【正文】 nRFgOS采用Nordic公司的 VLSLShoekBurst技術(shù)， ShoekBurst技術(shù)使nRFgOS能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要使用高速MCU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在“休眠”狀態(tài)，MSP430F149將工作于低功耗模式，當(dāng)然這需要軟件進(jìn)行設(shè)置。傳感器采樣結(jié)束后，通過無線變送器將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)收到正確的信息后，向變送器發(fā)出確認(rèn)信息，感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器、無線變送器進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，否則變送器將重新發(fā)送水位數(shù)據(jù)。對于比較重要的軟件模塊，本文都通過繪制流程圖進(jìn)行了詳細(xì)說明。4系統(tǒng)軟件及通信協(xié)議開發(fā)硬件平臺設(shè)計完成之后，就需要進(jìn)行各個模塊的軟件設(shè)計。該服務(wù)器可以放在任何位置，只要接入互聯(lián)網(wǎng)，并且運行本系統(tǒng)配套的大連站北廣場水位監(jiān)測上位機(jī)軟件即可。這張原理圖包括了上面介紹到的各個功能模塊接口電路，以及一些輔助電路和模塊。日歷片的使用，既增強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)的功能，又為今后的系統(tǒng)擴(kuò)充升級，提供了更大的空間。(4)日歷片考慮到數(shù)據(jù)采集終端需要一個準(zhǔn)確的時鐘源，以提供當(dāng)前系統(tǒng)時間和報警時間定時，本文為數(shù)據(jù)采集板設(shè)計了12028日歷片接口電路。由于對顯示質(zhì)量沒有特別高的要求，所以使用的顯示器為帶有背光功能的128x64字符點陣液晶顯示器，本文使用單片機(jī)通用1/0口作為顯示器驅(qū)動管腳，配合讀寫控制以及時鐘信號，可以顯示出Ascll碼定義的所有可見字符[3’]。由于 MSP43O149處理器只提供2路異步串行端口，因此本系統(tǒng)設(shè)計將其中的一路標(biāo)準(zhǔn)串口作為RS232和485復(fù)用，使用跳線來加以設(shè)置。為了達(dá)到電平轉(zhuǎn)換的目的，本系統(tǒng)采用了MAX3232和MAX34852個芯片來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化。(2)RS232/485接口串行通信在本系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，zigBee模塊，cDMA模塊以及超聲波液位儀均采用串口通信，但是不同的設(shè)備根據(jù)應(yīng)用需要使用了不同的電平。而本系統(tǒng)使用的傳感器的最大輸出信號為SV，所以該電路板對每路AD輸入信號使用2個10K電阻進(jìn)行分壓處理。 MSP430149處理器內(nèi)置8路12位AD采集單元，這就大大降低了采集電路板AD部分的設(shè)計難度和制作成本。它的標(biāo)稱測量誤差1%，具有LED發(fā)光數(shù)碼管顯示屏和RS485總線擴(kuò)展接口，使用22OV供電。換能器安裝在水中的稱之為液介式超聲波液位儀，而換能器安裝在空氣中的稱之為氣介式超聲水位計，后者為非接觸式測量。此聲波束到達(dá)水面后被反射回來，其中部分超聲能量被換能器接收又將其轉(zhuǎn)換成微弱的電信號。更高頻率的聲波叫做超聲波?？梢砸鹑祟惵犛X的為可聞聲波。按照聲波傳播介質(zhì)的區(qū)別可分為液介式和氣介式兩大類。通過使用計算公式和事先標(biāo)定好的傳感器參數(shù)，可以方便的把電壓信號換算成水位高度值。壓阻式壓力水位計是以壓力變換器作為傳感器，無需恒流單元，只需增加一只低溫漂移高精度的取樣電阻，其它組成單元則完全相同。壓阻式壓力水位計簡稱壓力式水位計，是將擴(kuò)散硅集成壓阻式半導(dǎo)體壓力傳感器或壓力變換器直接投入水下測點感應(yīng)靜水壓力的水位測量裝置。(4)適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境:MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為一40℃一+85℃，所設(shè)計的產(chǎn)品適合運行于工業(yè)環(huán)境下。這種方式只需要一臺PC機(jī)和一個JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。對于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。硬件IZc串行總線接口，實現(xiàn)存儲器串行擴(kuò)展。能直接驅(qū)動液晶多達(dá)160段。Pl、PZ端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入。有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口，可方便地實現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用。模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時器，可以設(shè)計為刀D轉(zhuǎn)換器。(Po)、端口1一6(Pl一P6)、基本定時器(BasicTimer)等的一些外圍模塊的不同組合。(2)豐富的片上外圍模塊:MSP43O系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。在系統(tǒng)中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPMO一LPM4)。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。有的使用一個晶體振蕩器(32768Hz)，有的使用兩個晶體振蕩器(一個為32768Hz，另一個為高頻振蕩器)。其次，獨特的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)的設(shè)計。首先，MSP43O系列單片機(jī)的。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只需6us。16位的數(shù)據(jù)寬度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實現(xiàn)乘加)相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法(如FFT等 )[281。