基于大型嵌入式系統的污水檢測系統設計

鞠鳳娟

摘 要： 城市污水水質的大范圍、精確、自動化的檢測系統中，檢測的實時性一直是一個亟待解決的問題。設計并實現了一種基于嵌入式技術的污水檢測系統。系統采用MCF5307處理器實現污水采集信息的傳遞、存儲以及控制，使用RS 422串口協議實現通信主板與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉換模塊將所提系統的模擬信號轉換成數字信號，設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據采集，配合通信模塊實現對污水實時、有效的管理。軟件設計過程中，對基于大型嵌入式系統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。實驗結果表明所提系統具有很高的實時性及實用性。

關鍵詞： 嵌入式系統； 污水檢測； 信息處理； 數據采集

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

當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]。研究開發可實現大領域遠程自動對污水進行檢測的系統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，變成了有關學者解析的熱點方向[7?9]。當前存在的智能型污水檢測系統多是通過發光菌配合計算機信息處理技術完成，雖然能做到智能檢測，但是系統的實時性一直是一個難題，本文設計并實現了一種基于嵌入式技術的污水檢測系統，為城市污水的高效控制提供可靠的依據。

1 污水檢測系統的總體設計

新一代污水檢測系統以嵌入式技術為主，主要是因為嵌入式技術可以做到小型化、高精度。系統的組成包括嵌入式MCF5307處理器、通信模塊、A/D轉換、信息處理采集模塊、LCD顯示模塊、串口、預留計算機視覺監測模塊。系統的結構設計如圖1所示。MCF5307處理器是整個系統的大腦，實現污水信息的高效處理。通過使用RS 422串口協議實現主控芯片與各模塊之間的信息傳遞，通過A/D轉換模塊將所提系統的模擬信號轉換成數字信號，通過信息采集模塊完成污水檢測和數據采集，以上模塊相互配合，基本可以實現對污水實時、有效的檢測管理。

2 系統的硬件設計

2.1 嵌入式MCF5307處理器的選擇與應用

MCF5307處理器結構框圖如圖2所示。MCF5307處理器是本文系統的核心控制模塊，負責污水信息的高效處理。MCF5307是由Motorola生產的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系統時鐘下可達75 Dhrystone 2.1 MIPS，適用于嵌入式控制系統應用設計。其自身具有的I2C兼容總線控制器可有效實現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

本文系統通過設計通信模塊，與RS 422協議相結合，完成系統通信主板和每個模塊間的訊息傳輸過程。其中包括預留網絡端口的通信，實現網絡通信。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，所以應采用一種具有較高傳遞速度的芯片。系統采用RS 422串口協議。另外，通信模塊還可以直接與LCD顯示模塊完成通信，通信內容可以直接在LCD上顯示。通信模塊完整的構造示意圖如圖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。也就是一個主設備，若干從設備。主設備可傳遞信息至全部從設備，但從設備之間無法實現信息傳遞。RS 422采取4條信號線，實現信息的輸送，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，對本文系統起到至關重要的作用，可有效增強檢測系統的工作效率以及穩定性。除此之外，通信模塊還包括電源、LCD驅動電路等，組成完整的電路結構。其中，電源模塊主要負責將輸入電壓轉換為每個芯片允許的電壓。LCD驅動電路主要用于驅動液晶顯示屏，將打印機的運行狀態以及錯誤報告顯示出來。

2.3 A/D轉換模塊

A/D轉換模塊主要負責將本文系統的模擬信號轉換成數字信號。A/D轉換器對經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生，選擇的A/D轉換器頻率不可少于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，無法實現本文系統模擬信號的有效轉換，所以必須引入更高采樣頻率的A/D。

綜合考慮分辨率、轉換效率和模擬輸入通道數等，本文系統采用TI公式生產的ADS7852作為A/D轉換器。ADS7852是一種高效率的A/D轉換器，其采用頻率是500 kHz，8通道輸入，并行12位輸出，自帶2.5 V基準電壓，轉換時間不超過1.75 μs。A/D轉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的值進行調整，確定輸入通道，將WR引腳置為低電平，開啟A/D轉換。依據ADS7852的轉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，改進的系統使用信息處理采集模塊達到了污水檢測及數據采集。通過安裝無線光學細菌發光污染傳感器對污水進行實時采集，獲取與污水狀態相關的信息，再通過MCF5307核心處理器將獲取的污水狀態信息通過通信模塊以太網發送至控制中心，實現對污水實時、有效的管理。

信息處理采集模塊以TI DSP C5507為核心，結合ADI公司生產的JPEG 2000壓縮芯片ADV?JP2000，完成對污水情況的檢測以及數據采集。

3 軟件設計

3.1 系統污水處理流程

在對污水檢測系統所需執行任務進行分析的基礎上，結合嵌入式系統軟件設計的特性，對基于大型嵌入式系統的污水檢測系統進行設計，軟件流程圖如圖6所示。

對本文設計的基于嵌入式系統的污水檢測系統進行通電后，首先對系統設計的各個參數進行初始化設置，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轉換器對相應通道的模擬信號進行采集以及模數轉換，對獲取的數值信號進行操作，將其轉換成原始信號，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顯示屏中的內容；若用戶按下RESET鍵，說明本文系統出現問題，則重新啟動系統。

3.2 系統軟件流程代碼設計

根據上述軟件系統流程圖進行代碼設計。本文設計的污水檢測模塊軟件，在Windows 2000環境下，采用C++完成，具體的軟件程序設計流程如下：

4 實驗分析

為了證明改進系統的有效性，需要實行有關的實驗解析。對靠近某工廠的一條河流進行污水檢測，將得到的數據作為樣本數據。本文的系統內部結構如圖7所示。

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

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

5 結 論

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

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