智能遥测终端系统的研究与设计

1、四川大学硕士毕业论文题目 智能遥测终端系统的研究与设计 作者 王 标 完成日期 2008 年 4 月 12日培 养 单 位 四川大学电子信息学院 指 导 教 师 周 新 志 教授专 业 模式识别与智能系统 研 究 方 向 智 能 控 制授予学位日期 2008年 月 日智能遥测终端系统的研究与设计模式识别与智能系统专业研究生 :王标 指导教师 :周新志摘 要随着全球气候变暖,气候反常,洪涝、干旱灾害天气将变得更加频繁,水 资源分布不均也将变得更加严重,这些都将给人类的生产、生活带来严重的影 响,因此如何更加有效地监测水文信息以及如何更好地利用水资源便成为一种 迫切的需要。本论文针对此种情况,提出

2、并设计了一种基于嵌入式系统的智能 遥测终端系统。本论文设计的智能遥测终端系统采用了嵌入式技术、 GPRS 无线通信技术 以及抗干扰等技术。智能遥测终端系统能够监测多种水文信息,并实现了水文 信息的预处理、存储、查询、传输功能以及报警等功能,其主要应用于水利行 业的水文测报和节水灌溉。本论文所做的主要工作如下:1.在终端系统功能需求分析基础上,构建了系统结构,并设计出终端系统 的体系结构框架图。2.依据终端系统体系结构进行硬件设计。在本论文中,我们将智能遥测终 端系统设计成电源管理模块、核心板、输入板、输出板四个功能模块。电源管 理模块实现了蓄电池的充放电功能以及为其他功能模块供电;对于核心板,

3、本 论文采用 NXP 公司生产的 ARM7芯片 LPC2378作为核心处理器并详细介绍了 核心板的硬件电路设计,核心板实现了数据信息的处理、存储、查询、自报、 报警等功能;同时,论文还讨论了输入板输出板的硬件结构。3.设计开发了智能遥测终端系统软件。论文介绍了 uC/OS-II操作系统在 ARM 平台上的移植,并实现了基于 ARM 硬件平台的启动代码设计;然后,讨 论了基于 uC/OS-II操作系统的系统软件的任务划分以及任务优先级的确定 , 并 进行了任务的详细设计,实现了系统的基本功能。I4. 讨论了终端系统的组网方式,并构建模拟环境来测试终端系统。测试结 果显示设计方案是可行的,具有很高

4、的应用价值。关键词:遥测终端;水文预报;信息采集;数据采集; GPRSIIStudy and Design of smart telemetry terminal system Pattern Recognition and Intelligent SystemCandidate: Wang BiaoSupervisor: Zhou XinzhiABSTRACTWith the global warming and the abnormality of climate, the disaster of floods and drought are becoming more and more

5、frequent, and then the unbalanced distribution of the water resources is getting worse and worse, which will bring about great impact on the productive work and daily lives of human beings. Therefore it is becoming an urgent need to monitor the hydrological information more effectively. So in respon

6、se to the stated above, this article proposed and designed a smart telemetry terminal system based on the embedded system.The smart telemetry terminal system adopts embedded technology and GPRS wireless communication technology and anti-interference technology. It can monitor a variety of hydrologic

7、al information, and it realizes the functions which include hydrological information storage, hydrological information query and transmission and so on .In this article, the smart telemetry terminal system is designed as a general-purpose system, which is mainly used in hydrological data acquisition

8、 and transmission and water-saving irrigation of water industry. The major work was done in this paper as the following:First, we constructed the system structure of the smart telemetry terminal system according to the system requirements analysis and worked out the system architecture diagram.Secon

9、d, we designed the hardware based on the terminal system architecture. In this paper, we designed four functional modules which are power management module, core board, input board and output board. The function of the power management is to charge or discharge the battery and to support the power o

10、f theIII四川大学硕士学位论文other functional modules; For the core board, we used the ARM7 chip LPC2378 made by NXP company and introduced the hardware circuit design of the core board in detail. The core board was designed to perform the functions including data processing, data storage, information query an

11、d so on; At the same time we presented the hardware structure diagram of the input and output board.Third, we designed the system software of the smart telemetry terminal system. In this section, the article stated the transplantation of the uC/OS-II operating system at the ARM platform and we desig

