鞠鳳娟

摘 要： 城市污水水質(zhì)的大范圍、精確、自動化的檢測系統(tǒng)中，檢測的實時性一直是一個亟待解決的問題。設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)的污水檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MCF5307處理器實現(xiàn)污水采集信息的傳遞、存儲以及控制，使用RS 422串口協(xié)議實現(xiàn)通信主板與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將所提系統(tǒng)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，設(shè)計一種兼容性較好的通信模塊，通過信息處理采集模塊完成污水檢測和數(shù)據(jù)采集，配合通信模塊實現(xiàn)對污水實時、有效的管理。軟件設(shè)計過程中，對基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測過程進行了詳細分析，并給出污水檢測的程序代碼。實驗結(jié)果表明所提系統(tǒng)具有很高的實時性及實用性。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 污水檢測； 信息處理； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN911.23?34； TP181 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0146?04

當(dāng)前我國污水檢測的主要方法為人工檢測，該方法不僅成本高、效率低，而且污水檢驗缺乏時效性，污染源通常因為時效性無法進行確定，對污水處理、污染管理等工作帶來了非常大的困難[1?3]。研究開發(fā)可實現(xiàn)大領(lǐng)域遠程自動對污水進行檢測的系統(tǒng)顯得尤為重要和迫切[4?6]。所以，尋求正確的方法對污水實行正確的檢測，變成了有關(guān)學(xué)者解析的熱點方向[7?9]。當(dāng)前存在的智能型污水檢測系統(tǒng)多是通過發(fā)光菌配合計算機信息處理技術(shù)完成，雖然能做到智能檢測，但是系統(tǒng)的實時性一直是一個難題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)的污水檢測系統(tǒng)，為城市污水的高效控制提供可靠的依據(jù)。

1 污水檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計

新一代污水檢測系統(tǒng)以嵌入式技術(shù)為主，主要是因為嵌入式技術(shù)可以做到小型化、高精度。系統(tǒng)的組成包括嵌入式MCF5307處理器、通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換、信息處理采集模塊、LCD顯示模塊、串口、預(yù)留計算機視覺監(jiān)測模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。MCF5307處理器是整個系統(tǒng)的大腦，實現(xiàn)污水信息的高效處理。通過使用RS 422串口協(xié)議實現(xiàn)主控芯片與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將所提系統(tǒng)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過信息采集模塊完成污水檢測和數(shù)據(jù)采集，以上模塊相互配合，基本可以實現(xiàn)對污水實時、有效的檢測管理。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 嵌入式MCF5307處理器的選擇與應(yīng)用

MCF5307處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。MCF5307處理器是本文系統(tǒng)的核心控制模塊，負責(zé)污水信息的高效處理。MCF5307是由Motorola生產(chǎn)的32位ColdFire系列處理器，其引入ColdFire V3可變RISC處理核心以及DigitalDNA方法，在90 MHz系統(tǒng)時鐘下可達75 Dhrystone 2.1 MIPS，適用于嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計。其自身具有的I2C兼容總線控制器可有效實現(xiàn)MCF5307與污水信息處理采集模塊的信息傳遞。

2.2 污水信息傳遞與通信模塊

本文系統(tǒng)通過設(shè)計通信模塊，與RS 422協(xié)議相結(jié)合，完成系統(tǒng)通信主板和每個模塊間的訊息傳輸過程。其中包括預(yù)留網(wǎng)絡(luò)端口的通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。通信模塊的芯片選擇LPC1768，這是因為通信芯片可以向多個傳輸串口提供信息，也適合采用一種可完成一機對多機的串口協(xié)議。而且，通信模塊與其他模塊之間的信息傳遞量較大，必須達到較高的實時性，所以應(yīng)采用一種具有較高傳遞速度的芯片。系統(tǒng)采用RS 422串口協(xié)議。另外，通信模塊還可以直接與LCD顯示模塊完成通信，通信內(nèi)容可以直接在LCD上顯示。通信模塊完整的構(gòu)造示意圖如圖3所示。

RS 422串行接口同意單機輸送，多機接收，一條總線可以銜接10個左右的接收器。也就是一個主設(shè)備，若干從設(shè)備。主設(shè)備可傳遞信息至全部從設(shè)備，但從設(shè)備之間無法實現(xiàn)信息傳遞。RS 422采取4條信號線，實現(xiàn)信息的輸送，有完整地傳送與接收通道。且RS 422以平衡傳送及差分接收為傳遞模式，具備較強的抗干擾水平，對本文系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用，可有效增強檢測系統(tǒng)的工作效率以及穩(wěn)定性。除此之外，通信模塊還包括電源、LCD驅(qū)動電路等，組成完整的電路結(jié)構(gòu)。其中，電源模塊主要負責(zé)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為每個芯片允許的電壓。LCD驅(qū)動電路主要用于驅(qū)動液晶顯示屏，將打印機的運行狀態(tài)以及錯誤報告顯示出來。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊主要負責(zé)將本文系統(tǒng)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器對經(jīng)處理后的探測器信號進行采集，該信號的頻率和紅外光源的調(diào)制頻率相同，均為10 kHz。為了防止采樣過程中信號混疊情況的發(fā)生，選擇的A/D轉(zhuǎn)換器頻率不可少于100 kHz。S3C44B0中集成有8路10位A/D控制器，可采樣頻率最大只有10 kHz，無法實現(xiàn)本文系統(tǒng)模擬信號的有效轉(zhuǎn)換，所以必須引入更高采樣頻率的A/D。

