摘  要： 介紹了利用LPC2468處理電導(dǎo)率、溫度傳感器等所采集的信號,，使傳感器的測量由手控轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊?，且其精度大大提高。提出使用傳感器,、ADC7656芯片,、AD7502芯片等建立基于LPC2468的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，利用DM9000芯片實現(xiàn)單片機與計算機之間的通信,，同時用μC/OS-II開發(fā)采集系統(tǒng)的控制程序,。
關(guān)鍵詞： LPC2468,；AD7656； μC/OS-II,；水質(zhì)監(jiān)測

　中國是一個嚴(yán)重缺水的國家,，目前全國多數(shù)城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，嚴(yán)重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康,。水質(zhì)監(jiān)測是水資源管理與保護的重要基礎(chǔ),，是保護水環(huán)境的重要手段，所以對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究就顯得尤為的重要[1],。本文以LPC2468為CPU,，利用AD7656進行A/D轉(zhuǎn)換、通過DM9000進行以太網(wǎng)通信,，實現(xiàn)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小巧,、測量精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
　水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用ARM單核處理系統(tǒng),，其總體設(shè)計方案如圖1所示。水溫,、電導(dǎo)率等8路模擬量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號,，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊進行信號濾波調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換后，通過SPI總線進入ARM,。對ARM擴展了一片鐵電存儲器和一片RAM進行數(shù)據(jù)緩存,，還擴展了一片DM9000用于實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。另外,，人機接口模塊中的液晶顯示模塊以及按鍵控制模塊使得系統(tǒng)能夠脫離PC機作為獨立的便攜裝置使用,。

1.1 CPU模塊
　本設(shè)計采用NXP公司的一款具有極高集成度的以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的32位微控制器LPC2468，該微控制器支持實時仿真和嵌入式跟蹤,，處理器時鐘高達72 MHz,。該芯片片內(nèi)集成了10/100 M以太網(wǎng)媒體訪問控制器、USB2.0全速Device/Host/OTG控制器,、UART,、CAN-bus等眾多資源，同時它還具有98 KB RAM,、512 KB FLASH,，使其非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器,、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其他各種類型的應(yīng)用[2],。
1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
　在水質(zhì)監(jiān)測裝置中，為了達到測量精度,，采用了ADI公司16 bit,、6通道,、高集成度逐次逼近型同步采樣ADC。AD7656采用iCMOS工藝,，功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%,，采樣率每通道達250 kb/s，并且在片內(nèi)包含一個+2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和緩沖器,，因此能很好地滿足電能質(zhì)量裝置對高分辨率,、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗的要求,。AD7656接口電路如圖2所示,。圖中V1~V6為6路經(jīng)信號調(diào)節(jié)電路處理的模擬信號，通過低通濾波器濾除高頻分量,。VDD與VSS為采樣保持開關(guān)工作的電源,，為保證AD7656正常工作，需保證VDD和VSS大于模擬輸入電壓范圍,，這里取-12 V~+12 V,。AVcc與DVcc是AD7656模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。系統(tǒng)提供+5 V給AVcc模擬電壓端,，然后將DVcc和AVcc連接在一起，AVcc與DVcc通過磁珠隔離,，以減少工作過程中DVcc引起的數(shù)字噪聲對AVcc的影響,。由于對實時性要求不高，因此A/D轉(zhuǎn)換器與LPC2468之間采取SPI通信,，大大簡化了硬件接線,。

　模擬量總共有8路，而AD7656只有6路通道,，因此采用一片雙4通道多路開關(guān)AD7502進行擴展,。同時，由于AD7656為雙極性輸入,，且輸入電壓為-5 V~+5 V,，而經(jīng)調(diào)理電路傳到AD7656的電壓信號為0~10 V，這將導(dǎo)致采樣丟失,。為了解決這一問題,，進行了如圖3所示的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計，把0~10 V電壓轉(zhuǎn)換為-5 V~+5 V電壓,，從而提高了準(zhǔn)確度,。

