基于ATmega16的多路水文參數(shù)采集及無線傳輸系統(tǒng)

引言

　　為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度的現(xiàn)代化、信息化要求，水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)入了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化階段。在許多重點(diǎn)水域（重點(diǎn)河流、湖泊、水庫(kù)、水利工程等），往往需要監(jiān)測(cè)多個(gè)水文數(shù)據(jù)才能滿足實(shí)際需求，包括流速、水位、水質(zhì)、流量、溫度、降水量等。這就為多路數(shù)據(jù)采集提出了應(yīng)用需求。另外，大壩上下、河流交匯處、汛情多發(fā)地段、引水隧洞等不同地段水文參數(shù)往往也各不相同，這就需要進(jìn)行多點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸。為此設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)由若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如圖1a所示。監(jiān)控中心向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)出的各項(xiàng)指令由無線電臺(tái)發(fā)送出去，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在接收到指令后先進(jìn)行身份識(shí)別，當(dāng)確認(rèn)本身被選中時(shí)便開始執(zhí)行相應(yīng)的指令，在執(zhí)行完指令后，通過無線電臺(tái)把采集到的數(shù)據(jù)返回監(jiān)控中心。其他沒被選中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)則處于監(jiān)聽狀態(tài)。圖1b為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原理框圖。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)子系統(tǒng)由3路傳感器(水位、雨量、流量)、ATmega16單片機(jī)、RS-485接口電路和無線數(shù)傳電臺(tái)組成。3路傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送入ATmega16單片機(jī)，它利用內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采集3路傳感器的數(shù)據(jù)，將其經(jīng)由RS-485接口電路傳送給無線數(shù)傳電臺(tái)。

 
系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

ATmega16單片機(jī)主要特征及片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器

　　ATmega16單片機(jī)芯片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器；豐富強(qiáng)大的外部接口性能；特殊的微控制處理器性能。其主要優(yōu)點(diǎn)是芯片本身自帶看門狗電路，片內(nèi)程序Flash及8通道復(fù)用的10位A/D轉(zhuǎn)換器；通用I/O接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可省去部分驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)約了系統(tǒng)成本；附帶同步和異步串行接收和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART)，可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)和無線電臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)通訊功能。ATmega16有一個(gè)10位的逐次比較的A/D轉(zhuǎn)換器，ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能夠?qū)σ訮ORTA口作為ADC輸入引腳的8路單端電壓輸入進(jìn)行采樣。

多路數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

　　A/D多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，它主要由微處理器、A/D采集處理部分、參數(shù)設(shè)置、輸出單元和通訊接口等功能模塊組成。ADC包括樣保持電路，以確保輸入電壓在ADC轉(zhuǎn)換過程中保持恒定。ADC功能單元有獨(dú)立的專用模擬電源引腳AVCC供電。AVCC和VCC的電壓差別不能大于0.3V。ADC轉(zhuǎn)換的參考電源可采用外部的參考電源，外部參考電源由引腳AREF接入，同時(shí)AREF引腳外部并接一個(gè)0.1μF的電容來提高ADC的抗噪性能。

　　采集的3路數(shù)據(jù)是0-15mA的電流信號(hào)，通過在輸出端加上匹配的負(fù)載電阻，可將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，電路連接如圖2所示。

 
　　放大后的模擬信號(hào)利用微處理器提供的內(nèi)部ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并將10位轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH和ADCL中。在連續(xù)采樣模式下，ADC連續(xù)取樣，并不斷更新ADC數(shù)據(jù)寄存器。通過讀取ADC內(nèi)的數(shù)據(jù)即可得到所要采集數(shù)值的二進(jìn)制值。

單片機(jī)與數(shù)傳電臺(tái)的通信

　　RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)是低速率串行通訊中的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即單端通訊，其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)都是相對(duì)于地信號(hào)的，所以共模抑制能力差，再加上雙絞線的分布電容，傳輸距離最大約為15米。由于本系統(tǒng)需要工作在室外，氣候環(huán)境相對(duì)惡劣，且需要長(zhǎng)距離傳輸，針對(duì)RS-232串口的局限性，所以系統(tǒng)采用具有極強(qiáng)的抗共模干擾能力的RS-485接口。單片機(jī)的RS-485接口電路原理圖如圖3所示，RS-485的A、B為總線接口，DI是發(fā)送端，RO是接收端，/RE、DE為RS-485收發(fā)使能端，由單片機(jī)的PD4口控制。


 
通信網(wǎng)絡(luò)

　　監(jiān)控中心和若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)傳電臺(tái)聯(lián)網(wǎng)組成無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過應(yīng)答式通信協(xié)議可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同地域的水情。本系統(tǒng)采用GD230V-8電臺(tái)，該電臺(tái)的主要參數(shù)如下：(1)調(diào)制方式：MSK/FSK；(2)接收靈敏度：≤0.25μV；(3)輸出功率：8W ；(4)頻率范圍：220-240MHz；(5)信道速率：2400/1200bps(MSK方式)，0-1200bps(FSK方式)；（6）數(shù)據(jù)接口：異步傳輸，EIA-232/ EIA - 485 /TTL。

　　監(jiān)控中心在向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)出指令前先發(fā)送一組地址信息，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)收到地址信息后首先需要進(jìn)行身份，如果收到的地址信息與自身相符便給監(jiān)控中心返回一應(yīng)答信號(hào)，監(jiān)控中心收到應(yīng)答信號(hào)后即可發(fā)出各項(xiàng)指令，被選中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)便開始執(zhí)行相應(yīng)的指令，并把數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。 
 

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件編程也是實(shí)現(xiàn)該多路數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵之一，本文主要介紹數(shù)據(jù)采集部分。系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序，復(fù)位各個(gè)端口。當(dāng)處于監(jiān)聽狀態(tài)時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊處于3路自動(dòng)巡回監(jiān)測(cè)狀態(tài)，系統(tǒng)開始對(duì)0~3通道間隔1s時(shí)間采集一次電壓值；當(dāng)接收到監(jiān)控中心發(fā)送來的指令便選中相應(yīng)的采集通道執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進(jìn)行濾波得到精確的數(shù)值。再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后送微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等待數(shù)傳電臺(tái)的讀取，其工作流程如圖4所示。

A/D采集子程序

 

 
結(jié)束語

　　ATmega16單片機(jī)本身帶有多路10位精度的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，在該多回路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)中可以顯著地降低成本。由于ATmega16的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比較高，可以采取一些數(shù)字濾波算法來得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。利用C語言編程，使該多回路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，A/D采集處理編程也更為容易，大大縮短了開發(fā)周期。該方案可應(yīng)用在河道水文、湖泊水庫(kù)和沿海潮汛潮位等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上，經(jīng)山西某水文站實(shí)際使用，結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有建網(wǎng)費(fèi)用低、建設(shè)周期短、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。