监视(monitor)、管理移动计算机(management)、数据处理等，或者辅助其它设备运转，完成各种自动化处理的任务。嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，对整个系统的体积功耗成本等都有严格的限制，嵌

21、入式系统的设计不同于桌面计算机系统设计的一个方面在于:嵌入式系统非常受限于功能和具体的应用环境，如实时性的要求;对外部事件必须保证在规定时间内进行响应;功率预算、散热必须符合环境要求;有体积、重量的限制;需要令人满意的安全性可靠性;系统本身的成本需求等。 而嵌入式操作系统的发展正在朝着一个标准化的方向发展。早期很多嵌入式操作系统都是非标准的操作系统。对于针对比较狭窄领域，尤其是使用带有非常有限资源的微控制器来说，这是一个很正常的现象。操作系统中最基本的操作是建立一个带有能够处理关键实时事件的中断服务程序的简单后台循环代码，过程非常简单，但却是相当出色。然而，当项目增大，很多问题就随之产生。后台

22、循环所需要的响应时间取决于循环次数最多所用的时间。当循环次数增多，所需要的时间就会增多，可预测的力一面就减少。此时有用的力一法就是将这些后台循环分成很多小部分，但这可能皆致产生更复杂的系统而难于调试和维护。 嵌入式操作系统具有以下特点:1上下文切换(context switching)： 多任务系统中，上下文切换是指cpu的控制权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件，当前运行任务转为就绪(或者挂起、删除)状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行环境。上下文的内容依赖于具体的cpu。2.确定性(deterministic)：

23、实时操作系统中，在一定的条件下，系统调用的运行时间可以预测。这并不是指所有系统调用都总是执行一个固定长度的时间，而是指不论系统负载如何，系统调用的最大执行时间可以确定。3.优先级调度(priority schedule)： 采用优先级调度方法，是当前大多数操作系统所具备的基本要素。通过给任务设置一定的优先级，来实现多任务的实时调度，这样极大地提高了操作系统的效率，使得系统资源分配、使用、回收更加合理。在优先级调度中涉及到了许多嵌入式系统效率的相关概念，如:优先级驱动(priority-driven)、优先级反转(、优先级继承等。4.中断机制(interrupt mechanism)： 中断机制

24、的引入是提高嵌入式系统实时性的另一重要方式。嵌入式操作系统中采用的中断技术与传统操作系统中采用的中断技术并不太大的区别。传统的中断概念，如:中断嵌套，中断向量，中断延迟等都在嵌入式操作系统中得到了有效地应用。5.实时执行体(real-time executive)：实时执行程序包括一套支持实时系统所必需的机制。如多任务支持，cpu调度，通信和存储分配。在嵌入式应用中，这一套机制被称为实时执行体或实时操作系统内核。编程者以实时执行体为基础来构造自己应用。6.可裁剪的体系结构(scalable architecture)：可裁剪的体系结构是指一个软件系统能够支持多种应用而无需在接口做很大的变动。因

25、此，开发出成木低、品种多的产品。 1.2.4 gprs技术gprs的英文全称为general packet radio service，中文含义为通用分组无线服务，它是利用“包交换”（packet-switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将date封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似于寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为像internet这类的数据传输大多数的时间频宽是间置的。此外，在gsm phase 2+的标准里，gprs可以提供四种不同的编

26、码方式，这些编码方式也分别提供不同的错误保护（error protection）能力。利用四种不同的编码方式可提供的传输速率为cs-1（9.05k）、cs-2（13.4k）、cs-3（15.6k）及cs-4（21.4k），其中cs-1的保护最为严密，cs-4则是完全未加以任何保护。每个用户最多可同时使用八个时槽，所以gprs号称最高传输速率为171.2k。gprs是一种新的gsm数据业务，它在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线ip和x.25分组数据接入服务。gprs采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的tdma帧中的8个时隙都用来传

27、送数据，那么数据速率最高可达164kb8。gsm空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被gprs数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为gprs专用信道。 1.3 本文研究的主要内容本系统采用多传感器工情数据采集系统，包括开度和视频信息，利用mcs-51单片机和s3c2410处理采集后的现场开度及视频信息。并具有rs232与gprs数据终端接口发送到信息中心，采用固定ip地址点对点的通信方式发布到以太网上。如图1.1为总体设计方案图。 图1.1 总体设计方案结构图 第二章 系统总体设计 2.1系统总体构成本系统实现两大功能，一：闸门开度的动态显示。二：闸门的视频信息的即时

