基于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程參數(shù)測量的方法和實(shí)現(xiàn)

1. 概述

目前嵌入式系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，各類基于 ARM 處理器的應(yīng)用開發(fā)更是如火如荼，這主要是由于嵌入式系統(tǒng)的高性價(jià)比和較短的開發(fā)周期短，并且可以實(shí)現(xiàn)于多種多樣的應(yīng)用系統(tǒng)中。本文介紹了基于三星公司的 ARM9 嵌入式芯片 S3C2410 構(gòu)建的測量監(jiān)控系統(tǒng)，以該 ARM 芯片為主 CPU，實(shí)現(xiàn)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(jié)果存儲(chǔ)于本地 MIB 數(shù)據(jù)庫中，并通過 IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案先進(jìn)，集成度較高，在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。

2. 嵌入式 ARM9 S3C2410X 簡介

S3C2410X 是三星公司提供的基于 ARM920T 內(nèi)核的 32 位 RISC 處理器，它的低功耗、低價(jià)格、高性能設(shè)計(jì)特別適合于手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用場合，為降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，它提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備，包括分開的 16KB 指令 Cache 和 16KB 數(shù)據(jù) Cache，MMU 虛擬存儲(chǔ)器管理，24bbp 模式下最大 16M 色 TFT LCD 控制器，支持 NAND Flash 系統(tǒng)引導(dǎo)，片選邏輯和dram 控制器的系統(tǒng)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(shè)備，SDMMC 卡接口，2 通道的 SPI 以及 PLL 時(shí)鐘倍頻器。它采用了 AMBA 新型微控制器總線結(jié)構(gòu)，極大地提高了數(shù)據(jù)及指令的傳輸速度。其加強(qiáng)的ARM體系結(jié)構(gòu)MMU可用于WinCE和Linux等操作系統(tǒng)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(dá)到 266MHz，并基于小封裝272FBGA。ARM 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) JTAG 結(jié)構(gòu)，為應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供了方便的調(diào)試工具。目前市場上具有很多通用的開發(fā)工具可以用于 S3C2410X 的調(diào)試開發(fā)。

由于 S3C2410X 具有豐富的接口和內(nèi)嵌硬件控制器，因此使用其最簡系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)大部分應(yīng)用系統(tǒng)的功能。其最簡系統(tǒng)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(xiàn)串口和網(wǎng)口通信，需增加串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 和網(wǎng)絡(luò) MAC 和 PHY 芯片 DM9000（或 LAN9115） 。系統(tǒng)中其他模塊均用于實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的測量傳感等功能。

3. 嵌入式測量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需對(duì)被測設(shè)備如電力設(shè)備或太陽能的電壓、電流或溫度、光照度等進(jìn)行測量、參數(shù)采集、存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為 SNMP 的 MIB 數(shù)據(jù)庫方式，數(shù)據(jù)庫能夠通過系統(tǒng)的NMP 代理被遠(yuǎn)方操作員的 SNMP 控制平臺(tái)所訪問存取。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(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖如下圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)原理框圖（Fig1 System Diagram）

本系統(tǒng)需采集遠(yuǎn)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(jié)敘述。系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用3C2410X 標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)，主 CPU 帶 sdram 作為主存，NAND Flash 作為程序存儲(chǔ)空間，并從 NAND Flash 進(jìn)行啟動(dòng)，其臨時(shí)數(shù)據(jù)庫存放于 sdram 中，當(dāng)?shù)揭欢〞r(shí)間間隔，或者接收到命令時(shí)，將sdram 中的數(shù)據(jù)庫備份到 Flash 中。測量時(shí)通過 ARM9 的 IO 端口測量溫度和光照度， 通過片內(nèi)ADC將交直流電壓電流通過傳感器轉(zhuǎn)變后的輸出電壓進(jìn)行采樣，然后通過 CPU 計(jì)算后存入數(shù)據(jù)庫。

4. 參數(shù)測量實(shí)現(xiàn)

各參數(shù)測量是本系統(tǒng)的前端電路，也是最終目的。由于 ARM 系統(tǒng) 3.3V 供電，具有通用IO 接口和內(nèi)置 ADC 電路，因此只要將各測量參數(shù)通過相應(yīng)的傳感設(shè)備轉(zhuǎn)換為 IO 數(shù)據(jù)或0-3.3V 的模擬電壓量，就可通過 ARM 處理器采集，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)而數(shù)字存儲(chǔ)或通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。各參數(shù)的測量采集電路見圖 2 所示。

