广东工业大学硕士学位论文系统主要是保证进行自动分析仪的水样能满足仪器的分析要求。水样预处理系统主要是通过粗过滤芯和静置除去水样中的直径较大的颗粒物，避免在取水过程中水样中大的颗粒物质进入在线水质分析仪器。监测节点采用光度法分析的测量仪器，对水样透明度的要求较高，避免对测量的准确性产生影响。对于水质监测过程中的水样采样系统及预处理系统部分，本文不作详细介绍。本文主要是在水样经过水质预处理系统后，设计出一种基于ＣＡＮ总线、嵌入式ｗｅｂ技术的在线水质监测系统，如图３．１所示。嵌入式ｗｅｂ服务器获取来自水质监测节点的信息，经过处理后向ｉｎｔｅｍｅｔ发布，同时响应客户端浏览器的连接请求，获取控制信息并发送到现场监测节点，由于嵌入式ｗｅｂ服务器的存在，实现了底层信息直接送往ｉｎｔｅｍｅｔ，并能够通过浏览器与嵌入式控制系统交互，是一个典型的Ｂ／Ｓ结构。最重要的构思是将ｗｅｂ服务器置入嵌入式系统，直接和ＴＣＰ／ＩＰ相接，从而实现嵌入式ｉｎｔｅｍｅｔ的功能。彭夕‘慈鬻誉ｉ鹣．嬲曩熏瑟瑟琴：∞女‰ｃ』Ⅲ干网远程客户端圈…圜水质监测节点图３—１在线水质远程监测系统结构框图Ｆｉｇ．３—１ＴｈｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＣｈａｒｔｏｆＯｎ—ｌｉｎｅＷａｔｅｒＱｕａｌｉｔｙＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ该系统通过嵌入式Ｗｅｂ服务器调用ＣＧＩ程序实现对供水系统的远程监控功能，具有如下优点：第一，采用Ｂ／Ｓ模式可以方便的实现远程控制，在硬件上只需将一根网线接入ｉｎｔｅｍｅｔ即可；第二，由于不需要编写用户端软件，因此可以大大减少后续系统设计中软件设计的投入；第三，直接采用￥３Ｃ２４１０Ｘ开发板构建在线水质监测系统的硬件平台，方便且大大缩短了开发周期。整个在线水质监测系统可以分为如下几个部分：１．现场水质监测节点，位于ＣＡＮ网络的最底层，负责对现场需要监测的数据进行采集。不同的工业现场和不同的采集需求决定现场采集节点的多样化，但只需２６第三章在线水质监测系统硬件设计要具备通用ＣＡＮ接口和协议，就可以应用于整个在线水质监测系统。２．嵌入式监控平台，嵌入式监控平台在整个网络中起着承上启下的作用，它同时具备ＣＡＮ接口和以太网接口，连接着底层的ＣＡＮ网络和上层的以太网，通过ＣＡＮ网络采集各个监测节点的数据，然后通过ｗｅｂ服务器向监控中心发布信息。３．监控中心，监控中心可以由通用ＰＣ充当。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上任一合法授权的用户，都可以通过Ｗｅｂ浏览器向嵌入式Ｗｅｂ服务器提交监视、控制等请求，嵌入式Ｗｅｂ服务器相应的应用程序处理客户请求，并将结果以ＨＴＭＬ页面的形式送回Ｗｅｂ浏览器【４２１。３．２嵌入式ｗｅｂ服务器硬件平台的构建在本系统中，嵌入式ｗｅｂ服务器不仅要实现现场监测节点的数据采集，还要通过Ｉｎｔｅｍｅｔ将数据发送到互联网上，根据水质监测的要求，综合比较处理器价格和性能后，选用了北京博创兴业科技公司生产的ＵＰ．ＮＥＴＡＲＭ２４１０系统核心板，包括了￥３Ｃ２４１０Ｘ芯片、一片Ｋ２９Ｆ２８０８用来构建６４ＭＢ大小的Ｆｌａｓｈ存储系统、两片ＨＹ５７５６１６２０ＢＴ－Ｈ用来构建６４ＭＢ大小的ＳＤＲＡＭ存储系统，该芯片集成了大量的功能扩展单元，包括一个ＪＴＡＧ接口、ＬＣＤ触摸屏接口、ＵＳＢ接口、ＲＳ２３２、以太网接口，可为系统提供不同的通讯方式，适合不同的监测环境和条件。