基于嵌入式系統的遠程參數測量的方法和實(shí)現

1. 概述

目前嵌入式系統發(fā)展非常迅速，各類(lèi)基于 ARM 處理器的應用開(kāi)發(fā)更是如火如荼，這主要是由于嵌入式系統的高性?xún)r(jià)比和較短的開(kāi)發(fā)周期短，并且可以實(shí)現于多種多樣的應用系統中。本文介紹了基于三星公司的 ARM9 嵌入式芯片 S3C2410 構建的測量監控系統，以該 ARM 芯片為主 CPU，實(shí)現了交流、直流電壓、電流的測量，本地及附近溫度的測量以及光敏度的測量，將測量的結果存儲于本地 MIB 數據庫中，并通過(guò) IP 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)監控。系統設計方案先進(jìn)，集成度較高，在實(shí)踐中得到了廣泛的應用。

2. 嵌入式 ARM9 S3C2410X 簡(jiǎn)介

S3C2410X 是三星公司提供的基于 ARM920T 內核的 32 位 RISC 處理器，它的低功耗、低價(jià)格、高性能設計特別適合于手持設備和通用嵌入式應用場(chǎng)合，為降低整個(gè)系統的成本，它提供了豐富的內部設備，包括分開(kāi)的 16KB 指令 Cache 和 16KB 數據 Cache，MMU 虛擬存儲器管理，24bbp 模式下最大 16M 色 TFT LCD 控制器，支持 NAND Flash 系統引導，片選邏輯和dram 控制器的系統管理器，3 通道 UART，4 通道 DMA，4 通道 PWM 定時(shí)器，117個(gè)通用 IO 端口和 24 通道外部中斷源，具有日歷功能的 RTC，8 通道 10 位 ADC 和觸摸屏接口，IIC、IIS 接口，USB 主從設備，SDMMC 卡接口，2 通道的 SPI 以及 PLL 時(shí)鐘倍頻器。它采用了 AMBA 新型微控制器總線(xiàn)結構，極大地提高了數據及指令的傳輸速度。其加強的ARM體系結構MMU可用于WinCE和Linux等操作系統的移植， 并支持各種低價(jià)格、大容量的 NOR/NAND Flash 或 EEPROM 啟動(dòng)。最高工作頻率達到 266MHz，并基于小封裝272FBGA。ARM 內核具有標準 JTAG 結構，為應用系統開(kāi)發(fā)提供了方便的調試工具。目前市場(chǎng)上具有很多通用的開(kāi)發(fā)工具可以用于 S3C2410X 的調試開(kāi)發(fā)。

由于 S3C2410X 具有豐富的接口和內嵌硬件控制器，因此使用其最簡(jiǎn)系統即可實(shí)現大部分應用系統的功能。其最簡(jiǎn)系統如圖 1 所示，僅包括 S3C2410X ARM9 芯片、32 位 sdram，價(jià)格低廉的大容量 Nand Flash。為了實(shí)現串口和網(wǎng)口通信，需增加串口電平轉換芯片MAX232 和網(wǎng)絡(luò ) MAC 和 PHY 芯片 DM9000（或 LAN9115） 。系統中其他模塊均用于實(shí)現各種參數的測量傳感等功能。

3. 嵌入式測量監控系統設計

本系統需對被測設備如電力設備或太陽(yáng)能的電壓、電流或溫度、光照度等進(jìn)行測量、參數采集、存儲，并實(shí)現遠程監控。數據存儲格式為 SNMP 的 MIB 數據庫方式，數據庫能夠通過(guò)系統的NMP 代理被遠方操作員的 SNMP 控制平臺所訪(fǎng)問(wèn)存取。傳輸協(xié)議為以太網(wǎng)的 IP 協(xié)議。信息同時(shí)能夠被本地操作顯示，因此本地附有串行接口，基于以上應用需求，實(shí)現系統框圖如下圖 1 所示。