直流電壓的采集可以直接通過電阻分壓取得，因?yàn)橐阎枰杉闹绷麟妷旱姆秶瑢⒆畲箅妷褐涤成錇?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(shù)即可得到當(dāng)前的直流電壓值。為了對(duì) CPU IO 的保護(hù)，電路中加了BAV99雙二極管進(jìn)行保護(hù)。 設(shè)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(jié)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，線性度優(yōu)于 0.1%。體積小，直接焊接在電路板。全封閉，抗電強(qiáng)度高。它是一種電流型電壓互感器，不同的輸入電壓通過限流電阻使一次側(cè)流過不同的電流，二次得到一個(gè)與一次相同的電流。經(jīng)運(yùn)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(xiàn)交流電壓采集可以使得硬件投資減小，實(shí)踐證明，采用該方法并通過算法計(jì)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的精確度和穩(wěn)定性。

電壓有效值公式為將其離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)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(shù)。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即 ΔTm 為常數(shù) ΔT，考慮到 N=(T/ΔT)+1，則有

值。功率因數(shù)為 cosφ=P/UI。系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔由用戶確定。采樣時(shí)，在 1 個(gè)信號(hào)周期內(nèi)等時(shí)間間隔準(zhǔn)確采樣 16 點(diǎn)并存儲(chǔ)結(jié)果，采集完后，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波并計(jì)算得到相應(yīng)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。它將流過該器件的電流通過霍爾感應(yīng)后再處理放大輸出相應(yīng)的電壓值，該電壓值和流過的電流值成正比，其比例關(guān)系如圖3a 所示。當(dāng)流過電流為 0 時(shí)，輸出電壓為 2.5V（5V 供電），當(dāng)流過電流為 50A 時(shí)，輸出電壓為 4.5V，當(dāng)流過電流為-50A 時(shí)，輸出電壓為 0.5V，其間為線性變化，由此按照測出的電壓值可以計(jì)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(tǒng)中溫度測量采用 DS18B20 分辨率可編程單線數(shù)字溫度計(jì)，并可結(jié)聯(lián)使用，其應(yīng)用原理如圖 2 所示。測量溫度范圍為-55 度至+125 度，精度可達(dá) 0.5 度，數(shù)字精度可編程為9 至12bit。該芯片僅單線輸出，可連接 CPU 的 IO 管腳，需進(jìn)行編程控制。本系統(tǒng)采用Linux 操作系統(tǒng)下的 IO 輸入輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行讀寫操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集，具體的程序流程如下節(jié)所述。

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

系統(tǒng)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(zhuǎn)換電路，內(nèi)置一個(gè)硅光敏二極管和電流到頻率的轉(zhuǎn)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 TIMER 控制或中斷檢測即可測得該方波的頻率，從而可計(jì)算出相應(yīng)的光照度。其光照度和頻率的關(guān)系曲線如圖 3b 所示。

5. 軟件模塊

本系統(tǒng)軟件在 linux 操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。按照需求定義，需實(shí)現(xiàn)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(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需對(duì)硬件和軟件模塊進(jìn)行初始化和診斷，并將診斷結(jié)果實(shí)時(shí)輸出到串口。然后將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。 操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序存儲(chǔ)于 flash 中， 當(dāng)具體運(yùn)行時(shí)裝載到 sdram 中。啟動(dòng)時(shí)讀取用戶配置文件（或默認(rèn)配置）并進(jìn)行各種參數(shù)的配置，如通信速率、IP 地址等，然后開始測量、收集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在sdram 和 flash 的 MIB 數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)或串口用戶進(jìn)行通信時(shí)完成數(shù)據(jù)交換和命令的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)中 ADC、IO 等操作均采用設(shè)備驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)，先編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將驅(qū)動(dòng)加入到操作系統(tǒng)中，然后在應(yīng)用中調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。如 DS18B20 溫度采集采用 IO 操作的方法。先建立 IO 驅(qū)動(dòng)， module_init(DS18B20_init)， 主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備注冊 register_chrdev(240, "ds18b20", DS18B20_fops)。DS18B20_fops 文件操作主要包括 ioctl，通過 ioctl 中WriteOneChar，ReadOneChar 等 IO 的控制實(shí)現(xiàn)溫度的采集。

6．結(jié)語

本文介紹了基于 S3C2410X ARM 的參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可針對(duì)電力設(shè)備的電壓、電流、溫度、光敏度等進(jìn)行測量、采集，存儲(chǔ)于系統(tǒng)內(nèi)部基于 SNMP 的 MIB 數(shù)據(jù)庫中，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。系統(tǒng)采用 ARM 嵌入式實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比高，功能強(qiáng)，在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用。