通过ＵＰ．ＮＥＴＡＲＭ２４１０的以太网接口接入ｉｎｔｅｍｅｔ，远程客户端可以方便访问水质监测系统页面，ＲＳ．２３２串口用于操作系统的移植，ＪＴＡＧ用来烧写ＦＬＡＳＨ。ＡＲＭ微控制器作为核心控制模块，以太网控制芯片ＡＸ８８７９６经耦合隔离滤波器ＦＣ．５１８ＬＳ和ＲＪ４５接口接入以太网，扩展ＣＡＮ总线接口，编写ＣＡＮ总线协议，将ＣＡＮ控制子网上的设备接入以太网１４３｜。￥３Ｃ２４１０Ｘ处理器并没有集成ＣＡＮ控制器，在此系统中，采用ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ公司的独立ＣＡＮ总线控制器ＭＣＰ２５１０对微处理器进行扩展，ＣＡＮ收发器采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＴＪＡｌ０５０。为实现嵌入式ｗｅｂ服务器，虽然内部没有集成ＣＡＮ控制器，但可以通过ＳＰＩ接口进行扩展，接口电路简单，易于实现，如图３．２所示。ＣＡＮ总线接口电路主要采用带ＳＰＩ接口的独立ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０、ＣＡＮ总线收发器ＴＪＡｌ０５０等设备组成。独立ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０完全支持ＣＡＮ２．０Ａ和ＣＡＮ２．０Ｂ协议。系统设计时，将ＭＣＰ２５１０作为从设备连接到￥３Ｃ２４１０Ｘ的ＳＰｌ０口。ＴＪＡｌ０５０总线收发器是ＣＡＮ控制器和物理总线之间的接２７广东工业大学硕士学位论文口芯片，增强了总线的驱动能力。在ＭＣＰ２５１０与ＴＪＡｌ０５０之间加入了光电耦合器６Ｎ１３７，可增强系统的抗干扰能力和系统的稳定性，同时可解决它们之间电平兼容问题。ＭＣＰ２５１０的ＴＸＣＡＮ和ＲＸＣＯＮ与ＴＪＡｌ０５０的ＴＸＤ和ＲＸＤ相连。总线两端接有１个终端电阻（１２０Ｑ）作为匹配电阻，以消除反射信号，有效提高系统的抗干扰能力。’抡Ｃｔｔ冒ＣＣｊＤ图３－２ＣＡＮ总线接口电路Ｆｉｇ．３－２ＣＡＮＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔ在设计中，水质监测节点以ＡＴｍｅｇａｌ２８微控制器为核心，包括多通道检测电路、图３－３节点硬件功能模块框图Ｆｉｇ．３－３孤ｏｄｕｌｅＣｈａｒｔｏｆＮｏｄｅＨａｒｄｗａｒｅ本系统设计节点检测通道最多能同时检测８个样品，通过选用不同的单色ＬＥＤ３．３水质监测节点的硬件设计按键电路、报警装置、ＬＣＤ液晶显示模块、ＣＡＮ接口通讯模块等。其节点硬件功能模块如图３．３所示。光源和光电传感器组建检测通道装置，其检测通道硬件框图如图３—４所示，包括单色ＬＥＤ光源、光电传感器、样品池、信号处理电路等部分。水质监测节点首先由采第三章在线水质监测系统硬件设计样系统采集水样，使经过处理的采样样品溶液进入样品池，单色ＬＥＤ光源发出单色光照射样品池，由光电传感器接收光信号，并将其转化成电信号，再经放大电路和滤波电路对其进行放大和滤波，由微处理器进行数据处理，最终得到水质溶液的浓度，然后由ＣＡＮ总线将数据发送到嵌入式ｗｅｂ服务器。节点硬件系统可以分成多个功能模块，每个模块分别满足不同的系统功能，下面逐个对他们进行说明。ＩＩｌＩＩｌＩＩＩＩＩＩＩ１．．一图３—４检钡０通道硬件框图Ｆｉｇ．３－４ＨａｒｄｗａｒｅＣｈａｒｔｏｆＤｅｔｅｃｔｉｏｎＣｈａｎｎｅｌｓ３．３．