基于LPC2210的水温分布数据采集系统.pdf

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1、电子测量技术E L E C T R o N I CM E A S U R E M E N TT E C H N O L O G Y第3 2 卷第4 期2 0 0 9 年4 月基于L P C 2 210 的水温分布数据采集系统朱丹戴义保陈增万(东南大学自动化学院南京2 1 0 0 9 6)摘要：针对水温分层，设计了一种基于A R M 7L P C 2 2 1 0 的便携式数据采集系统。本文给出了硬件和软件设计。系统采用了数字温度传感器D S l 8 8 2 0 和射频收发芯片n R F 2 4 E I，运用了触摸屏技术和网络技术，移植了多任务操作系统o C L i n u x。根据需求分析，实现

2、了友好的人机交互界面，多功能显示，大容量数据存储和网络通信。最终完成了无线测量，数据分析和波形显示任务。关键词：数据采集；无线测量；触摸屏；多任务操作系统中图分类号：T P 2 1 6文献标识码：AD a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rw a t e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nb a s e do nL P C 2 21 0Z h uD a nD a iY i b a oC h e nZ e n g w a n(S c h o o lo fA u t o m a t i o n，S

3、 o u t h e a s tU n i v e r s i t y，N a n j i n g2 1 0 0 9 6)A b s t r a c t：A i m i n ga ts t r a t i f i c a t i o no fw a t e rt e m p e r a t u r e，ap o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nA R M 7L P C 2 2 1 0i sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r T h ed e s i g no fh

4、a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ep r e s e n t e d I nt h es y s t e m。d i g i t a lt e m p e r a t u r e$e n s o rD S l 8 8 2 0a n dR Ft r a n s c e i v e rn R F 2 4 E 1w e r ea d o p t e d，t o u c hs c r e e na n dn e t w o r kt e c h n i q u ew e r ee m p l o y e d，a n dt h et r a n s p l

5、a n t a t i o no fm u l t i t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m L C L i n u xi sc o m p l e t e d A c c o r d i n gt Or e q u i r e m e n t sa n a l y s i s，e f f i c i e n th u m a n-c o m p u t e ri n t e r f a c e。m u l t i-f u n c t i o nd i s p l a y，m a s sd i g i t a ls t o r a g ew e r

6、 ef u l f i l l e d M u l t i t a s k，s u c ha sw i r e l e s sm e a s u r e m e n t，d a t aa n a l y s i sa n dw a v e f o I T Sd i s p l a y，w e r ea c c o m p l i s h e ds u c c e s s f u l l y K e y w o r d s：d a t aa c q u i s i t i o n；w i r e l e s sm e a s u r e m e n t I t o u c hs c r e e

7、n；m u h i t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m0 引言水温是水体生态系统研究中最重要的参数之一。由于人们拦河筑坝会形成巨大的停滞水域，再加上太阳辐射能的变化和水体在水深方向上的增温和冷却的强度不一，会导致水体的温度分层。从上到下温度分布呈现3 个层次：温水层、温跃层、深水层。水温分层将直接或间接的对农作物，特别是水生生物产生影啼。2 1。因此，实时地掌握水温分层的动态信息对于农业、水产养殖业以及水生态环境保护都具有重要意义。要想得到水温分布数据，就必须进行多点、立体的分布式测量。目前测量系统的数据传输方式主要为有线方式，上位机与下位机之间

8、采用R S 2 3 2，R S 4 8 5 或C A N 总线连接。这种采集方式的优点在于可靠性高，速度快。但缺点也一样明显：线缆铺设复杂，网络节点扩展性差。尤其是在水中测量，这两个缺点显得尤为突出。针对上述缺点，本文提出了一种无线解决方案。本系统可在液晶屏上显示不同深度的温度曲线，具有数据存储功能，并可将数据转存至其他存储设备。本系统具有成本低、体积小、抗干扰能力强、易于扩展、操作方便等优点。l 总体设计方案硬件总体框图如图1 所示。主要分为两个部分：数据采集单元和手持终端。1 1数据采集单元数据采集单元由微控制器、温度传感器和无线收发器组成。将数据采集单元置于浮标上。通过深入水中的电缆将多

