

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文檔簡介
1、<p> 分類號: 密級: </p><p> UDC注1: 編號: </p><p> 碩 士 學 位 論 文</p><p> 基于ARM的PLC無線遠程控制系統(tǒng)</p><p>
2、 GPRS-based Remote PLC multi-parameter monitoring system</p><p> 指 導 教 師 教授 </p><p> 作 者 姓 名 <
3、/p><p> 申請學位級別 學科(專業(yè)) 控制理論與控制工程 </p><p> 論文提交日期 2014年 4月 論文答辯日期 2014年 6 月 </p><p> 學位授予單位和日期 2014年6月 </p&
4、gt;<p> 答辯委員會主席______________</p><p> 評閱人______________</p><p> 學位論文版權使用授權書</p><p> 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全
5、部內容或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。</p><p> 保 密 , 在 年解密后適用本授權書。</p><p><b> 本學位論文屬于</b></p><p><b> 不保密 。</b></p><p> 學
6、位論文作者簽名: 導師簽名:</p><p> 簽字日期: 年 月 日簽字日期: 年 月 日</p><p><b> 獨 創(chuàng) 性 聲 明</b></p><p> 本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容以外,
7、本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。</p><p> 學位論文作者簽名: </p><p> 日期: 年 月 日</p><p><b> 摘要</b></p><p>
8、 隨著科學技術的發(fā)展、生產自動化的水平不斷提高,ARM-LINUX系統(tǒng)的快速發(fā)展,將智能儀表、傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制與無線通訊技術、ARM-LINUX系統(tǒng)相結合,研制無線監(jiān)控系統(tǒng)成為將來發(fā)展的一種趨勢。本文把國內外對該課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析,提出了一種基于ARM的PLC無線遠程多參數(shù)水質監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。</p><p> 本文首先闡述了本系統(tǒng)的關鍵問題所在,論述述了系統(tǒng)的總體開發(fā)設計方案。接著對系
9、統(tǒng)的軟件、硬件設計進行了深入的闡述和分析。設計了信號調理電路把傳感器的小信號轉換為0-2.5v的電壓信號;選用S7-200PLC(CPU226)作為控制終端的核心處理器,配有EM235模塊實現(xiàn)模擬量的輸入輸出和TD400C實現(xiàn)現(xiàn)場的人機交互,PLC以自由口方式與GPRS模塊進行連接實現(xiàn)與服務器之間的數(shù)據和指令傳輸;PLC編程實現(xiàn)溶解氧的閉環(huán)控制,對增氧泵的無極調速通過變頻器實現(xiàn)。服務器選用ARM-LINUX系統(tǒng)實現(xiàn)多控制終端和多個遠程控
10、制端間的數(shù)據和指令的相互傳輸,本文中對于服務器首先論述了ARM-LINUX系統(tǒng)的硬件配置:處理器的選型、JTAG電路、DM9000網口電路設計,串口電路設計,然后闡述了ARM-LINUX系統(tǒng)的搭建以及搭建服務器軟件系統(tǒng)的(多余)時所用到的一些輔助軟件的安裝配置:ARM-LINUX操作系統(tǒng)的搭建、服務器應用軟件的設計、ADS1.2和DNW以及系統(tǒng)編譯環(huán)境等的安裝配置。遠程監(jiān)控端(文中采用了智能手機和便攜式電腦)通過服務器實現(xiàn)和控制終端間實