12、ned the boot code based on the ARM hardware platform. And then, we discussed how to decide the number of the task and the priority of the task based on the uC/OS-II operating system. And we designed the task in details in order to realize the based function of the system.Fourth, we discussed the net

13、working method and built the simulation environment to test terminal system. The testing result indicated the design plan of the smart telemetry terminal is feasible with high application value.Key Words:telemetry terminal; hydrological forecasting; information acquisition; data acquisition; GPRSIV目

14、录目 录1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外的发展现状 . 2 1.3 本论文主要研究内容及设计目标 . 31.4 本论文的内容安排 . 42 系统需求分析及体系结构构建 . 5 2.1 智能遥测终端系统应用背景 . 5 2.2 系统需求分析 . 6 2.2.1 非功能性需求 . 6 2.2.2 功能性需求 . 6 2.3 系统体系结构的构建 . 7 2.3.1 通信方式的选择 . 8 2.3.2 系统体系结构框图 . 92.4 本章小节 . 123 系统硬件设计 . 13 3.1 主控芯片的选型 . 13 3.2 电源管理模块的设计 . 14 3.2.1 铅

15、酸电池的选型 . 14 3.2.2 基于 UC3909控制器的充电电路 . 14 3.3 核心板的设计与实现 . 16 3.3.1 核心板硬件平台的构建 . 16 3.3.2 核心板硬件电路设计 . 18 3.4 输入板的设计 . 32 3.5 输出板的设计 . 34 3.6 可靠性与低功耗设计 . 353.7 本章小节 . 374 系统软件设计 . 39 V四川大学硕士学位论文4.1 操作系统的选择、移植与剪裁 . 39 4.2 启动代码 BOOT 设计 . 41 4.3 系统软件的任务划分 . 44 4.4 系统中断事件的确定 . 45 4.5 任务设计 . 46 4.5.1 任务优先级的

16、确定 . 46 4.5.2 任务详细设计 . 484.6 本章小节 . 605 智能遥测终端系统组网 . 61 5.1 终端系统与中心站的组网方式 . 61 5.2 系统的通信测试 . 635.3 本章小节 . 676 工作总结和展望 . 69 6.1 工作总结 . 69 6.2 展望 . 69 参考文献 . 71 作者攻读硕士学位期间科研成果简介 . 75 声 明 . 76 学位论文版权使用授权书 . 77 致谢 . 78VI1 绪论1 绪论1.1 课题研究的背景及意义水利是国民经济的基础设施。 21世纪的中国,随着经济和社会的发展,洪 涝灾害、干旱缺水、水污染严重等水资源三大问题日益突出,

17、已经严重制约着 国民经济和社会发展。为了解决好新世纪水的问题,全国水利发展“十五” 计划和到 2010年规划 中确定了调整治水思路、 转变治水方针的原则, 要实现 从工程水利向资源水利的转变,从传统水利向现代化水利、可持续发展水利转 变。在这个历史性转变过程中,水利信息化作为水利现代化的重要内容,是实 现水资源科学管理、高效利用和有效保护的基础和前提 1。水利信息化是实现 新的治水思路的需要,是促进国民经济发展的需要。我国早在七五之前就开始 了水利信息化的建设,直到 2001年才进入全面实施阶段。水利信息化是指充分利用现代化信息技术,深入开发和广泛利用水利信息 资源,实现水利信息采集、传输、存

18、储、处理和服务的网络化与智能化,全面 提升水利事业各项活动的效率和效能的历史过程 2。水利信息化是提高防治洪 涝干旱灾害决策水平的需要。信息是防汛抗旱决策的基础,是正确分析和判断 防汛抗旱形势、科学地制定防汛抗旱调度方案的依据。水利信息系统的建立, 将大大提高雨情、 水情、 工情、 旱情和灾情信息采集的准确性及传输的时效性, 对其发展趋势作出及时、准确的预测和预报,制定防洪抗旱调度方案,为决策 部门科学决策提供科学依据,充分发挥已建工程设施的效能 1。 2005年,水利 部出台关于进一步推进水利信息化工作的若干意见,国家防汛抗旱指挥系 统一期工程项目建设正式批准并开工建设 3。 2007年我国