1.3 其他模塊
　(1)看門狗電路以及存儲器模塊。本系統(tǒng)看門狗采用CAT1161,，因其無上電復(fù)位功能,，所以在復(fù)位端應(yīng)另加RC復(fù)位電路,。此外，給ARM外擴了一片512 KB的RAM和一片256 KB的鐵電存儲器FM31256,。其中鐵電存儲器為I2C接口,，因其非易失性用來存儲一些設(shè)定值，F(xiàn)M31256內(nèi)部具有時鐘伴侶功能,，可同時為系統(tǒng)提供實時時鐘,。
　(2)開關(guān)量及電源模塊。接口電路一律采用光耦隔離,，避免外界干擾進入CPU模塊,。電源模塊采用兩級供電方式，首先經(jīng)過一層DC/DC將15 V電壓轉(zhuǎn)換成直流5 V,、12 V,、24 V的電壓，然后再經(jīng)過一層DC/DC,，將電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V和+2.5 V供器件使用,。
　(3)通信模塊。用DM9000擴展以太網(wǎng)接口,，實現(xiàn)與站控層連接,。
　(4)人機交互模塊。人機界面采用320×240大屏幕彩色LCD顯示器,，配有3×2的按鍵,，同時還有6個LED顯示燈來反映裝置的運行情況。
2 軟件設(shè)計
　軟件部分采用源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件平臺,，其具有易移植,、可靠、穩(wěn)定等特點,，并可編寫文件管理系統(tǒng)和相關(guān)的通信協(xié)議棧[3],。主要流程包括系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)任務(wù)編寫兩大部分，如圖4所示,。系統(tǒng)初始化包括μC/OS-II操作系統(tǒng)初始化與系統(tǒng)外設(shè)初始化,。操作系統(tǒng)初始化包括操作系統(tǒng)啟動代碼、任務(wù)函數(shù)的定義和初始化,、文件系統(tǒng)及相關(guān)協(xié)議棧的安裝,；系統(tǒng)外設(shè)初始化包括定時器初始化、SPI和串口控制器初始化等,。該系統(tǒng)共有4個任務(wù),，根據(jù)其輕重緩急分配了任務(wù)優(yōu)先級和任務(wù)堆棧的大小。安裝的協(xié)議棧包括USB協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧[4],。

2.1 AD7656軟件的設(shè)計
　進入定時器中斷,，初始化AD7656,，軟件延時產(chǎn)生一定頻率的CONVST采樣信號，用來啟動AD7656的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5],，等待BUSY信號,。在接收到BUSY信號后讀取數(shù)據(jù)，采樣完成,，關(guān)閉定時器中斷,。圖5為采樣流程圖。

　A/D轉(zhuǎn)換電路是一個模擬輸入模塊,，μC/OS-II內(nèi)核把它作為一個獨立的任務(wù)ADTask()來調(diào)用[6],。A/D的初始化、讀取等要用到以下幾個函數(shù)：
　(1)ADInit(),，初始化所有的模擬輸入通道,、硬件ADC以及應(yīng)用程序調(diào)用A/D模塊參數(shù)，并且ADInit()創(chuàng)建任務(wù)ADTask(),。
　(2)ADTbl[],，使一個模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態(tài)等參數(shù)配置以及轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲表,。
　(3)ADUpdate(),，負責(zé)讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd(),，并給它傳遞一個通道數(shù),。
　(4)ADRd()，負責(zé)通過多路復(fù)用器選擇合適的模擬輸入,，啟動并等待ADC轉(zhuǎn)換，以及返回ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果到ADUpdata(),。
　(5)AD_in(int x,，int y)，x為模擬量輸入起始通道,，y為模擬量輸入個數(shù),。
2.2 數(shù)據(jù)打包
　系統(tǒng)共轉(zhuǎn)換了8路不同類型模擬量，防止接收數(shù)據(jù)時混亂,，在數(shù)據(jù)傳送時需對數(shù)據(jù)進行打包,。數(shù)據(jù)的類型、長度等用一個結(jié)構(gòu)體來表示,，即
typedef struct
{
unit8 STATE_Type,；
//數(shù)據(jù)類型，0x01表示溫度,，0x02表示電導(dǎo)率,，等
unit8 len,；//數(shù)據(jù)長度
uint16 CRC； //CRC校驗碼
},；
2.3 尺度變換
　由于經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的量為數(shù)字信號,，而不是所熟悉的工程量，因此要將這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的帶有量綱的數(shù)值,，以方便使用,。
　尺度變換有軟件實現(xiàn)法、硬件實現(xiàn)法,、實物定標(biāo)法和綜合實現(xiàn)法四種方法[7],。由于硬件實現(xiàn)法費用高且占用線路板面積，因此不采用,。綜合考慮價格,、實現(xiàn)的難易以及信號轉(zhuǎn)變的精度等因素，選擇了軟件實現(xiàn)法中的多項式變換公式法,。這是一種最簡單實用的方法,，適用于絕大多數(shù)場合。


　本文設(shè)計了水質(zhì)監(jiān)測數(shù)字采集系統(tǒng),，該采集系統(tǒng)以LPC2468為核心,，采用高度集成的AD7656轉(zhuǎn)換器，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計,，減小了體積,，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。此系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)采集精度,，由于采用了低功耗的微處理器作為控制芯片,，因此整個系統(tǒng)功耗低，電路簡單易且實現(xiàn),。
參考文獻
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