１ＡＴｍｅｇａｌ２８的特点及硬件资源监测节点的硬件设计是基于低功耗的ＡＴｍｅｇａｌ２８单片机，不仅可以控制本身其低功耗的工作模式，也可以通过编程控制外围器件的低功耗工作方式，节约能量。且其支持ＪＴＡＧ仿真、保密性能高。一般工作电压为２．７Ｖ一－５．５Ｖ，支持ＢＡＳｌＣ、Ｃ等高级语言编程。近年来ＡＴｍｅｇａｌ２８微处理器以优良而稳定的性能广泛应用于各种电子系统自动化仪表中，为许多嵌入式测控应用提供了灵活而低成本的方案。ＡＴｍｅｇａｌ２８单片机的主要特点及硬件资源如下。ＡＴｍｅｇａｌ２８芯片是一款高性能、低功耗的ＡＶＲ８位微处理器，工作于１６ＭＨｚ时性能高达１６ＭＩＰＳ，１２８Ｋ字节的系统内可编程Ｆｌａｓｈ，４Ｋ字节的ＥＥＰＲＯＭ，４Ｋ字节的内部ＳＲＡＭ，多达６４Ｋ字节的优化的外部存储器空间，可以对锁定位进行编程以实现软件加密，可以通过ＳＰＩ实现系统内编程，两个具有独立的预分频器和比较器功能的８位定时器／计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的１６位定时器／计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路８位ＰＷＭ，６路分辨率可编程（２到１６位）的ＰＷＭ，输出比较调制器，８路１０位ＡＤＣ，８个单端通道，７个差分通道，２个具有可编程增益（１ｘ，１０ｘ，或２００ｘ）的差分通道，面向字节的两２９广东＿Ｙ－业大学硕士学位论文线接口，两个可编程的串行ＵＳＡＲＴ，可工作于主机／从机模式的ＳＰＩ串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器，６种睡眠模式：空闲模式、ＡＤＣ噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Ｓｔａｎｄｂｙ模式以及扩展的Ｓｔａｎｄｂｙ模式川。其引脚配置如图３．５所示。户ＥＮＰＡ３ｆＡＤ３）ＲＸＤｏ／（ＰＤＩ’ＰＥ０ＰＡ４ｆＡＤ４，—．ｘＤ０７户ｏｏ＇ＰＥｌＰＡ５￡ＡＤ５＇钟ＣＫ０７ＡＩＮ０，ＰＥ２ＰＡ６ｆＡＤ６）ｆｏＣ３Ａ∞－｝Ｎ１）Ｐ芒３ＰＡＴ《ＡＤ７’ｆ蛮Ｃ３色／ＩＮＴ４）ＰＥ４ＰＧ２ｆＡＬＥ）ｐＣ３Ｃ？ＩＮＴ５）ＰＥ５户Ｃ７￡Ａ１５，ｆＴ＿３，ＩＮＴ８）ＰＥ６ＰＣ６恤１４，｛ＩＣＰＯＶＩＮＴ７’户Ｅ７ＰＣ５‘Ａ１３，氓｝§’ＰｅｏＰｃ４Ｐ，１２，（ｓｏＫ，户８１ＰＣ３￡Ａ１１’ｆＭｏＳＩ，ＰＢ２ｐＣ２ｆＡｌｏ，ｆＭＩＳｏ，Ｐ岔３ＰＣＩ浊叠｝｛ＯＣ０’Ｐｅ‘ＰＣｏ（柏’‘ｏＣｌＡ＇ＰＢ５∞１ｅ）Ｐ售雹％１（ＲＤ，Ｐ盘鲥确｝图３－５ＡＴｍｅｇａｌ２８引脚图Ｆｉｇ．３—５ＦｉｇｕｒｅｏｆＡＴｍｅｇａｌ２８Ｐｉｎｓ３．３．２光路系统光路系统由单色ＬＥＤ光源、样品室和光电传感器组成，选用特定的ＬＥＤ作为单色光源。这种光源具有体积小、功耗低、寿命长、工作稳定等特点。由于ＬＥＤ本身具有聚光能力，因而使仪器光路的设计变得简单，仪器也可以做得更小巧。由于光源的单色性直接影响到监测节点的测量精度和稳定度，因此选定多个可产生特定波长光的单色ＬＥＤ作为单色光源，通过ＡＴｍｅｇａｌ２８控制其产生特定波长的单色光，可以针对放入样品池的水质溶液进行水质参数分析检测，通过多个检测通道，把单一参数检测集合于一体，能对多个参数进行检测。根据朗伯一比尔定律成立前提，应选用单色性比较好的微型光源。在可见光区常见的有红、黄、绿、蓝等单色光源，其最大发射波长分别在６５０、５８０、５６０、４４０ｎｍ左右Ｉ朽１。这几种波长的光源基本可以满足大部分水质参数测定的需求。３０
在线水质监测系统的设计 - 图文