19、水利信息化重要业务 系统建设积极进取,国家防汛抗旱指挥系统一期工程进展顺利,二期工程前期 工作正式启动 4。水利信息化的推进离不开水利信息基础设施建设。水利信息基础设施是水利业务应用的支撑平台,是实现水利信息资源共享 与开发的基础,是水利信息化综合体系的骨干。水利信息基础设施由水利信息 采集、水利信息网、水利数据中心三大部分构成 2。水利信息的采集是水文信 息化建设中的重要一环。“十一五”期间,水利信息化技术与装备需求主要集 中在更有效的信息采集、工程在线监控技术与集成化成套装备等方面 5。随着 嵌入式技术的飞速发展,为设计和开发先进的水利信息采集系统提供了越来越 1四川大学硕士学位论文多的解

20、决方案。1.2 国内外的发展现状在 20世纪 60年代之前,水文信息的收集依靠人工水文站以及雨量站点通 过有线电话或者电报方式传送。这段时期水文测报的选址及数量要受到自然条 件的限制,致使水文测报的质量不高,同时由于信息传送方式要受到气候条件 的影响,碰到天气恶劣的时候,经常发生通信受阻、延迟,甚至不通,致使经 常延误防洪抗旱、水利调度的时机 6。随着计算机技术、通信技术的迅速发展,水文测报设备在早期分立式电子 组件产品的基础上获得了较快地发展。 由于遥测设备功能不断完善及性能提升, 数据传输质量的提高和传输方式多样化,预报软件的进一步发展以及嵌入式技 术的发展,使得水文测报和防洪调度技术在全

21、球得到了广泛的应用。国际上水 文测量仪有机械式、电磁式、声学式以及采用雷达进行测量,当前国际上出现 了一种成熟的先进的水文测量技术 ADCP(声学多普勒流速剖面仪 , ADCP 代表 着当前声学测量上的前沿技术。当前国外基于声学技术设计的水文测报系统有 SONTEK 公司设计的 Argonaut-SW/SL/XR, 其就是采用 ADCP 技术的典型代表, 美国 TeledyneRDI 公司设计的“骏马”系列“瑞江系列”河流 ADCP 以及专用 于河流明渠流速流量测量的 H-ADCP , ODEC 公司生产的 BATHY500单频回声 测深仪、双频回声测深仪等。这类基于声学的测量仪器在测量时,只

22、需把探头 放入水中就可以测量到一个剖面的流速、流向,水位。由于其具有方便、轻松 的野外操作方式、多功能测量、直观的数据显示等优点,很快就受到广大用户 的欢迎。另外 ADCP 在盐度、浊度等的测量上也有应用,甚至在雨量的测量上 也出现了声学雨量器。在水文测报系统方面,摩托罗拉公司生产的监视控制和 数据采集 (MOSCAD 系列产品为当前国际上先进的水文测报终端系统的代表 产品。 MOSCAD-M 是摩托罗拉公司针对中国水利行业自动化的应用特点研发 和生产的 RTU 设备,是基于 32位微处理器的智能设备,在嵌入式实时多任务 操作系统的支持下,使其应用编程更加简单; MOSCAD-M 提供各种接口

23、,包 括 4个串行接口(RS232或 RS485, 12路数字量输入接口(DI , 8路数字 量输出接口 (DO , 通过扩展还可增加 3路 DI 、 4路模拟量输入接口 (4-20mA 或 0-5V 、 1路模拟量输出接口。在板支持 512KB 数据存储。它可以实现本地数据采集、数据处理、数据存储,可以根据本地或远端数据作出控制决策,还 21 绪论可以与远端的控制中心或其它远程设备进行通信,实现遥测、遥控、远程诊断 维护、远程设置等功能。 MOSCAD-M 支持各种通信方式:PSTN 、短波、超短 波、微波、卫星、光纤、 GSM 、 GPRS 等。我国的水文自动测报技术的应用从上个世纪八十年

24、代初开始,经历了一个 从基本上是国外产品到基本上是国产设备,一直到今天国外、国产设备并存的 过程。目前我国自己研发的水文测量仪器主要是机械式的,至于基于 ADCP 技 术的国产设备,要比国外同类产品落后 10年 13。不过近 10年来,我国在水情 测报系统、水质测报系统、大坝监测系统等方面取取得了长足的进展,水文测 报终端、水质监测系统越来越先进,出现了一大批厂家生产水文测报、水质监 测系统,例如武汉长江测报自动化技术公司研制的 YAC2000型采集存储单元, 北京微玛特科技有限公司生产的 SMARTDATA-2000(M 水文资源自动监测 机, 北京燕禹水务科技有限公司生产的智能型通用遥测终