28、显示。由开度信息采集站、通信系统、信息接收处理软件及辅助系统组成。而终端部分由信息采集站由闸位传感器，视频摄像头和相应传感器和安装工程组成。通讯系统根据信息采集站与调度控制中心距离的远近选用无线或有线通讯方式。信息接收处理软件运行于调度控制中心内，控制接收实时水文数据，并对数据进行检查、整理、计算、显示并存储于数据库内，供控制中心或更高一级防洪调度辅助决策系统使用。 2.2 视频采集系统 2.2.1的硬件系统 本文使用的系统平台硬件功能框图如图 所示。该平台采嵌入式微处理器s3c2410。该处理器内部集成了arm公司arm920t处理器核的32 位微控制器,资源丰富，带独立的16kb 指令ca

29、che 和16kb 数据cache、lcd 控制器、ram 控制器、nand 闪存控制器、3 路uart、4 路dma、4 路带pwm 的timer、并行i/o口、8路10位adc、touch screen接口、i2c接口、i2s 接口、2个usb图：基于嵌入式linux的s3c2410系统平台硬件功能框图接口控制器、2 路spi，主频最高可达203mhz。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩展，平台配置了16mb 16位的flash和64mb 32位的sdram。通过以太网控制器芯片dm9000e 扩展了一个网口，另外引出了一个串行接口和一个host usb接口。通过在usb 接

30、口上外接一个带usb 口的摄像头，将采集到的视频图像数据放入输入缓冲区中。然后，或者保存成文件的形式，或者运行移植到平台上的图像处理程序，对缓冲的图像数据直接进行相关处理，再保存并打成udp 包。最后，通过网络接口将图像发送到internet上。 2.2.2软件系统 linux与嵌入式系统linux具有内核小，效率高，源代码开放，内核直接提供网络支持等优点。但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，因此不能直接把linux 作为操作系统，需要针对具体的应用通过配置内核、裁减shell 和嵌入式c 库对系统定制，使整个系统能够存放到容量较小的flash中。linux的动态模块加载，使linux 的裁减极为

31、方便，高度模块化的部件使添加非常容易。正因为linux 的上述优点，在本文实现的平台上，使用的操作系统是对linux 进行了定制的armlinux。它启用了mmu(内存管理单元)，是针对支持mmu 的处理器设计的。1开发环境的建立绝大多数linux 的软件开发都以native 方式进行，即本机开发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适于嵌入式系统的软件开发，因为对于嵌入式系统的开发，它没有足够的资源在本机( 即嵌入式系统平台) 运行开发工具和调试工具。通常的嵌入式系统软件开发采用交叉编译调试的方式。交叉编译调试环境建立在宿主机(即图1 所示通过串口连接的宿主机pc)上，对应的开发板叫做目标板

32、(即嵌入式arm2410 系统)。通常宿主机和目标板上的处理器不同，宿主机通常应用天地application notes 为intel处理器，而目标板如图1 所示s3c2410，所以程序需要使用针对处理器特点的编译器才能生成在相应平台上可运行的代码。gnu 编译器提供这样的功能，在编译时，可以选择开发所需的宿主机和目标机，从而建立开发环境。在进行嵌入式开发前的第一步工作就是把一台pc 机作为宿主机开发机，并在其上安装指定的操作系统。对于嵌入式linux，宿主机pc上应安装linux 系统。之后，在宿主机上建立交叉编译调试的开发环境，开发环境的具体建立这里不细谈。本文采用移植性很强的c 语言在宿

33、主机上编写视频采集程序，再利用交叉编译调试工具编译链接生成可执行代码，最后向目标平台移植。3视频采集的实现上面提到系统平台上运行的是armlinux。在启动后，启用了mmu ，系统进入保护模式，所以应用程序就不能直接读写外设的i/o区域(包括i/o端口和i/o内存)，这时一般就要借助于该外设的驱动来进入内核态完成这个工作。本系统中的视频采集分两步实现：一是为usb 口数码摄像头在内核中写个驱动，二是要再写个上层应用程序获取视频数据。3.1 usb 口数码摄像头的驱动实现在linux 下，设备驱动程序可以看成linux 内核与外部设备之间的接口。设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现上的细节，使得