下面本文簡單介紹一下MSP43O系列微處理器的特點，從中也可以看出數(shù)據(jù)采集電路板的一些性能指標(biāo)。這些采集節(jié)點對處理器性能要求不高，但是對于可靠性、系統(tǒng)成本和功耗有較大的要求。下面，本文詳細(xì)介紹整個數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計思想。是本系統(tǒng)以太網(wǎng)接口原理圖。cs890oA是 cimisLogic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器，功能強(qiáng)大。這樣一來，相當(dāng)于給區(qū)域采集控制系統(tǒng)增加了一塊網(wǎng)卡，當(dāng)用戶需要的時候可以使用局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。有線傳輸也有它的優(yōu)點，比如說傳輸更可靠，通信費用更低等。以太網(wǎng)接口的最主要功能是通過該接口下載操作系統(tǒng)鏡像。本系統(tǒng)設(shè)計SD卡接口的初衷是增加區(qū)域采集控制系統(tǒng)的本地存儲能力，這樣可以根據(jù)需要將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行本地備份，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展能力。(3)DATO一DAT3:雙向數(shù)據(jù)傳輸信號。SD總線信號定義如下:(1)CLK:時鐘信號。它還具備版權(quán)保護(hù)技術(shù)，所采用的版權(quán)保護(hù)技術(shù)是DvD中使用的CPRM技術(shù)(可刻錄介質(zhì)內(nèi)容保護(hù))。同時兼容MMe卡，sD卡的插口大多支持MMC卡。，比MMC卡略厚一點容量則要大許多，已經(jīng)生產(chǎn)出ZG的容量[27]。它比MMC卡多了一個進(jìn)行數(shù)據(jù)著作權(quán)保護(hù)的暗號認(rèn)證功能(SDMI規(guī)格)。SD卡就是SeeureDigitalCard，安全數(shù)碼卡。本次開發(fā)的系統(tǒng)需要使用RSZ犯串口作為CDMA和zigBee設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。PC機(jī)的RSZ犯口為9芯針插座。RS232接口的物理結(jié)構(gòu)。RS232接口是目前工業(yè)上最常用的一種串行通訊接口。其可靠傳輸距離大為約IOm，最高速率為20kbps。RSZ犯是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種全雙工串行接口。本系統(tǒng)考慮到實際的顯示效果和成本，選用了SHARP的8英寸 800x600的 TFTLCD。s3e24一。 擴(kuò)展板的顯示器以及觸摸屏的設(shè)計主要是考慮在程序調(diào)適過程中可以方便的察看程序運行狀態(tài)以及將來根據(jù)用戶的需求，對區(qū)域采集系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)充。這樣可以最大的降低用戶成本和系統(tǒng)功耗。另外核心板上的引腳資源是非常豐富的，通常在一個應(yīng)用中一般不會使用全部的功能。而擴(kuò)展板主要是一些外圍接口電路，只需要使用2層印刷線路板就可以布線成功[25]。既然核心板和擴(kuò)展板是配合使用的，那么為什么要將他們分開呢?這里主要考慮的是系統(tǒng)的成本以及未來的平臺移植擴(kuò)展能力。系統(tǒng)擴(kuò)展電路板并不是一個獨立的功能模塊，它沒有計算能力，它的主要功能是為核心板供電以及擴(kuò)展出核心板需要的各種外設(shè)接口[24l。考慮到系統(tǒng)性能，核心板工作在203MHz的高速信號下，為了布線方便，減少干擾，采用了六層電路板分層布線的設(shè)計，頂層布件，第二層為接地面，第四層為電源面，其他各層為信號層。顯示處理機(jī)運行狀態(tài)的LED等等。減少外界干擾的濾波電容。 除了上面詳細(xì)介紹的一些核心芯片，本系統(tǒng)設(shè)計的核心板上還有一些輔助電路，它們雖然不是系統(tǒng)運行的核心部件，但是也是系統(tǒng)正常運行不可或缺的組成部分。和硬盤驅(qū)動器的DE接口相似，當(dāng)NAND閃存更新?lián)Q代成倍增加容量時，對外物理連接可以保持不變。這樣如果一次讀出一個扇面，總的讀取時間和NOR閃存相差不多。因此NAND閃存往往用來傳送整“頁”的數(shù)據(jù)，即將存儲陣列中的數(shù)據(jù)直接傳至微處理器內(nèi)部的容量達(dá)528字節(jié)的寄存器。可以和微處理器連接，直接執(zhí)行程序代碼。因此適合用于程序的讀取。目前市面上應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域主要有兩種類型的閃速存儲器，NOR型和NAND型。其獨特的性能使其廣泛地運用于包括嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)的各個領(lǐng)域。系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓。而諸如DRAM、SRAM等這類易失性存儲器，當(dāng)關(guān)閉供電電源后，片內(nèi)信息隨即丟失。下面首先簡單介紹一下Flashmemory。當(dāng)系統(tǒng)斷電的時候，需要使用非易失性存儲介質(zhì)保存操作系統(tǒng)鏡像，以便當(dāng)系統(tǒng)上電啟動的時候，可以將操作系統(tǒng)導(dǎo)入內(nèi)存，完成整個系統(tǒng)的上電運行。具體是輸出還是輸入操作是由WE信號決定的。第一步，地址總線上出現(xiàn)所要訪問數(shù)據(jù)的列地址，同時作為列地址信號標(biāo)志的 RAS(RowaddressStrobe)信號有效，將列地址打入SDRAM，SDRAM將整列的數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備好，等待著被訪問。這樣將去掉時間上的延遲，可提高內(nèi)存存取的效率[20l。SDRAM(S” ehronousDRAM)即同步DRAM。目前RAM分為2類:SRAM和SDRAM。任何處理器都需要將代碼數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中運行，早期的8位單片機(jī)，所需內(nèi)存較少，處理器內(nèi)部往往都集成有SRAM。使用越多的處理器引腳就意味著核心板需要更大的面積，同時布線也更加的復(fù)雜和易出錯。