25、端机 YY-RTU-2000A , 水利部南京水利水文自动化研究所设计的水文数据采集平台 DT3000/WFZ-2和 水环境监测自动化系统 YFY-200智能型远程数据终端, 南瑞水情水调环境监测 分公司生产的 NARI 系列水情自动测报系统 ACS300-微功耗数据采集器, 北京 大华融源环保仪器设备公司研制的 DH6511A 型水质监测仪等。虽然近年来我 国研制了一批水文测报终端,但是还是存在一些不足,加上受到技术的限制, 其中一些系统的性能离实际运用还有一段距离,尚处于研究完善阶段。总体来 说国内产品主要存在 3个方面的问题:1 用于水文测报的传感器品种不多, 且 有些传感器的性能质量不

26、高; 2功能相对单一,通用性、灵活性不够:一台终 端通常只能监测水位、流速、水质、雨量等水文信息中的一种或两三种,对于 节水灌溉基本没有涉及,另外当需要测量多种水文信息时,需要安装多种不同 的水文测报终端系统,这加重了系统的建设成本。 3在稳定性、可靠性、可维 护性上有待进一步加强。虽然国外产品技术先进,在功能上具有一定的优势,但这类设备往往价格 昂贵,另外国外产品在通用性和可扩展性上也有待进一步加强,而国内产品又 存在许多不足,因此开发一款通用性好可扩展性好的终端产品具有一定的现实 意义。1.3 本论文主要研究内容及设计目标在本论文中,我们针对当前水文测报系统功能单一,工作效率低下,使用 3

27、四川大学硕士学位论文不够灵活等缺点,提出一种新型测报系统的解决方案,它采用当前先进的嵌入 式技术和 GPRS 无线通信技术,采用 ARM 芯片作为核心处理器以提高系统的 集成度、 数据处理能力, 另外其应用程序的开发是基于 UC/OS-II操作系统进行 设计开发的,基于操作系统开发的系统应用软件进一步提升了产品的性能。该 方案很好地实现了终端系统的通用性及可扩展性。 本论文的主要研究内容如下: (1进行智能遥测终端系统市场需求分析和功能需求分析,在此基础上, 构建基于 ARM 的嵌入式开发平台的终端系统体系结构。(2 完成智能遥测终端系统的硬件电路设计, 具体包括电源管理模块、 核 心板、输入

28、板、输出板四个功能模块电路设计及其实现。(3实现嵌入式实时操作系统C/OS-II的移植,并针对嵌入式硬件平台 完成启动程序 BootLoader 的设计,以及完成相应硬件电路的驱动开发、调试。 (4对基于 uC/OS-II操作系统的系统软件进行任务划分并确定任务的优 先级,紧接着进行任务的详细设计,设计基于操作系统的应用程序流程图,设 计友好的用户界面,最后开发并调试应用程序。(5 讨论终端系统与中心站的组网方式, 并构建模拟环境来测试终端系统。 1.4 本论文的内容安排本论文共分六章,具体内容安排如下:第一章为绪论,介绍智能遥测终端系统产生背景并指出研制智能遥测终端 系统的意义及其重要性。第

29、二章为终端系统需求分析及体系结构构建,对智能遥测终端的应用市场 进行相关调研,提出终端系统的功能需求分析并构建系统体系结构框架。 第三章为系统硬件设计,介绍各功能模块板的硬件架构,重点阐述蓄电池 的充电电路设计和核心板的硬件电路设计。第四章为系统软件设计,介绍 UC/OS-II 操作系统的移植,针对 ARM 硬 件平台完成 BootLoader 程序的开发, 并基于操作系统进行系统应用软件的任务 划分及系统任务详细设计。第五章为智能遥测终端系统组网,本章着重介绍智能遥测终端与中心站的 组网方式,并搭建终端系统的模拟应用环境进行终端系统的测试。第六章为总结与展望,总结本文所作的工作,并对下一步要

