抗干擾的嵌入式水質分析儀設計與實現

朱鵬飛+葉幫利

摘 要： 環保單位對水質污染的控制離不開水質分析儀，當受到天氣、電磁等干擾時，水質分析儀的測量數據不準確。所以，設計抗干擾的嵌入式水質分析儀。使用嵌入式處理器分析水溫和氧濃度數據，通過電流模擬量將水質分析數據上傳到管控中心。水質分析儀的電源電路使用繼電器獨立供電，隔離繼電器與其他供電元件，將繼電器地線接到虛擬地面，實現電源電路抗干擾。嵌入式處理器選用低功率的S3D2552增強測量結果可靠性，在WinCE操作系統上設計軟件驅動程序，供S3D2552驅動其他模塊進行水質測量。實驗分析結果顯示，所設計的水質分析儀抗干擾性強，與設計理念一致。

關鍵詞： 抗干擾； 嵌入式水質分析儀； WinCE； S3D2552

中圖分類號： TN911.6?34； TP216.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0153?03

Design and implementation of embedded water quality analyzer resisting interference

ZHU Pengfei1， YE Bangli2

（1. Dazhou Vocational and Technical College， Dazhou 635000， China； 2. Chongqing Normal University， Chongqing 400047， China）

Abstract： The data measured by the available water quality analyzer is inaccurate due to weather and electromagnetic interference， therefore an embedded water quality analyzer to resist interference was designed. The embedded processor is used to analyze the water temperature and oxygen concentration data. The water quality analysis data is uploaded to control center by means of current analog quantity. The relay is used in power circuit of water quality analyzer to supply the power independently， and is isolated from other power supply components. The ground wire of relay is connected to a virtual ground to realize the anti?interference of power circuit. The low?power S3D2552 is selected for embedded processor to enhance the reliability of measurement results. The software driver was designed in WinCE operating system to let S3D2552 drive other modules for water quality measurement. The experimental analysis results show that the designed water quality analyzer has high anti?jamming ability， and is consistent with the design concept.

Keywords： anti?interference； embedded water quality analyzer； WinCE； S3D2552

0 引 言

我國經濟水平一直處于穩步上漲階段，由于企業的環保理念不健全，經濟上漲破壞了自然界的生態平衡，水質、大氣、土壤都受到了不同程度的污染。在人們賴以生存的地球中，71%的表面積被水資源覆蓋[1]，從溪流到大海，水質污染不斷蔓延，嚴重影響到日常用水。控制水質污染離不開政府的宣傳和環保單位的嚴格管控，水質分析儀的體積小巧、測量用時短，可通過無線網絡將水質狀況上傳到管控中心，聯合政府網站發布測量數據，是管控水質污染的主要測量工具。

1 抗干擾的嵌入式水質分析儀設計與實現

1.1 設計方案

如圖1所示，抗干擾的嵌入式水質分析儀擁有5大模塊，包括控制電路、電源電路、傳感器模塊、接口模塊和嵌入式處理器。控制電路分復位電路和顯示電路兩部分；傳感器模塊包含溫度傳感器和氧濃度傳感器；接口模塊由硬件調試接口、存儲接口、網絡接口和串行通信接口組成，存儲接口與程序存儲器、數據存儲器進行雙向連通。

使用嵌入式處理器處理傳感器模塊采集到的水溫和氧濃度數據，控制電路顯示處理數據，通過復位電路隔離單次測量數據[2]。接口模塊將其存入的程序和水質分析數據輸出成電流模擬量，上傳到管控中心。抗干擾的嵌入式水質分析儀的設計方案包含四部分：

（1） 實現電源電路抗干擾設計。抗干擾的嵌入式水質分析儀應進行全天在線測量，測量環境復雜，受天氣、自然災害、電磁信號等干擾，電源電路隨時都有可能停止供電，采用交流蓄電池和不間斷電源供電，設計抗干擾能力強的接線。

圖1 抗干擾的嵌入式水質分析儀模塊連接圖

（2） 選擇低功率處理器。減少嵌入式處理器能耗是為了延長抗干擾嵌入式水質分析儀的使用時間，分攤電源電路供電負擔[3]，加強測量結果可靠性。

（3） 設計合理、實用的驅動程序。嵌入式處理器需要與控制電路、電源電路、傳感器模塊和接口模塊分別進行獨立連接，驅動程序要做到獨立驅動不同模塊，還要保證驅動用時少，驅動穩定，兼容眾多任務模式。

（4） 選擇友好的嵌入式操作系統。WinCE[4]是開放的32位掌上電腦操作系統，其操作界面簡潔、處理速度快、文件可移植、系統資源豐富、適合小體積的水質分析儀。

圖2是在WinCE上設計的軟件驅動程序，WinCE的可移植性強，與嵌入式處理器功能兼容，可在短時間內穩定控制電路的顯示與復位、傳感器、存儲器、網絡連接和水流量控制。