11、現(xiàn)數(shù)據和指令的交互,智能手機用腳本語言編寫監(jiān)</p><p> 本系統(tǒng)在實際測試中運行穩(wěn)定可靠,通過對運行結果和性能的分析可知,將ARM-LINUX系統(tǒng)、無線通訊技術、智能手機和PLC與信號檢測儀結合起來,將現(xiàn)場的各種信息通過服務器傳輸?shù)诫x現(xiàn)場的控制室或個人,實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的遠程實時監(jiān)控,是(使)水質得到實時的監(jiān)控避免事故的發(fā)生,能帶來可觀的經濟效益。同時本系統(tǒng)是一個全開放式系統(tǒng),具有很強移植性和技術升級空間,
12、可以很容易地應用到其他監(jiān)控領域如國防軍工、海洋地質、環(huán)境生態(tài)等各行各業(yè),具有良好的發(fā)展前景</p><p> 關鍵詞:ARM-LINUX,Android,無線通訊,PLC,遠程監(jiān)控</p><p><b> ABSTRACT</b></p><p><b> 目錄</b></p><p>&l
13、t;b> 摘要4</b></p><p> ABSTRACT5</p><p><b> 一 緒論8</b></p><p> 1.1 研究的背景、目的和意義8</p><p> 1.2 研究現(xiàn)狀和趨勢9</p><p> 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
14、9</p><p> 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11</p><p> 1.3 本文結構和主要工作14</p><p> 二 系統(tǒng)的整體設計及硬件結構16</p><p> 2.1 系統(tǒng)整體設計框架16</p><p> 2.2 信號采集模塊17</p><p>
15、 2.2.1 電源模塊20</p><p> 2.2.2 傳感器20</p><p> 2.2.3 調理電路21</p><p> 2.3 指令執(zhí)行模塊24</p><p> 2.4 終端控制器25</p><p> 2.4.1 西門子S7-200 PLC26</p><p&g
16、t; 2.4.2 TD400C和EM235模塊27</p><p> 2.5 服務器的選型及其相關配置30</p><p> 2.5.1 嵌入式系統(tǒng)的CPU30</p><p> 2.5.2嵌入式以太網接口電路32</p><p> 2.5.3 JTAG接口電路34</p><p> 2.5.4
17、 串口電路35</p><p> 2.6 無線傳輸模塊及遠程控制設備36</p><p> 2.6.1 無線傳輸模塊36</p><p> 2.6.2遠程控制設備39</p><p> 2.7 本章小結39</p><p> 三 系統(tǒng)的軟件設計及部分框圖40</p><p>
18、; 3.1終端控制器的軟件設定40</p><p> 3.1.1 模擬量采集41</p><p> 3.1.2 溶氧泵控制44</p><p> 3.1.3 PLC通訊45</p><p> 3.2 GPRS設定48</p><p> 3.3 服務器軟件配置50</p><p
19、> 3.3.1 JTAG驅動安裝50</p><p> 3.3.2 DNW的安裝配置51</p><p> 3.3.3 編譯環(huán)境的構建52</p><p> 3.3.4 ADS1.2集成開發(fā)軟件53</p><p> 3.3.5 LINUX系統(tǒng)的配置53</p><p> 3.3.6 服務器
20、程序63</p><p> 3.4 遠程控制端的監(jiān)控軟件65</p><p> 3.4.1 VB監(jiān)控軟件65</p><p> 3.4.2 JAVA監(jiān)控軟件66</p><p> 3.5 本章小結68</p><p> 四 系統(tǒng)的實驗結果分析69</p><p> 4.1
21、 監(jiān)控畫面69</p><p> 4.2 儀器檢測測試73</p><p> 五 總結與展望75</p><p> 5.1 本文工作總結75</p><p> 5.2 未來工作展望76</p><p><b> 參考文獻77</b></p><p>&
22、lt;b> 致 謝78</b></p><p> 論文發(fā)表及科研工作79</p><p> 基于arm的PLC無線遠程控制系統(tǒng)</p><p><b> 一 緒論</b></p><p> 本章主要概括的講述了本系統(tǒng)研究開發(fā)的背景、目的以及意義,介紹了水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的國內外研究的現(xiàn)狀、
