基于Cortex-A8的移動在線水質(zhì)監(jiān)測平臺的研究

吳 宇，楊 江，張 龍

(浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

隨著我國工業(yè)發(fā)展，水污染問題日益突出，對水質(zhì)進行監(jiān)測越來越重要。2000年我國自主生產(chǎn)的“長江水環(huán)檢測2000”[1]，因其檢測船造價昂貴，難以在全國推廣。電子技術(shù)的發(fā)展，使得以更微型、更廉價的方式制造出類似“長江2000”監(jiān)測船功能的在線水質(zhì)監(jiān)測平臺成為可能。因此，本文提出了以德州儀器2012年最新發(fā)布的以低功耗且價格敏感的工業(yè)用芯片AM3359為核心處理器的移動在線水質(zhì)監(jiān)測平臺。該平臺可以實現(xiàn)水域中的任意移動、平臺的經(jīng)緯度實時監(jiān)測、水樣本的自動獲取及各項水質(zhì)指標(biāo)的檢測、圖像數(shù)據(jù)及被檢水質(zhì)數(shù)據(jù)的無線傳輸。平臺配備了柔性太陽能電池板、12 V蓄電池以及相應(yīng)的電源控制電路，可實現(xiàn)蓄電池的自動充電。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個系統(tǒng)主要由移動平臺和監(jiān)控中心兩部分組成。監(jiān)控中心主要由基于PC機的上位機軟件和算法組成。移動平臺包括核心處理器、電源模塊以及各種功能模塊。核心處理器采用AM3359低功耗芯片，它是一款基于Cortex-A8內(nèi)核的高性能低價格（約5美元一片）工業(yè)型芯片，具有720 MHz的主頻，采用 32 bit RISC精簡指令，具有12 bit高精度ADC、3路增強型的PWM通道、SGX530圖像引擎，支持ddr2和ddr3內(nèi)存，支持最新的Linux和Wince操作系統(tǒng)，功耗低至7 mW。功能模塊包括水質(zhì)測量模塊、圖像采集模塊、電源模塊、電機控制模塊、GPS定位模塊、GPRS無線傳輸模塊、電子羅盤方向?qū)Ш侥K、超聲波測障模塊。

水質(zhì)監(jiān)測平臺系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

在圖1中，電子羅盤模塊采用霍尼韋爾公司推出的3軸數(shù)字羅盤HMC5883；GPS模塊和GPRS模塊采用SIMCom公司最新推出的sim908模塊，該模塊把GPS和GPRS集成到一起，由AT指令控制；水質(zhì)采樣模塊使用2個小型水泵，通過I/O口控制繼電器實現(xiàn)水泵的抽水和排水；太陽能充電模塊采用CN3063太陽能充電管理芯片。這些模塊在應(yīng)用時十分簡單，本文不詳細闡述。本文將重點介紹運動控制模塊的改進和基于Linux操作系統(tǒng)的圖像采集與傳輸。

2.1 運動控制模塊設(shè)計

本設(shè)計選用無刷直流電機作為運動控制模塊的核心部件，選用IR21365和GIB10B60KD1構(gòu)成無刷電機的驅(qū)動電路。無刷電機由于沒有電刷，壽命比有刷電機提高了6倍，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、永無磨損、空載電流小、過載能力大等優(yōu)點[2-3]。運動控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 硬件邏輯防短路電路設(shè)計

軟件邏輯上的錯誤可能導(dǎo)致與電機某相連接的上下兩只IGBT管同時導(dǎo)通，使電路出現(xiàn)短路[4]，引起電流過大而燒壞IGBT管。對此，本文通過“與非門”搭建一個電路，使得當(dāng)與上下兩只IGBT管柵極相連的PWM波引腳都為高電平時，與電機相連的相不導(dǎo)通。由于電機三相存在對稱性，這里僅取電機的A相來分析硬件上如何防止上下兩只IGBT管同時導(dǎo)通，其原理圖如圖3所示。

由于IR2136S只是增強信號的驅(qū)動能力，不改變信號邏輯上的值，因此從邏輯上說 Q1′和 Q1、Q2′和 Q2是一樣的。根據(jù)本文的設(shè)計，當(dāng) Q1′、Q2′為低電平時，相應(yīng)的IGBT管為導(dǎo)通狀態(tài)，其真值表如表1所示。

表1 電機單相受PWM波控制真值表

由表1可知，當(dāng)由于軟件誤操作導(dǎo)致PWM1和PWM2同時高電平或者同時低電平時，與之相連的兩個IGBT管都是截止?fàn)顟B(tài)，防止了短路的發(fā)生，從硬件上有效地保護了電機。

2.3 圖像采集模塊

本文采用OV7620 COMS攝像頭，其分辨率達到640×480，支持 RGB和YUV圖像數(shù)據(jù)格式。5 V電源供電,工作時功耗＜120 mW，待機時功耗＜10 μW[5]。 該模塊與微處理器的連接框圖如圖4所示。

OV7620的控制符合SCCB(Serial Camera Control Bus)協(xié)議，它是一種簡化了的I2C協(xié)議，本文采用I/O模擬SCCB總線的方式來控制OV7620。編寫一個I2CSendByte()函數(shù)來寫寄存，該函數(shù)的第一個參數(shù)為OV7620的芯片地址0x42，第二個參數(shù)為片內(nèi)寄存器地址，第三個參數(shù)為相應(yīng)寄存器的設(shè)定值。本文設(shè)置OV7620為連續(xù)掃描、RGB原始數(shù)據(jù)16位方式輸出。用如下的函數(shù)可以完成設(shè)置：