9、个温度传感器置于不同的深度。微处理器负责执行手持终端所发出的命令，控制温度传感器进行温度数据采集，然后将得到的数据传回手持终端。无线收发器负责分机与手持终端之间的通信。1 5 7 万方数据万方数据第3 2 卷电子测量技术(D S l 8 8 2 0)数据采集单元U S Bf霖计懦烈群HL P C 2 2 1 0H 联(n R F 2 4 E1)L 1 r，J图1 总体框图1 2 手持终端手持终端以一个基于A R M 7 T 1 w I-S 核的微控制器1 2 1 2 2 2 1 0 为核心，外围设备包括L C M、触摸屏、R S-2 3 2 转换器、以太网控制器、U S B 接口、S D 卡接

10、口、无线收发器和电源模块。主要负责与用户的人机交互，分析、显示和存储数据。并可以通过R S-2 3 2 接口与P C 机连接，或是将数据转存至U盘或S D 卡。除此之外，本系统还具有一定的网络功能。2 核心元器件和部分硬件设计2 1 单总线数字温度传感器D S l 8 8 2 0D S l 8 8 2 0 仅用一个引脚实现数据输入输出，并且每一个器件都有唯一的序列号，这样可以保证多个传感器连接在同一条总线上共同工作。所以D S l 8 8 2 0 非常适合做分布式测温系统的传感器。D S l 8 8 2 0 的内部结构如图2 嘶所示。寄生电源电路叫存储器控制逻辑l7一温度传感器l6 4 位R

11、O ME E P R O M多上 早芯臻-瞄温报管舒存器T。工大接口便笺式+p 胝温饭警寄存器T V 厶j存储器叫配置寄存器嘲-叫8 位c R c 码发乍矧图2D S l 8 8 2 0 内部结构图6 4 位R O M 的结构如表1 所示。每一个D S l 8 8 2 0 传感器有着唯一的序列号。表16 4 位R O M 结构8 位循环冗余校验码(C R C)4 8 位序列号8 位工厂代码(2 8 H)便笺式存储器包括一个高速暂存R A M 和一个E E P R O M。R A M 共9 个字节，结构图如表2 所示。表2 便笺式存储器结构b y t e 8b y t e 7 b y t e 6

12、b y t e 5b y t e ib y t e 3b y t e 2b y t e lb y t e OC R C 保留保留保留配置T LT HM S BL S B温度L S B 与温度M S B 用来存储测量的温度值，温度L S B 为低字节，温度M S B 为高字节。】5 8 塾u 由也鲎旦I手持终端高温报警寄存器了与低温报警寄存器T。用来存储报警温度的上下限。如果温度值高于T H 或低于T c，就会将报警标志位置位。通过配置寄存器可以设置温度转换值为9，1 0，1 1，1 2位。与其对应的分辨率分别为0 5，0 2 5，0 1 2 5，0 0 6 2 5。高温报警寄存器T _、低温报

13、警寄存器丁L 和配置寄存器的值将被存入E E P R O M，掉电后不会丢失。由于D S l 8 8 2 0 是一个典型的单总线传感器，操作时应该严格遵守以下命令序列：初始化、R O M 命令、功能命令。2 2 射频S O C 芯片n R F 2 4 E 1正疆2 4 E I 是北欧集成电路公司(N O R D I C)推出的一款低功耗系统级R F 芯片。具有以下主要特点：1)n R F 2 4 E 1 集成了2 4 G H z 无线收发器m 心2 4 0 1、增强型8 0 5 1 内核、9 路1 0 0 k s p s 的1 0 位A E X 3、U A R T 异步串口、S P I 同步通