23、發(fā)展趨勢,,最后列出了本文的結構和整體安排。</p><p> 1.1 研究的背景、目的和意義</p><p> 自從新中國成立,我國水產養(yǎng)殖業(yè)取得了快速發(fā)展。我國水產業(yè)一直堅持“以養(yǎng)為主”的發(fā)展方針,自1991年以來我國水產品總產量一直穩(wěn)居世界第一位,截止到2011(要2013年的情況)年我國養(yǎng)殖水產品產量己(達)4023.26萬噸,占當年全國水產品總產量的71%,占世界養(yǎng)殖水產品總
24、產量的70%左右,是世界唯一一個養(yǎng)殖產量超過捕撈產量國家。近 30 年來,我國水產養(yǎng)殖業(yè)取得了舉世矚目的成就。隨著我國邁入農業(yè)結構調整的關鍵時期,水產養(yǎng)殖業(yè)正從傳統(tǒng)的粗放式放養(yǎng)模式逐步向工廠化、集約化養(yǎng)殖模式發(fā)展。由于集約化水產養(yǎng)殖密度大,當出現(xiàn)水質問題時,往往已經造成了無可挽回的損失,故水質因素成為集約化水產養(yǎng)殖中最為關鍵的一環(huán)。我國水產養(yǎng)殖仍處在一個比較落后的生產發(fā)展模式,大多數(shù)水產養(yǎng)殖都是傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式,(和上面一句不連續(xù))傳統(tǒng)的人
25、工采樣無法實現(xiàn)實時監(jiān)控、不能獲取水質動態(tài)數(shù)據,以自動化、智能化和網絡化為核心內容的工業(yè)化養(yǎng)殖成為必然趨勢。近年來,世界各國紛紛加大投入,運用自動控制技術、化學分析技術以及計算機測控技術等先進手段來發(fā)展水環(huán)境監(jiān)控,旨在建立一個以水質環(huán)境參數(shù)綜合指標為基礎的在線監(jiān)控系統(tǒng),以求在環(huán)保、節(jié)能的</p><p> 遠程監(jiān)控系統(tǒng)是一種具有信息監(jiān)測及實時控制的綜合系統(tǒng),具有防范能力強、部署方便、適用范圍廣等特點,當前遠程視頻
26、技術與信息監(jiān)控技術在監(jiān)控領域的融合更帶來了實時、直觀、準確等豐富的優(yōu)點。近年來,隨著移動互聯(lián)網技術的大力推廣以及無線網絡的大規(guī)模建設,物聯(lián)網技術、嵌入式技術等多種高新技術開始在監(jiān)控領域得到發(fā)展和融合,遠程監(jiān)控、無線視頻監(jiān)控技術有了很大的進步和提高。通過遠程監(jiān)控,技術人員無須親臨現(xiàn)場就可以遠程監(jiān)控工業(yè)生產和現(xiàn)場設備的運行狀態(tài),實時采集和集中現(xiàn)場數(shù)據,根據數(shù)據進行分析判斷,實施遠程故障診斷和控制。遠程監(jiān)控的應用,極大地提高了生產效率,給企業(yè)
27、和生產帶來了巨大的經濟效益。伴隨著嵌入式技術、物聯(lián)網技術和移動互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展和成熟,使用手機等終端設備進行遠程監(jiān)控成為現(xiàn)實。隨著網絡互連技術、物聯(lián)網技術、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等各種高新技術在水產養(yǎng)殖生產中的大力推廣和運用,水產養(yǎng)殖的移動化、自動化和網絡化成為了整個行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。因此研制出一套用于水產養(yǎng)殖業(yè)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有較大的市場價值和學術意義。</p><p> 本文擬設計一種基于Arm-Linux系統(tǒng)