處理器把OV7620采集到的RGB格式的圖像數(shù)據(jù)壓縮成JPEG格式并存儲于SD卡中，當(dāng)收到相應(yīng)命令時，通過GPRS無線模塊把圖像發(fā)送給監(jiān)控中心。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 操作系統(tǒng)

本文采用具有可靠性高、源代碼開放等優(yōu)點的Linux操作系統(tǒng)。在為系統(tǒng)移植Linux操作系統(tǒng)之后，將為OV7620添加驅(qū)動程序。

整個系統(tǒng)流程為：系統(tǒng)開機后進行初始化并創(chuàng)建各個任務(wù)，任務(wù)創(chuàng)建成功后系統(tǒng)檢測GPRS緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)并判斷是自主導(dǎo)航還是手動導(dǎo)航。如果是手動導(dǎo)航，則系統(tǒng)直接接收遠程遙控到目的地采集水樣；如果是自動導(dǎo)航，則系統(tǒng)通過GPS獲取目標(biāo)位置和當(dāng)前位置并計算運動路線。運動過程中通過超聲波不斷探測前方是否有障礙物，如果有障礙則系統(tǒng)進行避障運動。避障后系統(tǒng)重新確定運動路線和運動方向。當(dāng)系統(tǒng)到達指定位置時便開始水質(zhì)采樣和分析以及水質(zhì)的影像采集。最后數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸回監(jiān)控中心。這樣就完成了一次水質(zhì)采樣。

3.2 驅(qū)動程序的編寫

攝像頭設(shè)備屬于字符設(shè)備，它能夠像字節(jié)流一樣被訪問，并且只能夠順序讀寫[6]。添加一個設(shè)備驅(qū)動程序的標(biāo)準(zhǔn)流程如圖5所示。

圖5 Linux系統(tǒng)下添加驅(qū)動程序流程圖

當(dāng)調(diào)用驅(qū)動程序時，操作系統(tǒng)會自動調(diào)用module_init()函數(shù)；退出驅(qū)動程序時，操作系統(tǒng)會自動調(diào)用module_exit()函數(shù)以釋放系統(tǒng)資源。

關(guān)鍵的函數(shù)如下：

其中有一個非常重要的結(jié)構(gòu)體(即file_operations結(jié)構(gòu)體)是Linux系統(tǒng)中為應(yīng)用程序提供各種操作接口的核心結(jié)構(gòu)體，編寫驅(qū)動的大部分工作實際上就是填充file_operations結(jié)構(gòu)體中的各個子函數(shù)。在本文中，攝像頭的file_operations結(jié)構(gòu)體如下：

如填充ov7620_open子函數(shù)如下：

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用open函數(shù)時，程序最終會調(diào)用到驅(qū)動程序里的OV7620_open()函數(shù)，從而操作硬件。其他的應(yīng)用程序的函數(shù)調(diào)用，最終也會尋找到file_operations結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)的鉤子函數(shù)，在此不再贅述。

3.3 圖像的壓縮傳輸

為加快圖像傳輸?shù)乃俣群凸?jié)省流量，本文采用JPEG的圖像壓縮方式。在JPEG算法中，通常是將圖像分成一個個8×8的圖像子塊，對每一個圖像子塊進行離散余弦變換。所使用的二維離散余弦變換(DCT)公式如下[7]：

其逆變換如下：

JPEG圖像壓縮在Linux操作系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)方式為：在工程文件夾下一次拷貝libjpeg.lib、jconfig、jmorecfg.h、jpeglib.h這4個文件；然后在主程序所在的#include“jpeglib.h”源文件中，調(diào)用 jpeg_start_compress()函數(shù)進行壓縮；壓縮完成后需調(diào)用jpeg_finish_compress()函數(shù)來完成壓縮；最后需要調(diào)用jpeg_destroy_compress()函數(shù)來釋放壓縮過程中申請的資源。壓縮效果如圖6所示，壓縮前圖片大小為 850 KB，壓縮后圖片大小為45 KB，可見采用JPEG壓縮效果十分明顯。

本文介紹了以高性能Cortex-A8微處理器為核心的移動在線水質(zhì)監(jiān)測平臺的開發(fā)和系統(tǒng)的軟、硬件組成，并且對一些不足提出了改進。實踐證明，該系統(tǒng)可長期在水域中監(jiān)測水質(zhì)，并可順暢地傳輸回所在位置的水質(zhì)圖像，具有一定的應(yīng)用價值。

[1]李飛飛，楊江.遙控式移動水質(zhì)快速監(jiān)測系統(tǒng)[DB].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2011：6-7.

[2]韋鯤，任軍軍.三次諧波檢測無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置的研究[J].中國電機工程學(xué)報，2004，24(5)：163-167.

[3]黃小莉，何毅.三相直流無刷電機驅(qū)動板設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2011，5(5)：60-62.

[4]讓余奇，曹彥.采用IGBT的無刷直流電動機保護技術(shù)[J].微特電機，2004，5(5)：38-40.

[5]雷霏霖，梁志毅.基于 CMOS傳感器OV7620采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008，31(12)：110-112.

[6]樊國棟，石紅瑞.嵌入式 Linux下 CMOS攝像頭驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2010，3(3)：68-70.

[7]鄭凱華，章旭東.基于S3C2440的圖像采集與顯示系[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(8)：225-228.