14、信串口、P W M 输出、看门狗。所以只需极少的外围元件，便可组成射频收发电路。2)n R F 2 4 E 1 工作于全球开放的I S M(工业、科学和医学)频段，有1 2 5 个频道可供选择，频道转换时间小于2 0 0b t s，支持跳频。3)n R F 2 4 E I 工作电压为1 9 3 6V，工作温度范围为一4 0+8 0。其最大发射功率为0d B m，n R F 2 4 E I 的灵敏度为一9 0d B m，最高传输速率可达lM b i t s(必须采用1 6M H z 以上的晶振)。4)理想状况下，室外传输距离超过i 0 0m。n R F 2 4 E 1 的无线通信功能是通过集成在

15、片内的n R F 2 4 0 1 无线收发器来完成的。n R F 2 4 0 1 有4 种工作模式L 4 ：收发模式、配置模式、保持模式、关机模式。其中收发模式又可分为两种模式：S h o c k B u r s t 模式和D i r e c t 模式。S h o c k B u r s t 技术使用片内的F I F O 缓存区，允许微处理器以一个较低的速率传输数据而在R F 收发时以很高的速率传输数据。这项技术大大地减少了功率消耗，与此同时提高了抗干扰性。除此之外，S h o c k B u r s t 的配置字使n R F 2 4 0 1 能够处理射频协议，配置完成后，在n R F 2 4

16、 0 1 工作过程中，只需改变配置字的最低位便能实现接收模式和发送模式之间的切换。大大地方便了用户的程序设计，所万方数据万方数据朱丹等：基于L P C 2 2 1 0 的水温分布数据采集系统第4 期以本系统采用S h o c k B u r s t 收发模式。n R F 2 4 0 1 在S h o c k B u r s t 模式下的帧格式如表3 所示。表3n R f 2 4 0 1 在S h o c k B u r s t 模式下的帧格式P I B A M B L EA D D R E S SP A Y L O A DC R CP R E-A M B L E 为前导码，A D D R E

17、S S 为接收方的地址，只有符合本芯片地址的数据才会被接收。P A Y L O A D为发送的数据。C R C 为数据校验，可设定8b i t 或1 6b i t 校验位。2 3 数据采集单元电路数据采集单元主要由n R F 2 4 E 1、E E P R O M 芯片2 5 A A 3 2 0和数字温度传感器D 6 1 8 8 2 0 组成。原理图如图3 所示。图3 数据采集单元原理图根据用户需求，将D S l 8 8 2 0 测温的分辨率设置为0 1 2 5。m 心2 4 E 1 通过1 0 口来模拟单总线协议与D S l 8 8 2 0 进行通信。n R F 2 4 E 1 的片内R O

18、 M 只有5 1 2 B，所以片内R O M 只存储引导程序，用户程序存储在片外E E P R O M 中。上电后，引导程序将用户程序下载到R A M 中运行。n R F 2 4 E l通过S P I 总线与2 5 A A 3 2 连接。由于受I O 口驱动能力和导线分布电容的影响，使得3 3 V同一个I O 口上所连接的传感器数量和传输距离受到了限制。所以如果需要连接的传感器数量比较多时，可以分组连接在不同的1 0 口上，每一个I O 口上的传感器数量最好不要超过4 0 个。2 4 液晶模块和触摸屏电路液晶模块和触摸屏是用户与系统沟通的桥梁，用户通过它向系统发出指令，系统通过它向用户显示信息

19、和数据。本系统的液晶模块和触摸屏的电路原理图如图4 所示。图4 液晶模块和触摸屏电路原理图V1 5 9 万方数据万方数据第3 2 卷电子测量技术本系统采用点阵式液晶模块，控制芯片为T 6 9 6 3 C。液晶模块与L P C 2 2 2 0 之间通过数据总线连接，将地址总线A 1 连接在L C M 的C D 引脚。这样对液晶屏的操作可以被模拟成对固定地址的读写操作，大大地提高了它们之间的数据传输速度。触摸屏为4 线电阻式，接口芯片为A D S 7 8 4 3，与L P C 2 2 1 0 通过标准的S P I 总线连接。A D S 7 8 4 3 的内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快