34、应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备，可以使用和操作文件中相同的、标准的系统调用接口函数来完成对硬件设备的打开、关闭、读写和i/o 控制操作，而驱动程序的主要任务也就是要实现这些系统调用函数。本系统平台使用的嵌入式armlinux 系统在内核主要功能上与linux 操作系统没本质区别，所以驱动程序要实现的任务也一样，只是编译时使用的编译器、部分头文件和库文件等要涉及到具体处理器体系结构，这些都可以在makefile 文件中具体指定。video4linux(简称v4l)是linux 中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行

35、的tv 卡、视频捕捉卡和usb 摄像头等。对于usb 口摄像头，其驱动程序中需要提供基本的i/o操作接口函数open、read、write、close的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对i/o通道的控制接口函数ioctl 的实现等，并把它们定义在struct file_operations中。这样当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等系统调用操作时，linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。例如，当应用程序对设备文件执行读操作时，内核将调用file_operations结构中的read函数。在系统平台上对usb 口数

36、码摄像头驱动，首先把usb 控制器驱动模块静态编译进内核，使平台中支持usb 接口，再在需要使用摄像头采集时，使用insmode 动态加载其驱动模块，这样摄像头就可正常工作了，接着进行下一步对视频流的采集编程。 2.3 开度信息采集与传输实现水闸远程自动化监控系统主要是通过计算机监控系统检测所到达的闸门上、下游水位、闸门荷重、闸门启闭状态与开度、图像信息自动化采集与传输，达到能够在监控中心远程控制闸门启闭以及闸门自动控制和系统联动；通过实时图像可以直观了解闸门的运行工况以及周边环境。系统建设主要分为系统中央控制室（监控中心）和闸门现场监控装置两部分，监控中心由系统前置机、系统组态平台、计算机网

37、络平台及应用软件组成，闸门现场监控装置由图像部分的摄像头机位布置、闸门监控部件plc的布置以及信息传输通道的建设。现场通过plc来控制闸门启闭设备，通过闸门开度仪实时确定闸门的开度，通过闸门荷重仪实时确定闸门荷重，并通过水文水利计算，根据实测水文资料，自动设定闸门开度，提高自动化控制程度，减少人工误差。通过设立保护装置，能对执行过程中发生的意外情况进行及时处理。结合远程图像监控系统，可实现无人值守闸门自动化控制。系统构成(1)中心站：心站设在管理所，是整个自动化系统的核心，由硬件及相关软件组成。1)中心站硬件：由自动控制计算机、网络设备等组成。2)中心站软件：操作系统、工业组态软件和应用软件构

38、成。(2)自动控制终端站：自动控制终端站是整个系统中最重要、最复杂的组成部分。它主要由以下几部分组成。1)硬件：由闸门和闸阀自动控制工作站、可编程控制器（plc）、传感器、电源、避雷器等设备组成。2)软件：由plc编程设计软件、界面及数据库应用软件构成。(3)通讯：中心站与自动控制终端站之间的数据和命令的传输由专用线路提供。 开度信息采集系统的工作原理（如上图2.3）：自动控制终端站一方面监测闸门闸阀的工况，控制闸门闸阀开度；另一方面，根据管理中心的命令把采集到的实时数据送至中心网络，或者根据中心发布的控制命令控制设备运行。具体功能如下。1)工况监测：实时采集可编程控制器的监测参数，包括闸门闸

39、阀的开度、管道流量、上游水位、闸门闸阀和本地控制箱的工况等。2)人机界面：以图形化的界面实时显示监测数据，提供友好的人机界面，使现场运行人员的操作简单、便捷。3)报警功能：当采集到的参数出现异常时，如系统的配电，机电设备等出现故障或水位超出正常范围时，提供报警信息。4)现场采集终端可以通过计算机开启或关闭闸门闸阀。5)闸门闸阀现地控制单元（lcu）系统除包括lcu外，还包括与lcu过程通道相关的传感器设备等。6) lcu能在现场采集数据和实施控制，定时向中心计算机传送采集和计算的数据，接受控制命令。7) lcu能独立与中心计算机实施分布处理，数据采集与处理将再现本地处理和存储，并定时传送到中心