30、进行的研究与开发工作进行展望。42 系统需求分析及体系结构构建2 系统需求分析及体系结构构建通常智能遥测终端系统的应用环境十分恶劣,外来的电磁辐射,内部元器 件之间、分系统之间还有信息传输通道之间的相互干扰,严重影响着系统的稳 定性、可靠性、安全性。因此系统设计的前期调研工作就变得非常重要,像系 统的应用背景调研及系统的功能需求分析等,这些都关系到产品设计的成败。2.1 智能遥测终端系统应用背景本论文设计的智能遥测终端系统是一款通用型终端系统,可通过总线方式 外挂不同的监测板及输出控制板,以适应不同工作环境的要求以及不同市场需 求的场合。 本论文设计的智能遥测终端系统可应用在雨量站、 水位站、

31、 墒情站、 水质站、地下水监测站、闸门远程监控站、节水灌溉等多种场合。在本论文中 我们主要从水文测报和节水灌溉这两个方面来探讨智能遥测终端系统。智能遥测终端系统的应用场合及特点:1 水文测报环境特点:1应用于野外(山区河流;2可能无市电;3需要防盗(大多是无人区,所以要求不太严格;工作特点:1 无市电时用蓄电池, 考虑应用太阳能板, 可连续无日照运行 (约 30天 ;2主要收集水文(水位、流量、水量、雨情(雨量、雨强、墒情数据;3一般外接输入参数小于等于 2路;4通信一般需要双信道备份(如: GPRS、 GSM 、 VHF ;维护考虑:1需要很高的稳定性,长期免现场维护;2能通过外接设备进行现

32、场设置(如:参数修改等;3考虑远程维护:设备巡检接口、设备状态中心站监控。2 节水灌溉控制环境特点:5四川大学硕士学位论文1应用于野外(田间;2有较好的通讯网络信号;3可能无市电;4需要防盗。工作特点:1无市电时用蓄电池,考虑应用太阳能板,需要稳定工作;2采集电磁阀、墒情、水位、流量传感器状态;3能控制泵站、电磁阀;4能控制的电磁阀路数最好大于等于 8路;5能报警;6目前电源多采用拖线的方式。2.2 系统需求分析2.2.1 非功能性需求智能遥测终端系统的应用背景及特点说明系统在设计时需要满足以下几个 要求:1工程上:要易于操作、安装、维护;2结构性上:满足便携、积木式,易组装、拆卸、安装,同时

33、满足美观性 (如键盘、液晶等的协调;3稳定性上:防电磁干扰,防雷,防潮,防冻等。2.2.2 功能性需求一、系统在设计时应达到以下功能:1系统需采集不同的水文数据,因此系统要能够外接不同类型的传感器, 进行数据采集;2系统能够对数据进行存储、计算、分析等;3具有现场显示、查询信息功能;4能将数据打包传回中心站;5系统通过外部接口能对多种执行单元进行控制;二、 I/O口信号62 系统需求分析及体系结构构建1输入信号:4-20mA 模拟信号或 0-5V 模拟信号、数字信号;2输出信号:开关量;三、工作模式智能遥测终端系统的工作方式大致可分为以下几种模式:1 自报模式:自报模式是一种不接受中心站下发指

34、令控制的工作模式, 它 只在某一预先设置好的条件(例如定时时间到、水文数据变幅满足预先设置的 条件等发生时才向中心站上报;2招测模式:招测模式也就是查询应答式方式,在这种方式下, 终端系统 自身能进行相关信息的采集、存储,但不会主动将数据传回中心站,只有当中 心站下发查询指令时,才将数据传回中心站。这种工作模式的好处就是中心站 可随时或定时对工作站进行巡测和招测,但这种工作模式要求终端系统一直运 行在工作状态,这增加了系统的功耗。招测模式通常应用在对功耗要求不高的 应用场合,在保证电源正常供给的情况下,招测模式也不失为一种有效的水文 测报方式。3自报 /招测混合模式这种工作模式结合了自报和招测

35、模式的优点,既能满足特定时期(如暴雨 时期的随时查询,又能满足大多数时期的低功耗要求。在本产品中采用的是 以自报模式为主,招测模式为辅的工作方式。4人工取数方式在偏远山区无通信信号时,主要采用这种工作方式。人工取数方式也就是 每隔一定时间,派工人到遥测站去,用 U 盘或其他设备将数据读出。在本论文的设计中,终端系统的工作模式是由配置文件预先设置好的,但 是我们在设计中预留了通过中心站或者键盘进行重新设置这一功能,这样做的 好处就是为终端系统提供灵活的工作方式,为用户提供灵活的操作方式,这样 终端系统就可根据不同的应用环境采取不同的工作模式。例如市电供电非常便 利的地方,这时功耗问题就变得不是很