1.2 電源抗干擾方案

嵌入式處理器的主頻最高可達230 MHz。高頻信號將高速信號帶入控制電路、水質分析儀使用的測量溶液與電子元件接觸產生電磁干擾[5]，測量數據不準確。嵌入式水質分析儀設計的電源抗干擾方案為改變電源接線，使用繼電器進行獨立供電。隔離繼電器與控制電路的供電元件，可抵抗控制電路的電磁干擾。單獨隔離繼電器地線，可抵抗測量溶液帶入的電磁干擾。

電源抗干擾接線原理如圖3所示，電源電路的火線接于真實地面，地線是一個模擬地面，實現了地線隔離。真實地面與模擬地面之間的R1是個阻值為0的電阻絲，能夠很好地將繼電器并聯到電源電路中[6]。將電源電路放置在接地的金屬體中，可屏蔽掉天氣和自然災害對電源電路造成的干擾。

1.3 嵌入式處理器設計

S3C2411嵌入式處理器是32位的精簡指令集計算機處理器，優點在于超低功率和高性價比，數據縮率指數為31∶0，圖4是其結構圖。S3C2411嵌入式處理器的設備資源豐富，功能齊全，有力減少了抗干擾嵌入式水質分析儀的模塊數量、縮小了體積。S3C2411采用2.0～3.5 V的交流電源供電，可容納硬件調試接口進行調試。鎖相回路整合時脈信號，擁有靜態緩沖區、虛擬內存控制平臺、A/D轉換器、顯示屏控制單元、直接內存存取單元和五線制觸摸屏端口，網絡接口速率[7]區間為[10M，110M]，3臺通用異步收發傳輸器共同收發水質數據。與控制電路的連接通過兩線式串行總線或集成電路內置音頻總線，接口電路使用USB主從接線，傳輸速率為150 KB/s。S3C2411包含118個可編程輸入/輸出通用接口以及若干電源電路控制接口，有25個信道與外界驅動源連通，兼容WinCE上的軟件驅動程序。

2 實驗分析

光化學第三定律顯示，液體濃度和同厚度層的吸光度呈等比例關系，與入射光強無關[8]。由光化學第三定律可知，標準狀態下，化學需氧量濃度與水質分析儀測得的電流模擬量為等比線性關系，但在眾多因素的干擾下，等比線性關系被不得已破壞，抗干擾性能夠讓水質分析儀自動回歸線性。

標定化學需氧量濃度為0 mg/L，30 mg/L，60 mg/L，120 mg/L，150 mg/L，180 mg/L，210 mg/L。兩個鄰近的標定值組成單獨測量區間，將標準狀態下的等比線性關系設為[y=kx+b。]其中：[x]代表水質分析儀測得的電流模擬量；[y]是化學需氧量濃度；[k]代表比因數，初值為1；[b]是坐標軸截距，初值為0。擬合兩個鄰近[y]值求取[k]，[b]，得到單獨區間內的[y=kx+b]線段，將所有線段連接起來組成水質分析儀電流模擬量與化學需氧量濃度的實驗擬合曲線，繪制圖表時盡量保證曲線平滑。

圖5是本文設計的嵌入式水質分析儀的實驗擬合曲線，實驗擬合曲線與標準線性曲線基本重合，圖6、圖7是模糊控制水質分析儀以及頻域濾波水質分析儀的實驗擬合曲線，可以看到兩個實驗擬合曲線與標準線性曲線的分離程度遠大于圖5。

從圖5～圖7中提取化學需氧量濃度為0 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L和200 mg/L的電流模擬量作為分析水質分析儀抗干擾性的實驗對象，通過計算實驗擬合曲線與標準線性曲線的重合偏量，評估水質分析儀抗干擾性。抗干擾性的分析理論由貝濟埃曲線定理[9]提供，如下：

[α=i=1nv2in-1×100%]

式中：[α]是抗干擾偏量；[vi]是第[i]次實驗中實驗擬合曲線與標準線性曲線的重合偏量；[n]是實驗次數。

由表1中記載的抗干擾度計算結果可知，本文設計的嵌入式水質分析儀抗干擾偏量全程低于0.8%，幾乎不用校正電流模擬量。模糊控制水質分析儀的抗干擾性最差，最大抗干擾偏量為1.368%，最小抗干擾偏量高達0.642%，而且數值不穩定，很難統一進行電流模擬量校正。頻域濾波水質分析儀穩定性好，可以進行統一校正，但抗干擾性不好。綜合分析實驗結果，所設計的嵌入式水質分析儀獲得了很強的抗干擾性，與本文理念相吻合。

表1 抗干擾度計算結果

3 結 論

本文進行了水質分析儀的嵌入式和抗干擾設計，設計方案分為四個部分，分別是電源電路抗干擾設計、選擇低功率處理器、設計合理且實用的驅動程序、選擇友好的嵌入式操作系統。根據光化學第三定律和貝濟埃曲線定理進行實驗，實驗結果與本文理念相吻合，所設計的水質分析儀具備很強的抗干擾性。

參考文獻

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