28、、遠程控制系統(tǒng)(由Android手機、便攜式電腦組成)、西門子S7-200 PLC和網絡通訊技術的水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖的缺陷和不足,用戶可以通過手機、便攜式電腦與水產養(yǎng)殖現(xiàn)場控制終端相配合,從而實現(xiàn)一套完整的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫度、pH值、水位、溶解氧等多種養(yǎng)殖現(xiàn)場的水環(huán)境因子,其中溶解氧是水中生物和植物生存不可缺少的條件。我國養(yǎng)殖的幾種主要魚類,在成魚階段可允許溶氧量為 4mg/L 以上;
29、 當溶氧量降低到 2mg/L 以下,會發(fā)生輕度浮頭; 降到 0.8-0.6mg/L 時,出現(xiàn)嚴重浮頭( 魚類發(fā)生一次嚴重浮頭就像生一場大病一樣) ; 降到0.5-0.3mg/L時,魚就會窒息而死,在系統(tǒng)中著重講述了對溶解氧的控制。工作人員可以通過手機客戶端遠程監(jiān)控養(yǎng)殖場終端,實現(xiàn)監(jiān)測和管理養(yǎng)殖場的目的。</p><p> 1.2 研究現(xiàn)狀和趨勢</p><p> 1.2.1 國外研究現(xiàn)
30、狀和發(fā)展趨勢</p><p> 水質自動監(jiān)測技術在國外起步比較早,美國、日本、英國等發(fā)達國家在上個世紀中期就已經對湖泊河流等水資源設立了自動監(jiān)測站。。1959年美國開始對俄亥俄河進行水質自動監(jiān)測;1960年紐約州環(huán)保局開始著手對本州的水系建立自動監(jiān)測系統(tǒng);1966年安裝了第一個水質監(jiān)測自動電化學監(jiān)測器;1973年全國水質監(jiān)測系統(tǒng)分為12個自動監(jiān)測網,每個自動監(jiān)測網由4-15個自動監(jiān)測站組成;1975年在全國各州
31、共有13000個監(jiān)測站建成為水質自動監(jiān)測網。在這些流域和各州(地區(qū))分布設置的監(jiān)測網中,由150個站組成聯(lián)邦水質監(jiān)測站網——即國家水質監(jiān)測網(NWMS)。20 世紀 60 年代初期,日本首先在群馬縣將水環(huán)境因子自動化監(jiān)控系統(tǒng)應用于水產養(yǎng)殖。如今,美國每萬平方公里就有二十多個自動監(jiān)測站;英國在1975年建成了泰晤士流域自動環(huán)境水質監(jiān)測系統(tǒng);在公共海域R本1967年便設立了水質自動監(jiān)測器,到上個世紀末已經設置了170多個自動監(jiān)測站;比較典型
32、的有挪威的水產養(yǎng)殖,其人工養(yǎng)殖鮭魚技術領先于全球,其監(jiān)控系統(tǒng)完全實現(xiàn)了科學化管理,水產養(yǎng)殖各環(huán)境參數(shù)都有專門的儀器設備監(jiān)控。上個世紀八十年代歐美,日本等國已經廣泛應用現(xiàn)代尖端的微</p><p> 歐美及日本等國在20世紀70年代已有便攜式水質監(jiān)測儀出售,但屬于瞬時測定儀。連續(xù)多參數(shù)水質測定儀是在80年代才開始使用的。在監(jiān)測設備方面,廣泛應用現(xiàn)代尖端的微電子技術、嵌入式微控制器技術,并做到智能化的數(shù)據采集、分析
33、和運算,水質監(jiān)測完全實現(xiàn)了自動化。目前,世界上已建成的WPMS類型較多,既有全自動聯(lián)機系統(tǒng),也有半自動脫機系統(tǒng),例如澳大利亞GREENSPAN公司,德國GIMAT公司,美國的ISOC、HYDROLAB等公司,日本日立制作所和卡斯米國際株式會社等都生產有技術成熟的在線水質自動監(jiān)測系統(tǒng),但大部分是以監(jiān)測水質污染的綜合指標為基礎的,包括水溫、混濁度、pH值、電導率、溶解氧、化學需氧量、生化需氧量、總需氧量和總有機碳等。</p>
34、<p> 隨著無線通信和定位技術的成熟與發(fā)展,將通信技術和定位技術集成應用于水質檢測系統(tǒng),已成為近年來的研究趨向。作為經濟發(fā)達、技術先進的超級大國,美國在無線通信技術和定位技術的集成試驗、應用方面的研究都處于領先地位,開發(fā)出了一些基于無線通信和定位技術的水質在線監(jiān)測系統(tǒng). </p><p> Lopez M[5]提出了一種基于無線傳感器網絡(WSN)的水質監(jiān)控:為養(yǎng)魚場監(jiān)測pH、NH4+ 和溫度;Z