圖 1 系統原理框圖（Fig1 System Diagram）

本系統需采集遠端、本地兩個(gè)溫度檢測，一個(gè)光照度檢測，三個(gè)直流 DC 8-130V 電壓檢測，三個(gè)直流 DC 0-20A@12VDC 電流檢測，一個(gè)交流 AC 105-280V 電壓檢測，一個(gè)交流AC 0-20A@120VAC 電流檢測。測量使用原理及所用傳感器件下節敘述。系統硬件平臺采用3C2410X 標準硬件平臺，主 CPU 帶 sdram 作為主存，NAND Flash 作為程序存儲空間，并從 NAND Flash 進(jìn)行啟動(dòng)，其臨時(shí)數據庫存放于 sdram 中，當到一定時(shí)間間隔，或者接收到命令時(shí)，將sdram 中的數據庫備份到 Flash 中。測量時(shí)通過(guò) ARM9 的 IO 端口測量溫度和光照度， 通過(guò)片內ADC將交直流電壓電流通過(guò)傳感器轉變后的輸出電壓進(jìn)行采樣，然后通過(guò) CPU 計算后存入數據庫。

4. 參數測量實(shí)現

各參數測量是本系統的前端電路，也是最終目的。由于 ARM 系統 3.3V 供電，具有通用IO 接口和內置 ADC 電路，因此只要將各測量參數通過(guò)相應的傳感設備轉換為 IO 數據或0-3.3V 的模擬電壓量，就可通過(guò) ARM 處理器采集，從而轉換為數字信號進(jìn)而數字存儲或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸。各參數的測量采集電路見(jiàn)圖 2 所示。

直流電壓的采集可以直接通過(guò)電阻分壓取得，因為已知需要采集的直流電壓的范圍，將最大電壓值映射為 3.3V，即可獲得圖 2 中的兩個(gè)分壓電阻的值。測量時(shí)，將 ARM 采集得到的 ADC 值乘以已知的系數即可得到當前的直流電壓值。為了對 CPU IO 的保護，電路中加了BAV99雙二極管進(jìn)行保護。 設分壓電阻分別是12KΩ和470KΩ， 則Uo = 12/(12+470)×Ui = Ui/40，按照 ARM 10 位 ADC 采樣結果，如 ADC 采樣值為 Uadc，則采集到的輸入電壓值為：Ui = [ Uadc/1024] ×3.3×40(V)。

交流電壓的采集采用 TV19G_E 系列精密電壓互感器，該器件采用坡膜合金鐵芯，線(xiàn)性度優(yōu)于 0.1%。體積小，直接焊接在電路板。全封閉，抗電強度高。它是一種電流型電壓互感器，不同的輸入電壓通過(guò)限流電阻使一次側流過(guò)不同的電流，二次得到一個(gè)與一次相同的電流。經(jīng)運算放大器或電阻直接取樣，得到不同的輸出電壓，如圖 2 所示。

此時(shí)采集到的電壓值實(shí)際上是交流電壓的瞬時(shí)值，其實(shí)時(shí)性好，相位失真小，本文用軟件代替硬件實(shí)現交流電壓采集可以使得硬件投資減小，實(shí)踐證明，采用該方法并通過(guò)算法計算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有著(zhù)較好的精確度和穩定性。

電壓有效值公式為將其離散化，以一個(gè)周期內有限個(gè)采樣電壓數字量來(lái)代替一個(gè)周期內連續變化的電壓函數值，則式中 ΔTm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔；um 為第 m-1 個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N 為 1 個(gè)周期的采樣點(diǎn)數。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即 ΔTm 為常數 ΔT，考慮到 N=(T/ΔT)+1，則有

值。功率因數為 cosφ=P/UI。系統的采樣時(shí)間間隔由用戶(hù)確定。采樣時(shí)，在 1 個(gè)信號周期內等時(shí)間間隔準確采樣 16 點(diǎn)并存儲結果，采集完后，對采集的數據進(jìn)行數字濾波并計算得到相應的值。

