【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】嵌入式水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)針對封閉式引水隧道內(nèi)多點(diǎn)水位信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的采集，提出基于CAN總線的嵌入式水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，集總線技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了對多點(diǎn)水位信息的采集、計(jì)算、儲存、發(fā)送等處理功能。使用iCAN協(xié)議，使水位監(jiān)測點(diǎn)可以對多點(diǎn)水位信息開展集中控制采集，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握隧道內(nèi)多點(diǎn)水位信息。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)基本構(gòu)造

嵌入式水位監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、上位機(jī)監(jiān)測服務(wù)器和CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，系統(tǒng)總體構(gòu)造框圖如圖l所示。

系統(tǒng)采用分布式集中管理的構(gòu)造，分為2層：1）第1層是數(shù)據(jù)采集終端層。數(shù)據(jù)采集終端通過水位傳感器對水位信息開展采樣，通過CAN總線接口與第2層開展通信；2）第2層是監(jiān)測管理層。第1層通過CAN總線延長通信距離，再經(jīng)過CAN適配卡與第2層的監(jiān)測服務(wù)器相連。一臺監(jiān)測服務(wù)器可以管理多個(gè)數(shù)據(jù)采集終端。

在網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測終端可以獨(dú)立的對傳感器開展數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、儲存等，監(jiān)測服務(wù)器可以通過CAN總線和各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間開展實(shí)時(shí)通信，接收監(jiān)測終端的水位信息向監(jiān)測終端發(fā)出查詢指令。通過iCAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的分散監(jiān)測和集中管理。當(dāng)系統(tǒng)需要增加監(jiān)測節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以直接將其掛在CAN網(wǎng)絡(luò)上，對系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)不會有任何影響。

1.2監(jiān)測終端硬件電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的硬件構(gòu)造框圖如圖2所示，主要包括微處理器、數(shù)據(jù)存儲電路、鍵盤和顯示電路以及CAN收發(fā)等電路。微處理器采用基于ARM7TDMI核的32位RISC芯片LPC2368，其內(nèi)置2路CAN控制器，通過外接CAN收發(fā)器可方便的開展CAN數(shù)據(jù)收發(fā)。傳感器輸出的信號經(jīng)過濾波和調(diào)理轉(zhuǎn)換為所需要的電信號。

1.2.1器件選型

為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，監(jiān)測終端選用可移植嵌入式操作系統(tǒng)的ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC芯片LPC2368。LPC2368是一款功能強(qiáng)大的超低功耗ARM7TDMIS內(nèi)核的32位微控制器，支持72MHz工作頻率，片內(nèi)有Flash512KB，ROM56KB，集成10／100全雙工EthemetMAC，2個(gè)兼容CAN2.0A／2.OB的CAN控制器，帶RMII接口，其性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于協(xié)議轉(zhuǎn)換、通信、工業(yè)控制領(lǐng)域。1根AHB總線是完全不夠的，而LPC2368具有雙總線機(jī)制和DMA協(xié)處理機(jī)制。任何一根總線都可以通過總線橋與其余總線通信，消除了通信瓶頸。

1.2.2CAN總線接口硬件設(shè)計(jì)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork,CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境

CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

通過CAN總線通信接口可使各監(jiān)測終端和監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)共享。CAN總線接口硬件電路如圖3所示。

LPC2368內(nèi)部集成有2個(gè)兼容CAN2.0／2.0B的CAN控制器，只需增加一個(gè)CAN總線收發(fā)器就能滿足設(shè)計(jì)要求。CTM8251T是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器，該器件內(nèi)部集成了所需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器，它可以將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，將CAN總線差分電平轉(zhuǎn)換成邏輯電平，具有DC2500V的隔離功能和CAN總線過壓保護(hù)功能，而且在某一節(jié)點(diǎn)掉電時(shí)不會影響總線。

1.2.3嵌入式終端電源電路設(shè)計(jì)

嵌入式技術(shù)是國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

可以這樣認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。

基于ARM內(nèi)核的微處理器的嵌入式系統(tǒng)性能在很大程度上取決于電源電路的穩(wěn)定性和可靠性，因此設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的電源非常重要。LPC2368有數(shù)字電源輸入和模擬電源輸入2種，分別是+3.3V和-3.3V，另外CAN收發(fā)器的供電電壓為+5V。系統(tǒng)電源采用LM2576系列穩(wěn)壓器，把外部直流電源穩(wěn)壓成+5V電源，為CAN收發(fā)器提供電源。采用SPXlll7把+5V電源穩(wěn)壓成2路+3.3V電源，以提供LPC2368的數(shù)字和模擬電源，數(shù)字電源和模擬電源之間通過磁珠隔離。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分包括2方面：1）監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)，主要是對傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理，完成與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信功能；2）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，主要包括CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。