20、速的A D 转换。并且A D S 7 8 4 3 具有可以消除开关导通压降影响的差动模式。操作A D S 7 8 4 3 要先发送控制字，然后读取坐标数据。3 软件设计3 1 心：L i n u x 的移檀t a C L i n u x 从L i n u x2 o 2 4 内核派生而来。是专门针对没有M M U(内存管理单元)的嵌入式系统而设计的。i C L i n u x 的移植主要分以下几个步骤：5 ：1)添加与机型相关的代码。2)增加中断系统。3)修改M a k e f i l e 文件和配置菜单。4)编译配置弘C L i n u x，生成内核映像和文件系统映像。5)下载B o o t

21、L o a d e r 到N O RF L A S H，下载p C L i n u x内核到N A N DF L A S H。3 2p C L i n u x 下驱动程序的开发p C L i n u x 将所有的设备全部看成文件，各种设备都以文件的形式存放在d e v 目录下，称为设备文件。应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行打开、关闭、读写、参数设置等特定的操作。操作是通过设备驱动程序与外界的接口来实现的，这种接口就是数据结构s t r u c tf i l e o p r a t i o n s。在此以触摸屏为例来说明驱动程序的开发。触摸屏驱动的f i l e _ o p r a

22、t i o n s 定义如下：s t a t i cs t r u c tf i l e _ o p e r a t i o n st o u e h s e r e e n _ f o p s=o w n e r：T H I S _ M O D U L E，w r i t e：t o u c h s e r e e n _ w r i t e，r e a d：t o u c h s e r e e n _ r e a d，i o c t l：t o u c h s c r e e n _ i o c t l，o p e n：t o u c h s c r e e n _ o p e n，r

23、e l e a s e：t o u c h s c r e e n _ r e l e a s e，)；当触摸屏被操作时将会触发外部中断E N T l，在中断服务程序中将标志位置位，在主程序中如果发现标志位置位便读取坐标。为E N T l 申请中断通道与归还中断通道的函数如下：r e q u e s t i r q(I R Q E I N T l，e i n t l i r q h a n d l e，S A I N T E R R U P T，“t o u c h s c r e e n”，N U L L)；】6 0 f r e e _ i r q(I R Q _ E I N T l，N U

24、 L L)；除此之外，由于A D S 7 8 4 3 与L P C 2 2 1 0 是通过S P I 总线连接的。还应该为S P I 申请一个中断通道。图5 给出了触摸屏驱动程序的流程图。唧一膝(标志位置位)t o c t，函数=冷睡蕞；S；P 爵I 群提l 议苴分频口殴苴s P I 传输顺 亟圈扫毗函数 圈婴归枷函数 垂函 j 丑k 而瓦菊翮怎悉麓爨基I#：mlSPIe 鹪c 函数I 还中断通道r 一。“日”图5 触摸屏触动程序流程图优化采样结果的算法是先剔除粗大误差，再求算术平均值。剔除粗大误差采用格罗布斯准则“。以横坐标为例，设测得的结果为z，x。，x。一lF一屋万z2i 厶z v i

25、z i z 口2 i=丁将五从小到大进行排列，得到数据序列x z。，z(1 0)。格罗布斯导出了g(1 0)一2 1 7(I _ 0)-5 ：及g(1)=口-X(1)的分布，取定显著度a O 0 5，查格罗布斯分布表O-可得到临界值g。(1 0，口)一2 1 8，而p(X(1 0)-X g。(1 0，口口)一a，P(_=业g o(1 0，口)一口D取g(1)2-X(1)，g(1 0)=X(1 0)-X。oD当g(1)g o(1 0，a)，即z 1 含有粗大误差；当g(1 0)g o(1 0，口)，即z。含有粗大误差。将含有粗大误差的数据剔除。将剩下的数据再用格罗布斯准则进行判断，直到将所有含有