53c2410處理器采用272一FBGA封裝形式，共有272個引腳，按功能分類，可以分為總線控制信號、內(nèi)存Flash讀寫控制信號、顯示器控制信號以及通用1/0口等。117位通用1/0口，24個外部中斷源。8路10位的ADC，支持觸摸屏。LCD控制器，支持STN和TFT兩種LCD顯示器。SPI串行口。55個中斷源。6KB的指令Caehe和 16KB的數(shù)據(jù)Caehe。綜合考慮客戶的需求，對平臺的熟悉程度以及項目的成本控制，本文使用SAMSUNG2410(簡寫為53C2410)作為水位監(jiān)測系統(tǒng)的核心嵌入式處理器。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域【’7]。⑥指令長度固定。④大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。②支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。⑤成像和安全產(chǎn)品:現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。②無線通訊領(lǐng)域:目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。適用于多種領(lǐng)域，t匕如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。ARM公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器，以及相關(guān)技術(shù)及軟件。處理器的選擇，是硬件設(shè)計的首要工作。下面詳細(xì)介紹這幾個部分的特性和設(shè)計思想。3系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)核心電路板是整個水位監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)所有命令信息和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)傳輸以及部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理。服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)配置的參數(shù)進(jìn)行處理，然后將有效數(shù)據(jù)顯示出來供用戶參考，同時將該數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便用戶日后調(diào)用察看。數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)上位機(jī)要求，執(zhí)行相應(yīng)的采集操作之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)格式后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至區(qū)域采集控制系統(tǒng)。這兩種采集方式所發(fā)送的命令格式是相同的，區(qū)別僅在于強(qiáng)制采集是手動采集數(shù)據(jù)，一次一采，而定時采集則可以完全按照設(shè)定的時間間隔，自動采集數(shù)據(jù)。用戶首先應(yīng)該在服務(wù)器上面配置所使用的參數(shù)，這些參數(shù)包括傳感器類型，傳感器的一些標(biāo)定系數(shù)和ZigBee模塊對應(yīng)的通信地址。為了方便觀測人員，服務(wù)器端軟件提供給使用人員的功能包括:強(qiáng)制采集數(shù)據(jù)，定時采集數(shù)據(jù)，傳感器參數(shù)配置，當(dāng)前水位高度顯示和歷史水位高度顯示等。下面本文從整體上闡述站北廣場無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思想和具體實現(xiàn)。在本論文構(gòu)建這個無線水位監(jiān)測系統(tǒng)中，并沒有用到獨立數(shù)據(jù)采集終端，這是由于本次應(yīng)用的地理位置決定的。它的主要功能是接收區(qū)域采集控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)器命令，完成采集過程，然后將采集到的數(shù)據(jù)或出錯信息以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式返回給服務(wù)器。他主要負(fù)責(zé)維護(hù)使用ZigBee組成的區(qū)域采集網(wǎng)絡(luò)、接收轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和采集終端之間的命令及數(shù)據(jù)，另外還可以對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。它的硬件基本組成包括 ARMgs3c2410處理器的核心板以及擴(kuò)展板，cDMA模塊以及 zigBee中心節(jié)點模塊。它的主要功能是發(fā)送各種采集命令，控制另外兩種設(shè)備進(jìn)行工作以及接收采集回來的各種數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)按要求分析、顯示和存儲。是整個采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。站北廣場水位監(jiān)測系統(tǒng)按照模塊功能，可以分成3個部分。其中RFD連接控制傳感器的數(shù)據(jù)采集電路板，而FFD則連接包含CDMA設(shè)備的區(qū)域采集控制系統(tǒng)。，zigBee技術(shù)的組網(wǎng)方式非常靈活，可以依據(jù)不同的應(yīng)用需求，構(gòu)建不同類型的網(wǎng)絡(luò)。(3)簇狀網(wǎng)該網(wǎng)絡(luò)是以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心，連接前面介紹的兩種網(wǎng)絡(luò)，功能更強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。(2)網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)采用多跳式路由通信。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點。不同網(wǎng)絡(luò)的主要特點是:(l)星型網(wǎng)支持點對點、點對多點通信。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了zigBee部件的成本，