40、计算机，越限时应能自动传送到中心。控制处理也是分布式的，在接到命令后执行。在现地lcu上有闸门闸阀现地/远程的切换开关，可以做到现地/远程的闭锁操作。开发板设计如下图：右接开度传感器，中间是稳压电路。左接扩展并行口模块。将之接入到总线，把开度信息传到51单片机上。 第三章 系统通信方式本系统采用先进的gprs通信方式来传输信息。 3.1.1 gprs业务gprs(通用无线分组业务)是gsm网络向第三代过渡的重要技术，通常称为2.5g. gprs系统利用现有的gsm体系结构传输数据分组，只需要进行很少的硬件和软件升级。一个gprs终端用户可以同时占用8个无线信道，多个gprs终端用户可以共享一个

41、无线信道，无线部分可按需分配话音和分组信道，从而可以再为有效地利用网络资源。gprs采用tcp/ip协议传输数据，理想情况下，gprs网络中传送一个最小的分组的时延约为100ms。并且由于gprs网络是构建在gsm网络之上的，所以可以吸引大量的用户群。 图3.1：gprs系统结构图 3.1.2 gprs的特点 按量计费。gp"能够按照用户实际传输的流量进行收费，更加合理。快捷登录，永远在线。gprs用户一开机，就始终连接在gprs网络上。每次使用时只需执行一次激活过程，一般只需1-3秒的时间就能够登录至互联网。高速传输。gprs理论上可获得的最大数据传输速率为171.2kbit/s，

42、它是在编码方式为cs-4，且无线环境好，信道充足的情况下实现的。减少无线资源浪费。用户只有在进行数据传输时才占用系统资源;在没有数据传输时，该用户原先占用的系统资源就会动态地分配给其它用户。自由切换。gprs具有数据传输与语音传输可同时进行或自由切换的优势。其它。gprs无线数据传输具有较强的保密性和可靠性，支持前向纠错、自动反馈重发、全程加密等功能。 3.1.3 tcp/ipum接口是gsm的空中接口。um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、mac (media access control)层、llc (logical link control)层、sndc层和网络层。um接口的

43、物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。gsm空中接口载频带宽为200khz，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送gprs数据，则原始数据速率可达200kbps。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达164kbps左右:mac为媒质访问控制层。mac的主要作用是定义和分配空中接口的gprs逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动终端共享:llg层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程hdlg的无线链路协议:sndc被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定tcp/ip地址和加密方式;网络层的协议目前主要是phasel

44、阶段提供的协议对于传统的gsm网络设备(如:bsstcp/ip和x. 25协议。tcp/ip和x. 25协nss等设备)是透明的。 3.1.4 tcp/ip结构 图3.2： tcp/ip 协议图层由于数据是通过internet进行传输的，在internet上运用的是tcp/ip协议，网络中传输的数据流是底层数据通过打包形成的ip数据包，因此首先我们必须来了解一下tcpap协议。tcp/ip协议集是当今使用最广泛的internet体系结构，根据相关协议标准，可把tcp/ip协议集划分为四个相对独立的层次如图所示。网络接口层负责与物理网络的连接，支持现有网络的各种接入标准，如x.25分组交换网、d

45、dn, at网、以太网(ethernet),ppp ( point-to-point protocol点到点协议)、slip等。在本系统中将使用ppp协议。 网络层即ip层，负责异构网或同构网的计算机进程之间的通信，将传输层的数据单元封装为ip数据报格式进行传送。它主要完成的功能是:从底层来的数据包要由它来选择继续传给其他网络结点或是直接交给传输层;对从传输层来的数据包，要负责按照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。本层的主要协议有:ip协议(网络互连协议)、icmp协议(internet control message protocol, internet控制报文

46、协议)、arp协议(address resolution protocol，地址解析协议)、rarp协议。在本系统中将主要实现ip协议。 传输层提供端到端应用进程之间的通信，其对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。传输层传送的数据单位是报文。本层的主要协议有:tcp ( transfer control protocol，传输控制协议)、udp ( user datagram protocol，用户数据报协议)在本系统中将主要实现tcp协议。 在应用层用户通过api应用进程接u)调用应用程序来运用因特网提供的多种服务。应用程序负责收发数据，并选择传输层

47、提供的服务类型，按传输要求的格式递交。 在网络层之上的所有协议软件只使用ip地址，在网络接口层使用具体网络的物理地址。 第四章 系统硬件构成设计 4.1微控制器及芯片的选型 4.1.1 at89c51微处理器 主要特性：· 与mcs-51 兼容 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年· 全静态工作：0hz-24hz· 三级程序存储器锁定· 128*8位内部ram· 32可编程i/o线· 两个16位定时器/计数器· 5个中断源 · 可编程串行通道· 低功耗的闲置和掉电模式· 片内振荡器和时