26、粗大误差的数据剔除为止。3 3 应用程序在应用程序中，根据不同的功能任务划分为5 个线程：主线程(M a i n T a s k)、人机交互线程(G U l l s k)、数据采集线程(D a t a A c q u i s i t i o n T a s k)、波形绘制线程(O s c i l l o g r a m T a s k)、存储线程(S t o r a g e T a s k)和网络通信线程(N e t w o r k i n g T a s k)。主线程的任务是根据各种标志控制其他线程的启动、挂起、激活和退出。人机交互线程负责图形用户界面(G U I)。数据采集线程主要负责采集

27、数据并可设置存储线程的唤醒标志。波形绘制线程负责数据分析，波形的压缩、放大和移动。存储线程在启动之后万方数据万方数据朱丹等：基于L P C 2 2 1 0 的水温分布数据采集系统第4 期处于挂起状态，在用户需要、缓冲区满或程序结束时被唤醒，负责把缓冲区中的数据存盘或者将数据转存至u 盘或S D 卡。网络通讯线程在启动后处于阻塞状态，在客户机请求下建立连接，可以通过网络传送测量数据。线程之间通过信号量、共享内存、全局变量、套接字等进行通信 7 。3 4 射频收发程序执行射频收发任务的元件为n I 江2 4 E 1。n R F 2 4 E 1 内嵌一个8 0 5 1 和无线收发器n R F 2 4

28、 0 1，n R F 2 4 0 1 在8 0 5 1 的控制下进行发送和接收。射频收发程序的流程图如图6 所示，手持终端向所有的数据采集单元发出测温指令，数据采集单元接到指令后开始通过操作传感器采集温度数据。待各单元采集完成后，手持终端采用轮询的方式向各个采集单元收集数据。为了避免通信冲突，在这里使用了令牌。当然要有一定的容错措施，发出令牌后，在规定的时间内没有收回令牌，判令牌无效。数据采集单习l 殳发程序流程图手持终端收发程序漉程图图6 射频收发程序流程图4 实验及其结果分析表4 给出了一组实验数据。试验中采用了5 个数据采集分机，每个分机上连接1 0 个传感器，传感器之间相隔1m，测试深

29、度从水面至水下9r 1。根据数据绘制的波形图如图7 所示，湖泊中垂向温度分布呈3 个层次：上层温度较高的温水层；下层温度较低的深水层；中间为过渡段温跃层。同一深度，不同地点的温度差最大为1 1 2 5。反复实践证明该系统的测量精度和误码率完全达到了设计要求，性能可靠。数据访问延时时间一般情况为6s。表4 系统实验数据万方数据万方数据第3 2 卷电子测量技术p硼*5 结论图7 数据波形图本文介绍了基于A R M 7 的便携式数据采集系统，不仅省去了繁琐的线缆铺设，还避免了因传感器距离船体过近，受到船体散热或冷却水影响而导致测量数据不可靠的情况。多任务操作系统弘C L i n u x 的采用保证了

30、系统的实时性。更为重要的是本系统不仅能采集水温数据，只要稍加改装或不用改装，就能对其他数据进行多点，分布式采集。1 2 参考文献吴莉莉，王惠民，吴时强水库的水温分层及其改善措施口 水电站设计，2 0 0 7(9)：9 7 1 0 0 张玉超，钱新，钱瑜，等太湖水温分层现象的监测与分析 J 环境科学与管理，2 0 0 8(6)：1 1 7 1 2 1 叶钢基于D S l 8 8 2 0 的温度控制系统设计 J 国外电子测量技术，2 0 0 7(4)：3 1 3 3 丁永红，孙运强基于n R F 2 4 0 1 的无线数传系统设计 J 国外电子测量技术，2 0 0 8(4)：4 5 4 7 周立功

