針對在工業污水監測過程當中,污水流量監測儀器所監測到的數據往往是通過各種模擬信號或簡單的串口數字量來傳輸數據,但其傳輸距離較短、數據傳輸不穩定,無法擴展多個監測儀器等缺點。鑒于此,本文介紹了一種軟硬件相結合的超聲波流量計實時采集和系統,該系統很好的彌補了以上缺點,它具有傳輸距離遠、運行穩定、容錯性強、操作方便以及受環境影響小等特點,滿足了工業污水監測要求。               

　　在工業污水處理自動監測系統中,監測中心需要連續、實時地采集各種環境監測儀器的數據,以便子站或控制中心維護人員獲得子監測點的各種環境 信息,用監測到的數據分析環境監測子站的運行狀態以及執行情況。通過長期采集并儲存的數據信息,可以分析并總結歸納出一個地方的水質信息和排污信息。

　　目前,用于水質在線監測污水流量一般采用硬件設備(如明渠流量計),或使用4-20mA直流電流模擬量或者簡單的串口數字量來傳輸數據,這兩種 傳輸方式都存在采集數據傳輸距離比較短、數據傳輸不穩定,無法擴展多個監測儀器等缺點。而且系統采用的硬件設備比較昂貴,維護相對困難,在水質監測潮濕和惡劣的環境下容易被腐蝕,造成儀器無法正常使用,嚴重的甚至使儀器徹底報廢,影響整個監測系統的正常運行。

　　基于此,本文提出了一種軟硬件相結合的數據采集和系統。相比于先前的監測系統,本監測系統不僅支持遠距離數據傳輸,而且傳輸數據穩定、可靠,而且通過RS485總線可擴展多個超聲波監測點。同時在終端機上也提供給了友好的人機界面,用戶可以方便的和查詢系統的運行情況。在潮濕和悶 熱的水質監測環境下,本系統是比較可靠的一種數據采集和方式。

　　1硬件系統基本概況

　　如圖1所示是系統的硬件結構圖，硬件系統采用RS485總線結構來進行數據的采集和傳輸。圖中測量儀器a為重慶兆易公司生產的RISENⅢ超聲 波物位儀, 轉換器 b 為 ATCATC-106無源RS-232轉RS-485接口轉換器,終端控制機是Arm7嵌入式計算機。硬件系統的主要功能是提供軟件系統所需要的超聲波換 能器的頭部到水面的距離h,從而計算出污水流量。該硬件系統能提供了穩定可靠的數據源,且支持多節點采集數據,易于擴展采集接口設備,寬接入性能好,從而 節約了成本。

　　2系統軟件設計

　　基于環境在線監測的實時性要求,我們采用源碼對外開發可裁剪的ucos—II操作系統,并可根據實際需求對其裁剪和增加。使用ADS1.2編程 環境作為本系統的開發工具,采用64Mbs的Flash來存儲流量數據。整個系統軟件設計包括三個大部分:數據的采集和處理、流量數據的顯示和存儲以及人 機界面的設計。

　　2.1、流量數據的采集和處理

　　流量計的數據采集需根據超聲波流量計的數據傳輸協議來進行編程制定。其傳輸協議采用了半雙工異步方式,波特率為9600bps。每幀數據有20 個字節,每個字節有11位二進制。握手方式采用主機發送地址號(1~128)二進制源碼(0x01)之后查詢接收數據,也就是得到圖1中所示的液面高度 h。從機以中斷方式應答,每次發送20個字節的方式。而數據的儲存則跟程序里面定義的結構體函數的關鍵字有關。

　　(1)采集數據頻率分析:在本系統中采集間隔為10秒鐘,數據入庫頻率分為10秒鐘/次、10分鐘/次、1小時/次、1天/次等幾種。每10秒鐘程序向探頭采集1次數據,計算出的瞬時數據為) 那么這10秒鐘的流量為10×N( ),這些瞬時數據通過內存來存儲并一直累加到10分鐘;每10分鐘為一個間隔,那么這10分鐘內共有10×6次采集,這些采集的10秒數據通過累加得到 10分鐘值,得到的值進行入庫;每小時達到后進行小時值計算,小時值的計算為各個10分鐘累加值。每天(23:59:59)計算天值1次,天值為當日小時 值累加。每天(23:59:59)將天值加到累加值(Milage)中,Milage的初始值為0,累加的時間范圍為流量計開始工作至流量計停止這段時 間。

　　(2)流量算法:在使用標準巴歇爾槽進行流量測量時,流經巴歇爾槽的水流量Q與水位高h及槽的尺寸b的關系可以用以下公式計算:

　　2.2流量數據存儲

　　在本系統中,采用Flash存儲,存儲內容包括了以下內容:流量計槽型,槽號,槽高,瞬間值,累計流量;系統當前時間;定時上報時間;實時上報時間間隔;測量數據。數據根據時間順序存儲,30秒為1個記錄。