36、重要了,终端系统就可采取招测模式; 当终端系统应用在经常断电且太阳能也不充裕的地方,通过配置文件可将终端 系统设置在自报 /招测混合模式同时结合人工取数方式。2.3 系统体系结构的构建为了实现终端系统的通用性,在本论文中我们将智能遥测终端系统设计成 7四川大学硕士学位论文电源管理模块、核心板、输入板、输出板四个功能模块。电源管理模块需要实 现为核心板、输入板、输出板供电以及需要实现蓄电池的充放电功能;核心板 需要实现指令的接收、信息的处理、存储、查询、自报、报警等功能;输入板 需完成的功能为实现数据信息的采集、处理、传输功能;输出板需要实现对多 种执行单元进行控制,例如节水灌溉功能动作控制。这

37、种设计方案不但满足了 系统的灵活性,又避免了单块板设计的庞大复杂性,同时避免了各个功能单元 之间的相互干扰,进一步提高了系统的抗干扰能力。在下文中我们将分析各功 能板之间的通信方式以及终端系统与中心站的通信方式,最后完成整个终端系 统的框架构建。2.3.1 通信方式的选择1 功能模块之间的通信方式当前在水文测报系统方面, 核心板与扩展板之间一般采取 IO 扩展方式, IO 扩展不能很好地应对干扰问题,另外 IO 扩展需要占用一部分 IO 资源,当系统 IO 资源紧张时,采用 IO 扩展变得很不经济,如果采用总线扩展方式就能很好 地解决抗干扰问题并能够节约 IO 资源。 CAN 总线作为一种工业

38、界的流行总线 广泛应于工业自动化、多种控制设备、医疗仪器等各个行业中,由于其具有较 好的性价比,其应用越来越广泛。 CAN 的直接通信距离最远可达 10km ,且具 有实时性强、可靠性高、抗干扰性强、结构简单、易操作等特点,因此在智能 遥测终端的设计中,输入板与核心板之间的通信方式我们采用 CAN 总线通信 方式,同时预留 RS485总线通信方式作为备选方案,一旦 CAN 总线模块出了 问题,还可以用 RS485总线进行通信,这样有利于减少维修的次数,降低更换 设备的频率,减少成本,以及提高工作站的使用效率和灵活性。同理,输出板与核心板之间的相互通信方式也采用 CAN 总线通信为主, RS48

39、5总线通信为辅。2 终端系统与中心站之间的通信方式当前设计应用的水文测报、 水质监测等终端系统采用的通信方式有 PSTN 、 超短波、卫星、 GSM 、 GPRS 等。从表 2-1中我们可心看出,采用 GPRS 通信 具有很高的性价比, GPRS 具有覆盖面积广,能够胜任偏远山区的通信, GPRS 通信具有以下几个特点 26:(1永远在线,也就是实时在线,即用户随时与网络保持联系。82 系统需求分析及体系结构构建(2建立链路时间短,适合突发数据应用业务。一般来说 GPRS 能够在 0.51s 内恢复数据的重新传输;(3 数据传输速率高。 GPRS 支持中、 高速率的数据传输, 可以提供 9.6

40、 171 kbps的数据传输速率,通信时延较小,一般不超过 3s ;(4 数据传输可靠性高。 用户数据经过封装后利用隧道技术在移动台与外 部数据网络之间透明的传输。用户数据能够得到压缩,并受重传协议保护,服 务质量等级可以根据用户需要进行选择;(5维护方便,资源利用率高,费用低廉。 GPRS 属于分组交换,用户只 有在发送或者接收数据期间才占用信道资源,这意味着多个用户可以高效率的 共享同一无线信道,提高了资源利用率。 GPRS 的计费方式灵活,可以根据用 户的需求依据数据流量、业务类型及服务质量(QoS 等级进行计费,方式更 加合理,费用更加低廉。表 2-1几种通信方式的比较通信方式 传输速