2.1監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端軟件主要由啟動代碼、斷處理、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序組成。啟動代碼完成啟動、初始化硬件、引導(dǎo)系統(tǒng)正常運(yùn)行等工作。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是系統(tǒng)運(yùn)行的指揮中心，完成任務(wù)調(diào)度和資源分配等工作。設(shè)備驅(qū)動是操作系統(tǒng)上層應(yīng)用軟件和下層硬件的聯(lián)系，本設(shè)計(jì)主要包括CAN控制器驅(qū)動、A／D采集驅(qū)動等。上層應(yīng)用程序基于以上各個(gè)模塊，完成用戶要實(shí)現(xiàn)的各種功能，通常按功能分成多個(gè)模塊。

2.1.1定時(shí)數(shù)據(jù)采集

定時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)定時(shí)采集傳感器的信號。A／D轉(zhuǎn)換由定時(shí)器產(chǎn)生周期中斷標(biāo)志觸發(fā)，當(dāng)采樣完1個(gè)周期后，由中斷服務(wù)程序發(fā)給Task_AD發(fā)送信號量，Task_AD收到信號量后，將數(shù)據(jù)開展相應(yīng)的處理。

數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。比方攝像頭，麥克風(fēng)，都是數(shù)據(jù)采集工具。

被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時(shí)間（稱采樣周期）對同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，也可是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的根底。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不管哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，包抱對面狀連續(xù)物理量的采集。

2.1.2CAN收發(fā)子程序

CAN協(xié)議是建立在ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型的根底上的，取其中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由CAN接口芯片實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用層的功能則要靠應(yīng)用程序完成。CAN總線接口通信模塊是接收和發(fā)送CAN總線數(shù)據(jù)。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN總線上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。

CAN控制器有3個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖存放器，發(fā)送時(shí)要判斷緩沖空閑。本設(shè)計(jì)中，先判斷主發(fā)送緩沖區(qū)，然后開展數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，啟動發(fā)送數(shù)據(jù)。接收采用中斷方式。報(bào)文發(fā)送、接收數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

2.1.3iCAN協(xié)議報(bào)文處理

iCAN協(xié)議為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議。該協(xié)議是基于CAN的內(nèi)部通信協(xié)議，小巧、通信效率高，對硬件資源要求低，適用于小型系統(tǒng)。系統(tǒng)中的設(shè)備統(tǒng)稱為iCAN節(jié)點(diǎn)。iCAN協(xié)議定義的通信方式是“面向節(jié)點(diǎn)，基于連接”的通信方式?！懊嫦蚬?jié)點(diǎn)”是指源節(jié)點(diǎn)地址及目的節(jié)點(diǎn)地址均已給定，即對于任何一個(gè)報(bào)文參與通信的雙方是確定的?！盎谶B接”是指在網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)參與通信的從站設(shè)備都必須和主站設(shè)備之間建立一個(gè)獨(dú)立的通信連接。這樣也為對任何一個(gè)設(shè)備的通信開展監(jiān)控提供可能。

iCAN協(xié)議使用了擴(kuò)展幀格式CAN報(bào)文，對CAN報(bào)文的29位標(biāo)識符和報(bào)文數(shù)據(jù)都做了詳細(xì)規(guī)定。報(bào)文標(biāo)識符制定了數(shù)據(jù)通信中的源節(jié)點(diǎn)MACID和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MACID，并指示了報(bào)文的功能以及所要訪問的資源。報(bào)文標(biāo)識符被分為5個(gè)部分：SrcMACID（源節(jié)點(diǎn)編號）、De2stMACID（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號）、ACK位、FUNCID（功能碼）、SourceID（資源節(jié)點(diǎn)編號）。

監(jiān)測終端要收發(fā)的數(shù)據(jù)必須符合iCAN協(xié)議報(bào)文的格式，先要把CAN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合iCAN協(xié)議格式的報(bào)文，再通過CAN的首發(fā)子程序接收和發(fā)送。

2.2上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反應(yīng)給上位機(jī)。簡言之如此，實(shí)際情況千差萬別，但萬變不離其宗：上下位機(jī)都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)

完成上述設(shè)計(jì)后，在計(jì)算機(jī)端還需要一套水位監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、與數(shù)據(jù)庫的連接和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢等功能。上位機(jī)軟件流程如圖5所示。

監(jiān)測終端采集傳感器信號，實(shí)時(shí)獲得水位數(shù)據(jù)并通過ZOPC_SERVER服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳薑ingVIEW，同時(shí)KingVIEW作為服務(wù)器提供數(shù)據(jù)給SQL數(shù)據(jù)庫。在KingVIEW的圖形化界面上既可