35、hu( 姓名單位)等[17]在2010 年建立了集約化養(yǎng)魚水質遠程無線傳感器網絡系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據水質含氧量的歷史數(shù)據進行預警預報。</p><p> 國外比較典型的代表有美國 Heliosware 公司的 EMNET 系統(tǒng)和澳大利亞 CSIRO 的 Fleck 系統(tǒng),但這 2 個系統(tǒng)通信速率低、產品體積較大、功耗較高,僅適合用作研究。</p><p> 在國外水質在線監(jiān)測儀器中,應用
36、比較廣泛的是美國哈希公司生產的在線自動監(jiān)測儀: Hydrolab 多參數(shù)水質分析儀 (常規(guī)五參數(shù)分析儀)如圖1.1所示,是一款新型多參數(shù)、寬量程的水質分析儀器,可用于地表水、地下水、水源水、飲用水、污水排放口、海洋等不同水體的水質在線及便攜監(jiān)測。監(jiān)測參數(shù)包括溶解氧、pH、ORP(氧化還原電位)、電導率(鹽度、總溶解固體、電阻)、溫度、深度、濁度、葉綠素 a、藍綠藻、若丹明WT、銨 / 氨離子、硝酸根離子、氯離子、環(huán)境光、總溶解
37、氣體共十五種參數(shù)。</p><p> 圖1.1 Hydrolab 多參數(shù)水質分析儀</p><p> 總體看來,國外水質監(jiān)測技術逐漸成熟,如今呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢:其中一個方面是傳統(tǒng)的固定監(jiān)測設備不斷自動化、智能化。另一個方面是朝著移動式、便攜式發(fā)展。</p><p> 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p> 養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)
38、在國內的發(fā)展己有很長的歷史。我國起始于70年代,通過幾十年的發(fā)展,我國的水產養(yǎng)殖己由傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖走向工廠化養(yǎng)殖、網箱養(yǎng)殖,對養(yǎng)殖場的管理也由傳統(tǒng)的人工管理變成半人工半自動化管理,我國的水產養(yǎng)殖業(yè)取得了飛速的發(fā)展和巨大的成功,已經成為世界上最大的水產養(yǎng)殖國家。然而據相關資料顯示,我國的水產養(yǎng)殖仍然是以傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖為主,出于經濟原因的考慮,廣大養(yǎng)殖戶仍然使用的是低成本、不能對水質進行連續(xù)監(jiān)測和自動控制的水質監(jiān)測儀。與國外漁業(yè)的自動化、機械
39、化程度相比,我國還有很大的上升空間。</p><p> 近年來,水質監(jiān)測在我國發(fā)展迅速,現(xiàn)在市場上主要有便攜式和在線式兩種水質監(jiān)測儀。便攜式建立在化學試劑檢測的基礎上,每次開展測試工作都需要進行化學試劑的具體配置,操作起來非常繁雜,而且通常情況下只可以監(jiān)測一種物質,功能較為單一,一般只在研究所、大專院校實驗室、漁業(yè)水產所等部門應用,例如:李道亮等【19】將無線傳感器網絡應用于宜興河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)中,整個無線監(jiān)測系統(tǒng)
40、包括農用無線氣象站、水質監(jiān)測站、溶解氧控制站,并且開發(fā)了水產養(yǎng)殖行業(yè)應用平臺,實現(xiàn)了溶解氧從測量、預測到控制等功能;陸衛(wèi)忠等【18】開展了基于 GPRS的水產養(yǎng)殖水質監(jiān)控系統(tǒng)的設計的研究,通過GPRS 終端,利用 GPRS 和 Internet 實現(xiàn)在控制范圍較廣、工作環(huán)境較惡劣條件下的遠程數(shù)據采集與控制。在線監(jiān)測還可以劃分成兩種不同的類別,即有線監(jiān)測儀和無線監(jiān)測儀,有線監(jiān)測儀傳輸數(shù)據時需要借助電纜進行,費用高,而且維護起來非常不便,而