交直流電流的采集采用霍爾器件 ACS752SCA-050 和 ACS706ELC-20A，其工作原理相同，支持的最大電流分別為-50A 到+50A 和-20A 到+20A。它將流過(guò)該器件的電流通過(guò)霍爾感應后再處理放大輸出相應的電壓值，該電壓值和流過(guò)的電流值成正比，其比例關(guān)系如圖3a 所示。當流過(guò)電流為 0 時(shí)，輸出電壓為 2.5V（5V 供電），當流過(guò)電流為 50A 時(shí)，輸出電壓為 4.5V，當流過(guò)電流為-50A 時(shí)，輸出電壓為 0.5V，其間為線(xiàn)性變化，由此按照測出的電壓值可以計算出電流為 I=25×(V-2.5）A，由于電流可以正反方向，因此用同樣的方法可以測試交流和直流電流。

系統中溫度測量采用 DS18B20 分辨率可編程單線(xiàn)數字溫度計，并可結聯(lián)使用，其應用原理如圖 2 所示。測量溫度范圍為-55 度至+125 度，精度可達 0.5 度，數字精度可編程為9 至12bit。該芯片僅單線(xiàn)輸出，可連接 CPU 的 IO 管腳，需進(jìn)行編程控制。本系統采用Linux 操作系統下的 IO 輸入輸出設備驅動(dòng)控制進(jìn)行讀寫(xiě)操作，進(jìn)而實(shí)現溫度數據的采集，具體的程序流程如下節所述。

圖 3a 電流感應輸出電壓關(guān)系圖 圖 3b 光照度頻率關(guān)系圖

系統中光照度測量采用光敏傳感器 TSL235 電路，該電路是光照度到頻率的轉換電路，內置一個(gè)硅光敏二極管和電流到頻率的轉換器，輸出為 50%占空比的不同頻率的方波，管腳只有電源、地和輸出，輸出可直接和 CPU 的 IO 相連，CPU 通過(guò) TIMER 控制或中斷檢測即可測得該方波的頻率，從而可計算出相應的光照度。其光照度和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖 3b 所示。

5. 軟件模塊

本系統軟件在 linux 操作系統下實(shí)現，其軟件結構如圖 4 所示。按照需求定義，需實(shí)現多種軟件協(xié)議，有 EIA232, IEEE802.3, IPv4, ICMP, ARP, TCP, UDP, SNMP V2,3 Agent, NTP Client, DNS Client, TFTP Server, HTTP Server, TELNET Server 等。系統啟動(dòng)時(shí)需對硬件和軟件模塊進(jìn)行初始化和診斷，并將診斷結果實(shí)時(shí)輸出到串口。然后將控制權交給操作系統。 操作系統和應用程序存儲于 flash 中， 當具體運行時(shí)裝載到 sdram 中。啟動(dòng)時(shí)讀取用戶(hù)配置文件（或默認配置）并進(jìn)行各種參數的配置，如通信速率、IP 地址等，然后開(kāi)始測量、收集、存儲數據在sdram 和 flash 的 MIB 數據庫中。當有網(wǎng)絡(luò )或串口用戶(hù)進(jìn)行通信時(shí)完成數據交換和命令的實(shí)現。

系統中 ADC、IO 等操作均采用設備驅動(dòng)方法實(shí)現，先編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序，將驅動(dòng)加入到操作系統中，然后在應用中調用驅動(dòng)程序。如 DS18B20 溫度采集采用 IO 操作的方法。先建立 IO 驅動(dòng)， module_init(DS18B20_init)， 主要實(shí)現設備注冊 register_chrdev(240, "ds18b20", DS18B20_fops)。DS18B20_fops 文件操作主要包括 ioctl，通過(guò) ioctl 中WriteOneChar，ReadOneChar 等 IO 的控制實(shí)現溫度的采集。

6．結語(yǔ)

本文介紹了基于 S3C2410X ARM 的參數測量系統，該系統可針對電力設備的電壓、電流、溫度、光敏度等進(jìn)行測量、采集，存儲于系統內部基于 SNMP 的 MIB 數據庫中，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)。系統采用 ARM 嵌入式實(shí)現，性?xún)r(jià)比高，功能強，在實(shí)際中得到了很好的應用。