　　如果某個儀器沒有數據則其數據位為以符號“ -”表示。參數存儲在EEPROM物理位置如下:系統初始化值:0x0000-0x0010;系統口令: 4Byte,0x0010-0x0017當前槽型: 1Byte 0x0018-0x001f;當前槽高: 8Byte 0x0020-0x0027當前瞬間值:10Byte 0x0028 -0x0037;累計流量:13Byte0x0038-0x0047在本系統中,當存儲滿3條時,系統會自定將所有數據從EEPROM(64K)中存入到 Flash(64M)中,進行數據備份,然后原區域用0x00清空。

　　采集流量的結構體函數如入下:

　　3系統初始化代碼編寫流程

　　在嵌人式系統中,啟動時用于完成初始化操作的這段代碼被稱為Boot.1oader程序。通過這段程序,可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖。從而將系統的軟硬件環境設定在一個合適的狀態,以便為最終調用操作系統內核、運行用戶應用程序準備好正確環境。本系統的Boot.1oader流程 圖如圖2所示。

　　3.1操作系統

　　uc/os-II在LPC2138上的移植在本系統中采用了Arm7嵌入式計算機LPC2138為主控芯片,芯片內部內置了寬范圍的串行通信接口和512kB的Flash存儲系統,提供了大規模的緩沖區和強大的處理功能,非常適合于嵌入式系統的開發和應用。

　　系統采用的操作系統為uc/os-II。uc/os-II是一種源碼公開的實時嵌入式操作系統。它是一種占先式的實時內核,是基于優先級的,即 總是讓就緒態中優先級最高的任務先運行,因此實時性比非占先式的內核要好。它包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步(信號量、郵箱、消息隊 列)和內存管理等功能:它的絕大部分代碼是用C語言編寫的,可移植性強。 uc/os-II在LPC2138上的移植所采用的編譯器為ARM ADS自帶的C語言編譯器。具體做法主要包括:聲明10個與編譯器相關的數據類型(包括堆棧的數據類型),用#de-fine設置一個常量 (OS_CPU.H),表明堆棧的增長方向;用C語言編寫6個與操作系統相關的函數(OS_CPU_C.C);任務堆棧初始化函數;用匯編語言編寫4個與 處理器相關的函數和5個鉤子函數:

　　(1)OSStartHighRdy0,用于在調度中使最高優先級的任務處于就緒態并開始執行,uC/OS-II啟動時使用OSStartHighRdy運行第一個任務;

　　(2)OSCtxSw0。完成任務級的上下定義切換;

　　(3)OSIntCtxSw0。完成中斷級任務切換,其過程與OSCaSw0類似。只是在執行中斷服務子程序后可能使更高優先級的任務處于就緒態,即中斷退出時的入口;

　　(4)SoftwareInterrupt是軟件中斷,用于提供一些系統服務。

　　3.2容錯機制(程序的健壯性)

　　3.1.1查詢容錯機制

　　查詢時刻值和時段值必須按格式才能實現,如果格式輸入錯誤將彈出錯誤對話框提示用戶用正確的格式輸入,輸入的格式分別按(yyyy-mm-dd hh:mm:ss)時間格式輸入;如果查詢時沒有該時刻或者該時段數據,系統將彈出數據庫無該時刻或者該時段對話框;查詢時段值時如果該時段的數據比較繁 多,無法正常顯示時,將提示用戶縮小范圍進行查詢。

　　3.2.2系統運行容錯機制

　　系統將不斷監測串口的運行情況,如發現串口出現異常現象,將在人機界面中顯示出來。如果發現出現采集到異常數據,系統將彈出報警對話框(出現超 標數據!!! ),通知用戶進行相應的排除故障的操作,并將出錯信息入庫。用戶也可以通過查詢出錯信息的方式得知系統出錯的原因以及時間等等。

　　4程序的人機界面設計

　　此部分主要完成人機對答,數據查詢,定時發送和定時采集時間設定等功能。實現人機智能化操作的目的。其系統啟動界面、運行界面、定時采樣及實時 上報時間間隔設置界面如圖3所示。在運行界面中,采集時間按照年月日分秒來計如,年是后兩位,如圖3所示中的081202142342表示08年12月2 日14點23分42秒。“ TFF”兩位表示如下(從左至右):

　　是否登陸到中心   T(是)/F(否)

　　流量通信是否正常   T(是)/F(否)備用

　　備用   T(是)/F否)

　　本文提出了一種新型的軟硬件相結合的超聲波物位儀數據采集系統,說明了該系統的軟件和硬件組成結構。分析了該系統的特點和組成結構,闡述了軟件的實現過程以及軟件的運行機制和運行情況等。本監測系統不但運行穩定、適應環境性強,而且界面友,容錯機制強。

　　本文作者創新點:本文采用成本比較低廉的聲波物位儀與源碼對外免費開放的uc/os-II嵌入式系統相結 合,提出了一種新型的軟硬件相結合的環境數據采集和系統，該系統容錯機制強、擴展性能好、其外接監測設備的寬接入性能高,滿足當前環境數據采集和監測系統的需求。