48、钟电路 功能特性概述： 图4.1：51芯片引脚 at89c51提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器和时钟电路。同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时器/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 4.1.2 arm处理器s3c2410s3c2410提供了以下丰富的内部设备:分开的16kb的指令c

49、ache和16kb数据cache,mmu虚拟存储器管理，lcd控制器(支持stn&tft>，支持nand flash系统引导，系统管理器()一选逻辑和sdram控制器)，3通道uart, 4通道dma, 4通道pwm定时器，i/0端ii，rtc, 8通道10位adc和触摸屏接口，iic-bus接ii，iic-bus接ii，usb卞机，usb设备，sd卡片&mmc片接口, 2通道的spi以及内部pll时钟倍频器。s3c2410采用了arm920t内核，0.18um工艺的cmos标准宏单元和存储器单儿。,已的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用十对成木和功耗敏感的应用。同样

50、,已还采用了一种叫做advanced microcontroller bus architecture(amba)新型总线结构。s3c2410的显著特性是它的cpu核心，是一个由advanced risc machines （arm）有限公司设计的16/32位arm920t risc处理器。arm920t实现了mmu, amba bus和harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16kb指令cache和16kb数据cache每个都是由8宇长的行(cline)构成。 通过提供一系列完整的系统外围设备，s3c241 oa大大减少了整个系统的成木，消除了为系统配置额外器件的需要。木文档将介绍

51、s3c2410a中集成的以下功能:1.8v/2.ov内核供电，3.3v存储器供电，3.3v外部i/o供电;具备16kb的i-cache和16kb的d-cache/mmu;外部存储控制器（ sdram控制和片选逻辑)lcd控制器(最大支持4k色stn和256k色tft)提供1通道lcd冬一用dma o4通道dma并有外部请求引脚。3通道uart(irda1.0,16字节tx fifo和16字节rx fifo)/2通道s pi1通道多口iic-bus/1通道iis-bus控制器。兼容sd卡接口协议1.0版和mmc片协议2.11兼容版。2端口usb卞机/1端口 usb设备(1.1版)4通道pwm定时

52、器和1通道内部定时器看门狗定时器 4.1.3 uln2803uln2803的设计与标准ttl系兼容。是属于八npn达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如ttl，cmos或pmos/nmos）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。所有有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。 图4.2：uln2803 4.1.4 74hc24474hc244是cmos 8路双向三态缓冲器,一般作为数据总线的双向接口芯片。 74hc244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1c和2g作为它们的选通工作信号。当1c和2g都为低

53、电平时，输出端y和输入端a状态相同；当1g和2g都为高电平时，输出呈高阻态。系统设计74hc244作为扩展接入口 图4.3：输入接口扩展的原理电路 图4.4：p0口的时序图图4.3是采用74hc2244芯片进行输入接口扩展的原理电路，图4.4是读p0口的时序。由图3可以看出，当p2.7和rd同为低电平时，74hc2244才能将输入端的数据送到单片机的p0口。其中，p2.7决定了74hc244的地址，0000h-7fffh(共32k)地址都可以访问这个单元，这就是用线选法所带来的副作用。通常可选择其中的最高地址作为这个芯片的地址来写程序，如这个芯片的地址是7fffh。但这仅仅是一种习惯，并不是规

54、定，当然也完全可以用0000h作为这个芯片的地址。当确定了地址之后，其接口的输入操作程序如下： mov dptr，#7fffhmovx a, dptr 其中movx类指令是mcs-5l单片机专用于对外部ram进行操作的指令。由于外部io与外部ram是同一接口，所以一般使用这条指令对外部io进行操作。一旦执行到movx类指令，单片机就会在rd或wr(根据输入还是输出指令)引脚产生一个下降沿，这个下降沿的波形与p2.7相或，则会在或门的输出口也产生一个下降沿，这个下降沿将使74hc244的输出与输入接通，这样，输入设备的数据就可以被mcs-51单片机从总线上读取。 4.2控制部分硬件电路设计控制部分的硬件主要由液晶显示、串口通信模块、复位监控电路等组成。设计时在满足工情监测要求的前提下，主要以降低功耗为主要目的。检测终端要适用于多种水情监测系统，能与各种传感器接口，