基于LPC2468的水質監測系統數字采集設計

溫陽東，錢夢然，王 軍

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

中國是一個嚴重缺水的國家，目前全國多數城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。水質監測是水資源管理與保護的重要基礎，是保護水環境的重要手段，所以對水質監測系統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轉換、通過DM9000進行以太網通信，實現的水質監測系統具有體積小巧、測量精度高、反應速度快等優點。

1 系統總體設計方案

水質監測系統采用ARM單核處理系統，其總體設計方案如圖1所示。水溫、電導率等8路模擬量經過傳感器轉換為電壓信號，經數據采集模塊進行信號濾波調理與A/D轉換后，通過SPI總線進入ARM。對ARM擴展了一片鐵電存儲器和一片RAM進行數據緩存，還擴展了一片DM9000用于實現以太網通信。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能夠脫離PC機作為獨立的便攜裝置使用。

圖1 總體設計方案

1.1 CPU模塊

本設計采用NXP公司的一款具有極高集成度的以ARM7TDMI-S為內核的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。該芯片片內集成了10/100 M以太網媒體訪問控制器、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關、協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器以及其他各種類型的應用[2]。

1.2 A/D轉換模塊

在水質監測裝置中，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，并且在片內包含一個+2.5 V內部基準電壓源和緩沖器，因此能很好地滿足電能質量裝置對高分辨率、多通道、高轉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路經信號調節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字電壓輸入端。系統提供+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引起的數字噪聲對AVcc的影響。由于對實時性要求不高，因此A/D轉換器與LPC2468之間采取SPI通信，大大簡化了硬件接線。

圖2 AD7656與CPU接線圖

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，而經調理電路傳到AD7656的電壓信號為 0～10 V，這將導致采樣丟失。為了解決這一問題，進行了如圖3所示的電壓轉換設計，把 0～10 V電壓轉換為-5 V～+5 V電壓，從而提高了準確度。

1.3 其他模塊

(1)看門狗電路以及存儲器模塊。本系統看門狗采用CAT1161，因其無上電復位功能，所以在復位端應另加RC復位電路。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定值，FM31256內部具有時鐘伴侶功能，可同時為系統提供實時時鐘。

圖3 電壓轉換

(2)開關量及電源模塊。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，首先經過一層DC/DC將15 V電壓轉換成直流 5 V、12 V、24 V的電壓，然后再經過一層 DC/DC，將電壓轉換成+3.3 V和+2.5 V供器件使用。

(3)通信模塊。用DM9000擴展以太網接口，實現與站控層連接。

(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 軟件設計

軟件部分采用源碼公開的嵌入式操作系統μC/OSII作為軟件平臺，其具有易移植、可靠、穩定等特點，并可編寫文件管理系統和相關的通信協議棧[3]。主要流程包括系統初始化和系統任務編寫兩大部分，如圖4所示。系統初始化包括μC/OS-II操作系統初始化與系統外設初始化。操作系統初始化包括操作系統啟動代碼、任務函數的定義和初始化、文件系統及相關協議棧的安裝；系統外設初始化包括定時器初始化、SPI和串口控制器初始化等。該系統共有4個任務，根據其輕重緩急分配了任務優先級和任務堆棧的大小。安裝的協議棧包括USB協議棧和TCP/IP協議棧[4]。

圖4 部分軟件方框圖

2.1 AD7656 軟件的設計

進入定時器中斷，初始化AD7656，軟件延時產生一定頻率的CONVST采樣信號，用來啟動AD7656的數據轉換[5]，等待BUSY信號。在接收到BUSY信號后讀取數據，采樣完成，關閉定時器中斷。圖5為采樣流程圖。

圖5 數據采集流程

A/D轉換電路是一個模擬輸入模塊，μC/OS-II內核把它作為一個獨立的任務ADTask()來調用[6]。A/D的初始化、讀取等要用到以下幾個函數：

(1)ADInit()，初始化所有的模擬輸入通道、硬件 ADC以及應用程序調用A/D模塊參數，并且ADInit()創建任務ADTask()。

(2)ADTbl[]，使一個模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態等參數配置以及轉換結果存儲表。

(3)ADUpdate()，負責讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd()，并給它傳遞一個通道數。

(4)ADRd()，負責通過多路復用器選擇合適的模擬輸入，啟動并等待ADC轉換，以及返回ADC轉換結果到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。

2.2 數據打包

系統共轉換了8路不同類型模擬量，防止接收數據時混亂，在數據傳送時需對數據進行打包。數據的類型、長度等用一個結構體來表示，即

2.3 尺度變換

由于經過A/D轉換后的量為數字信號，而不是所熟悉的工程量，因此要將這些數字量轉換為相應的帶有量綱的數值，以方便使用。

尺度變換有軟件實現法、硬件實現法、實物定標法和綜合實現法四種方法[7]。由于硬件實現法費用高且占用線路板面積，因此不采用。綜合考慮價格、實現的難易以及信號轉變的精度等因素，選擇了軟件實現法中的多項式變換公式法。這是一種最簡單實用的方法，適用于絕大多數場合。

差值多項式公式如下：

其中，xi(i=0，1，2，…，n)為經傳感器輸出的值，yi為實際參數值。 將式(1)進行變形，令 li(x)(i=0，1，…，n)表示 n次多項式，且滿足

考慮如下形式的多項式：

n由轉換精度決定，然后選取n+1個檢測點。檢測出此時的 x0，x1，…，xi，…，xn，以及 與之對應的 y0，y1，…yi，…，yn，代入式(3)、式(4)可以計算出差值多項式。 然后在程序中可以按照這個差值多項式計算出其他所有檢測點，這樣可以實現尺度變換。

本文設計了水質監測數字采集系統，該采集系統以LPC2468為核心，采用高度集成的AD7656轉換器，大大簡化了系統硬件和軟件設計，減小了體積，提高了系統工作的可靠性。此系統具有很高的數據采集精度，由于采用了低功耗的微處理器作為控制芯片，因此整個系統功耗低，電路簡單易且實現。

[1]董甲彬，王金鑫，李玲，等.GPRS技術在水庫水質監測系統中的應用研究[J].信息與技術，2007(7)：122-125.

[2]周立功.ARM嵌入式系統軟件開發實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]LABROSSE J J.MicroC/OS-II the real-time Kernel Second Edition[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-II原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]崔艷林，趙煥軍.基于AD7656和ADSP21369的多路信號采集系統[J].電子技術應用，2008(12)：54-56.

[6]夏靖波，王航，陳雅蓉.嵌入式系統原理與開發[M].西安：西安電子科大出版社，2006.

[7]仆玉明.智能儀表測量信號的尺度變換及實現[J].自動化儀表，2000(2)：47-48.