31、，陈明计，陈渝A R M 嵌入式L i n u x 系统构建与驱动开发范例 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 6：7 1 1 1 1 费业泰误差理论与数据处理 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 0：4 5 5 2 陈斌，高俊，李娟基于A R M 的便携式多功能检测仪口 电子测量技术，2 0 0 9(1)：1 2 0-1 2 2 孙永春，丁玉慧，王小玉基于p C L i n u x 实时远程数据采集系统 J 信息技术，2 0 0 6(4)：3 5-3 7 作者简介朱丹男，1 9 7 9 年3 月出生，东南大学自动化学院硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置、嵌入式系统。E

32、-m a i l：z h u d a n 7 9 1 2 6 c o m戴义保。男，硕士生导师，研究方向为检测技术与自动化装置、智能仪表设计、工业局域网。陈增万。男，1 9 8 5 年3 月出生，东南大学自动化学院硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置、嵌入式系统。(上接第1 5 6 页)7 刘雨刚，洪炳林，郝文慧基于D S l 8 8 2 0 的高精度矿用温度传感器设计 J 国外电子元器件，2 0 0 6，1 2：3 5-3 7 8 赵红旗，王云景D S l 8 8 2 0 在1 6 路测温系统中的应用 J 仪表技术，2 0 0 6，1：6 9 7 1 9 肖本贤用V B 实现P C

33、 机与多个M C S-5 1 单片机主从式通讯的实例 J 制造业自动化，2 0 0 1，2 3(2)：5 4-5 6 1 0 李长杰，潘天红，和卫星分布式控制系统主机与前端机群之间的主从式通信口 江苏理工大学学报：自然科学版，2 0 0 1，2 2(3)：8 4-8 8 1 1 刘国林，殷贯西电子测量 M 北京：机械工业出1 6 2 版社，2 0 0 3，1 1 2 李强，梁莉，刘桢，等具有温度补偿功能的智能压力传感器系统 J 仪器仪表学报，2 0 0 8，2 9(9)t1 9 3 4-1 9 3 8 1 3 李世平，戴凡虚拟仪器测量信号的自动校准方法 J 电子测量技术，2 0 0 7，3 0

34、(2)：1 0 2 1 0 4 作者简介孔庆霞。女，1 9 7 6 年出生，江苏涟水人，淮阴工学院实验师，主要研究方向为计算机应用技术。朱全银，男，1 9 6 6 年出生，江苏盱眙人，淮阴工学院副教授，主要研究方向为信号与信息系统。口口口眵万方数据万方数据基于LPC2210的水温分布数据采集系统基于LPC2210的水温分布数据采集系统作者：朱丹，戴义保，陈增万，Zhu Dan，Dai Yibao，Chen Zengwan作者单位：东南大学自动化学院,南京,210096刊名：电子测量技术英文刊名：ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：2009,32(4)

35、参考文献(8条)参考文献(8条)1.孙永春;丁玉慧;王小玉 基于CLinux实时远程数据采集系统期刊论文-信息技术 2006(04)2.吴莉莉;王惠民;吴时强 水库的水温分层及其改善措施期刊论文-水电站设计 2007(09)3.陈斌;高俊;李娟 基于ARM的便携式多功能检测仪期刊论文-电子测量技术 2009(01)4.费业泰 误差理论与数据处理 20005.周立功;陈明计;陈渝 ARM嵌入式Linux系统构建与驱动开发范例 20066.丁永红;孙运强 基于nRF2401的无线数传系统设计期刊论文-国外电子测量技术 2008(04)7.叶钢 基于DS18B20的温度控制系统设计期刊论文-国外电子测量技术 2007(04)8.张玉超;钱新;钱瑜 太湖水温分层现象的监测与分析期刊论文-环境科学与管理 2008(06)本文链接：http:/