嵌入式系统的远程参数测量的设计 三星公司, 处理器, 嵌入式, 通用, 测量

嵌入式系统由于性价比高开发周期短等优点目前得到了迅猛发展，各类基于 ARM 处理器的应用开发更是如火如荼。这里介绍基于 ARM9 嵌入式芯片 S3C2410 构建的测量监控系统，该系统设计方案先进，集成度较高，在实践中得到了广泛的应用。
2. 嵌入式 ARM9 S3C2410X 简介
S3C2410X 是三星公司提供的基于 ARM920T 内核的 32 位 RISC 处理器，它的低功耗、低价格、高性能设计特别适合于手持设备和通用嵌入式应用场合，为降低整个系统的成本，它提供了丰富的内部设备，包括分开的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache，MMU 虚拟存储器管理，24bbp 模式下最大 16M 色 TFT LCD 控制器，支持 NAND Flash 系统引导，片选逻辑和dram 控制器的系统管理器，3 通道 UART，4 通道 DMA，4 通道 PWM 定时器，117个通用 IO 端口和 24 通道外部中断源，具有日历功能的 RTC，8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口，IIC、IIS 接口，USB 主从设备，SD&MMC 卡接口，2 通道的 SPI 以及 PLL 时钟倍频器。S3C2410X 具有丰富的接口和内嵌硬件控制器，使用其最简系统即可实现大部分应用系统的功能。
3. 嵌入式测量监控系统设计
本系统需对被测设备如电力设备或太阳能的电压、电流或温度、光照度等进行测量、参数采集、存储，并实现远程监控。数据存储格式为 SNMP 的 MIB 数据库方式，数据库能够通过系统的NMP 代理被远方操作员的 SNMP 控制平台所访问存取。传输协议为以太网的 IP 协议。信息同时能够被本地操作显示，因此本地附有串行接口，基于以上应用需求，实现系统框图如下图 1 所示。


图 1 系统原理框图(Fig1 System Diagram)
本系统需采集远端、本地两个温度检测，一个光照度检测，三个直流 DC 8-130V 电压检测，三个直流 DC 0-20A@12VDC 电流检测，一个交流 AC 105-280V 电压检测，一个交流AC 0-20A@120VAC 电流检测。测量使用原理及所用传感器件下节叙述。测量时通过 ARM9 的 IO 端口测量温度和光照度， 通过片内ADC将交直流电压电流通过传感器转变后的输出电压进行采样，然后通过 CPU 计算后存入数据库。
4. 参数测量实现
各参数测量是本系统的前端电路，也是最终目的。由于 ARM 系统 3.3V 供电，具有通用IO 接口和内置 ADC 电路，因此只要将各测量参数通过相应的传感设备转换为 IO 数据或0-3.3V 的模拟电压量，就可通过 ARM 处理器采集，从而转换为数字信号进而数字存储或通过网络传输。各参数的测量采集电路见图 2 所示。


直流电压的采集可以直接通过电阻分压取得，因为已知需要采集的直流电压的范围，将最大电压值映射为 3.3V，即可获得图 2 中的两个分压电阻的值。设分压电阻分别是12KΩ和470KΩ， 则Uo = 12/(12+470)×Ui = Ui/40，按照 ARM 10 位 ADC 采样结果，如 ADC 采样值为 Uadc，则采集到的输入电压值为：Ui = [ Uadc/1024] ×3.3×40(V)。
交流电压的采集采用 TV19G_E 系列精密电压互感器，该器件采用坡膜合金铁芯，线性度优于 0.1%。体积小，直接焊接在电路板。它是一种电流型电压互感器，不同的输入电压通过限流电阻使一次侧流过不同的电流，二次得到一个与一次相同的电流。经运算放大器或电阻直接取样，得到不同的输出电压，如图 2 所示。
此时采集到的电压值实际上是交流电压的瞬时值，其实时性好，相位失真小，本文用软件代替硬件实现交流电压采集可以使得硬件投资减小，实践证明，采用该方法并通过算法计算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的精确度和稳定性。
电压有效值公式为


将其离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则


式中 ΔTm为相邻两次采样的时间间隔;um 为第 m-1 个时间间隔的电压采样瞬时值;N 为 1 个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即 ΔTm 为常数 ΔT，考虑到 N=(T/ΔT)+1，则有


周期内等时间间隔准确采样 16 点并存储结果，采集完后，对采集的数据进行数字滤波并计算得到相应的值。
系统中温度测量采用 DS18B20 分辨率可编程单线数字温度计，并可结联使用。测量温度范围为-55 度至+125 度，精度可达 0.5 度，数字精度可编程为9 至12bit。该芯片仅单线输出，可连接 CPU 的 IO 管脚，需进行编程控制。本系统采用Linux 操作系统下的 IO 输入输出设备驱动控制进行读写操作，进而实现温度数据的采集，具体的程序流程如下节所述。


图 3a 电流感应输出电压关系图 图 3b 光照度频率关系图
系统中光照度测量采用光敏传感器 TSL235 电路，该电路是光照度到频率的转换电路，内置一个硅光敏二极管和电流到频率的转换器，输出为 50%占空比的不同频率的方波，管脚只有电源、地和输出，输出可直接和 CPU 的 IO 相连，CPU 通过 TIMER 控制或中断检测即可测得该方波的频率，从而可计算出相应的光照度。其光照度和频率的关系曲线如图 3b 所示。
5. 软件模块
本系统软件在 linux 操作系统下实现，其软件结构如图 4 所示。


系统中 ADC、IO 等操作均采用设备驱动方法实现，先编写设备驱动程序，将驱动加入到操作系统中，然后在应用中调用驱动程序。如 ds18b20 温度采集采用 IO 操作的方法。先建立 IO 驱动， module_init(DS18B20_init)， 主要实现设备注册 register_chrdev(240, "ds18b20", &DS18B20_fops)。DS18B20_fops 文件操作主要包括 ioctl，通过 ioctl 中WriteOneChar，ReadOneChar 等 IO 的控制实现温度的采集。
6.结语
本文介绍了基于 S3C2410X ARM 的参数测量系统，该系统可针对电力设备的电压、电流、温度、光敏度等进行测量、采集，存储于系统内部基于 SNMP 的 MIB 数据库中，并通过网络协议进行远程访问。系统采用 ARM 嵌入式实现，性价比高，功能强，在实际中得到了很好的应用。