41、率 实时性 可靠性 覆盖范围 费用 PSTN 一般 差 低 受限 低 超短波 较高 较高 较高 受地理限制 较低 卫星 高 高 高 大 高 GSM 较高 较高 较高 大 低 GPRS 高 实时在线 高 大 低根据以上所述, 通过综合考虑, 本论文设计的智能遥测终端系统采用 GPRS 通信方式,同时预留 GSM 通信。2.3.2 系统体系结构框图本论文采用“核心板 +子板”的设计思想进行终端系统的设计开发。“核 心板”集成基本功能的必备器件,以总线方式与“子板”连接;“子板”的设 计尽量以相对独立的功能进行划分,以实现模块化,具备较强的可扩展性。同 时,根据具体的应用场合,我们设计不同的“子板”

42、,从而使设备具有较强的 专业领域针对性。采用这种设计方案能够很好地实现终端系统的通用性以及可 扩展性。终端系统设计说明如下:9四川大学硕士学位论文1 输入板外接各种型号的传感器, 其工程摆放位置可能在传感器端 (距离 一般在 1km 左右或 RTU 端;另外输入板应可以直接与 PC 机相连使用。 2 输出板外接各种执行单元的继电器开关, 其工程摆放位置可能在执行单 元端或 RTU 端;另外输出板应可以直接与 PC 机相连使用。3电路设计上应特别注意对电源、总线等的保护,需要具备防电磁干扰、 防感应雷的能力。4电路设计上应通过数码管、 LED 灯给出必要的信号提示和电路工作状 态的提示。5 特别

43、注意低功耗的设计:电路上的损耗尽量小; 工作模式上将系统尽量 设计为休眠模式(工作时间尽量短。6核心板:a 通用式:根据不同的应用,设计不同的输入板、输出板、输入 /输出板 以实现功能的专业化;b 最小系统:留出1路模拟输入、1路脉冲输入;1路输出。根据以上所述,我们设计出终端系统的总体框架结构如图 2-1所示,电源 管理模块如图 2-2所示, 输入板如图 2-3所示, 核心板如图 2-4所示, 输出 板如图 2-5所示。 根据不同的应用场合, 我们可自由组合这些模块, 以适应不 同的市场需求,每种组合必包含电源管理模块。例如当我们在某个采样点只需 采集 1路水位信息、 1路雨量,我们只需电源

44、管理模块和核心板的组合就可以 满足需求了, 这种组合甚至还可以利用 RS485总线外扩墒情传感器来采集墒情。 不过在复杂的应用场合,我们的四块功能模块就都要应用上了。另外我们还可 设计不同的输入输出板,以适应不同的功能需求。 图 2-1 终端系统体系结构框图102 系统需求分析及体系结构构建 11图 2-2 电源管理模块各种 类型 的传 感器 或数 据采 集设 备图 2-3 输入板四川大学硕士学位论文 图 2-4 核心板 图 2-5 输出模块2.4 本章小节本章首先叙述了智能遥测终端系统的应用背景及工作特点,然后依据应用 背景提出了智能遥测终端系统的非功能性需求分析及功能需求分析,同时分析 了

45、终端的工作模式,最后构建了终端系统总体架构并详细构建了各功能模块系 统体系结构。123 系统硬件设计 3 系统硬件设计 本章依据上一章提出的系统体系框架来进行系统硬件平台的构建。本章分 别对电源管理模块、输入板、输出板、核心板的硬件设计方案作了详细介绍， 尤其是核心板，核心板的硬件电路设计是本章的重点所在。 3.1 主控芯片的选型 核心板的设计须满足先进性、可靠性、集成度高、可扩展性、在系统编程 （ISP）、运算速度快等特点，同时为了提升系统的功能及系统的灵活性，以及 便于开发系统软件和降低开发周期，我们最好是基于成熟的嵌入式操作系统进 行系统软件开发，以提高软件的开发效率。由于 ARM 处理

46、器具有体积小、低 功耗、低成本、高速的数据处理能力，高性能、支持嵌入式操作系统等特性， 因此在终端系统硬件电路设计中我们采用 ARM 处理器作为核心处理器，该设 计方案有利于提高终端系统的可扩展性和通用性。 由终端系统体系结构框架可知核心板需要实现多路 AD、2 路 CAN、4 路 UART 路用作 RS485 总线、 路用作 RS232、 （2 1 一路用作 MOEDM） 1 路 I2C、 、 时钟、LCD、存储器等多种硬件电路。因此在本系统中我们采用 NXP 公司生产 的 LPC2300 系列 ARM7 处理器作为核心控制器。核心板采用的是 LPC2378， 为了方便系统开发及维护， 输入板、 输出板采用 LPC2300 系列处理器 LPC236