綜合考慮分辨率、轉(zhuǎn)換效率和模擬輸入通道數(shù)等，本文系統(tǒng)采用TI公式生產(chǎn)的ADS7852作為A/D轉(zhuǎn)換器。ADS7852是一種高效率的A/D轉(zhuǎn)換器，其采用頻率是500 kHz，8通道輸入，并行12位輸出，自帶2.5 V基準(zhǔn)電壓，轉(zhuǎn)換時間不超過1.75 μs。A/D轉(zhuǎn)換模塊總體示意圖如圖4所示。

ADS7852的基本思想是：首先將CS引腳置為低電平，再對A2，A1以及A0的值進行調(diào)整，確定輸入通道，將WR引腳置為低電平，開啟A/D轉(zhuǎn)換。依據(jù)ADS7852的轉(zhuǎn)換以及讀寫時序完成采集。

2.4 污水信息采集模塊

信息處理采集模塊如圖5所示，改進的系統(tǒng)使用信息處理采集模塊達到了污水檢測及數(shù)據(jù)采集。通過安裝無線光學(xué)細菌發(fā)光污染傳感器對污水進行實時采集，獲取與污水狀態(tài)相關(guān)的信息，再通過MCF5307核心處理器將獲取的污水狀態(tài)信息通過通信模塊以太網(wǎng)發(fā)送至控制中心，實現(xiàn)對污水實時、有效的管理。

信息處理采集模塊以TI DSP C5507為核心，結(jié)合ADI公司生產(chǎn)的JPEG 2000壓縮芯片ADV?JP2000，完成對污水情況的檢測以及數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)污水處理流程

在對污水檢測系統(tǒng)所需執(zhí)行任務(wù)進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計的特性，對基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測系統(tǒng)進行設(shè)計，軟件流程圖如圖6所示。

對本文設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的污水檢測系統(tǒng)進行通電后，首先對系統(tǒng)設(shè)計的各個參數(shù)進行初始化設(shè)置，然后顯示開機畫面，對用戶是否按鍵進行確定，若有按鍵，則對用戶的操作進行確定，通過A/D轉(zhuǎn)換器對相應(yīng)通道的模擬信號進行采集以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，對獲取的數(shù)值信號進行操作，將其轉(zhuǎn)換成原始信號，同時顯示在LED顯示屏中，最后通過串口進行傳輸；若用戶按下CLC鍵，則說明用戶清除LED顯示屏中的內(nèi)容；若用戶按下RESET鍵，說明本文系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則重新啟動系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)軟件流程代碼設(shè)計

根據(jù)上述軟件系統(tǒng)流程圖進行代碼設(shè)計。本文設(shè)計的污水檢測模塊軟件，在Windows 2000環(huán)境下，采用C++完成，具體的軟件程序設(shè)計流程如下：

4 實驗分析

為了證明改進系統(tǒng)的有效性，需要實行有關(guān)的實驗解析。對靠近某工廠的一條河流進行污水檢測，將得到的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)。本文的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

如表1所示是使用本文設(shè)計的系統(tǒng)及傳統(tǒng)的某大學(xué)自制的發(fā)光菌污水檢測系統(tǒng)（以投入使用）檢測污水細菌合格率的結(jié)果與真實細菌合格率的比較結(jié)果。從表1可以知道，采用改進系統(tǒng)對污水里細菌進行處理，其合格率檢驗的結(jié)果顯著高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，表明了改進系統(tǒng)的正確性。

表2描述的是采用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對污水里氰化物的檢測結(jié)果。從表2可以知道，使用本文系統(tǒng)獲取的檢測結(jié)果都與驗證指標(biāo)相符合，而使用傳統(tǒng)系統(tǒng)獲取的檢測結(jié)果只有一項和驗證指標(biāo)相符合，證明了本文系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MCF5307處理器實現(xiàn)污水信息的傳遞、存儲以及控制，采用RS 422串口協(xié)議實現(xiàn)通信主板與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將所提系統(tǒng)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過信息處理采集模塊完成污水檢測和數(shù)據(jù)采集，達成對污水及時、有效的處理。軟件設(shè)計進程里，對基于大型嵌入式系統(tǒng)的污水檢測系統(tǒng)實行了仔細的解釋，并給出污水檢測的程序代碼，實驗結(jié)果表明，改進系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)具備較高的可行性和實用性。

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