41、無線監(jiān)測儀使用方便,但價格較為昂貴。</p><p> 工業(yè)化的水產養(yǎng)殖在我國剛剛起步。在多參數(shù)測量控制方面,江蘇電分析儀器廠制造的 AJ-1 型檢測儀,對影響?zhàn)B殖的重要參數(shù)予以準確的測定,這些參數(shù)具體包括了溫度、PH 值以及鹽度等等,但是,該儀器并不能夠實現(xiàn)控制功能,也沒有形成網絡。除此之外,由中科院南京土壤研究所研制的水產養(yǎng)殖溶解氧單參數(shù)分析控制儀,能夠依據溶氧量的不同進行開啟或者關閉增氧機,實現(xiàn)自動調節(jié)水
42、體溶氧量的目的,不過該產品僅僅停滯在小型的分立儀器上,非常簡陋,難以進行網絡化的管理。上海雷磁生產的DZS-708 水質多參數(shù)分析儀(如圖1.2所示)用于測量電導、溶解氧、pH/pX、溫度等,自動溫度補償,符合GLP標準,自定義離子模式,可存儲數(shù)據,RS-232,USB接口。</p><p> 圖1.2 DZS-708 水質多參數(shù)分析儀</p><p> 移動互聯(lián)技
43、術的不斷發(fā)展,手機硬件制造工藝的不斷提高,臺式機、筆記本和手機的界限越來越模糊,個人PC和移動終端互相滲透。隨著手機終端硬件設備性能的加強,現(xiàn)在的智能手機性能已經足以媲美個人PC。個人PC的很多功能都可以運用在手機上,例如人們可以通過手機進行上網、炒股、辦公等,同時智能手機的便攜性和用戶體驗性遠遠超過PC,各種手機監(jiān)控軟件大量出現(xiàn)在手機平臺上,智能手機軟件的開發(fā)運用成為當今工控行業(yè)的最大熱點之一。各種智能手機終端的普為移動視頻監(jiān)控的實現(xiàn)
44、提供了硬件基礎,3G通信網絡的架設和應用保證了多媒體數(shù)據的實時快速通信,為實現(xiàn)移動監(jiān)控提供了有利條件。和傳統(tǒng)監(jiān)控相比,移動視頻監(jiān)控除了具有傳統(tǒng)監(jiān)控的功能以外,還具有可移動、實時性強等特點。用戶可以通過移動終端連接服務器隨時隨地進行監(jiān)控,滿足了不同用戶的多元化需求。</p><p> 目前,市場上主流的移動終端操作系統(tǒng)有Windows Phone、Iphone OS和Android,其中Android是Googl
45、e公司推出的基于Linux內核的手機操作系統(tǒng),是專門為移動娛樂辦公終端打造的手機平臺。Android的開源特性和眾多硬件軟件廠商的大力支持,Android得到了大力發(fā)展,截止到2012年6月,Android系統(tǒng)在中國的智能機市場份額已經達到了驚人的69.5%,而且份額還有繼續(xù)擴大的趨勢。另外Android系統(tǒng)開始滲透到平板電腦、電視等傳統(tǒng)行業(yè),市場上先后出現(xiàn)了Android TV、Android家庭智能設備等產品【8】。</p&g
46、t;<p> 物聯(lián)網是建立在在計算機互聯(lián)網的基礎上,利用RFID技術、無線數(shù)據通信技術、傳感器、嵌入式系統(tǒng)等技術,構造一個覆蓋世界上萬事萬物的網絡[9目前市場上主流的嵌入式終端操作系統(tǒng)有Windows CE、嵌入式Linux、VxWorks和肛C/OS.II等。嵌入式Linux系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性、強大的網絡支持功能、自由裁剪等特點。開源、全球廣大愛好者的開發(fā)者社區(qū)以及詳細的文檔和廠家支持,嵌入式Linux在物聯(lián)網技術的發(fā)
47、展扮演越來越重要的角色,已經成為近幾年的工控技術熱點之一【10】。</p><p> 3G通信技術、移動互聯(lián)網、物聯(lián)網技術等高新技術相互融合將促進漁業(yè)進步,形成以知識和資本密集型為特征的智能化養(yǎng)殖業(yè)。所謂智能化養(yǎng)殖業(yè),是將工程技術、電氣設備、自動化監(jiān)控儀表、傳感器、企業(yè)管理軟件等現(xiàn)代技術手段用于水產養(yǎng)殖生產和系統(tǒng)化管理,對養(yǎng)殖環(huán)境、水質、魚類生長狀況、藥物使用、廢水處理等進行全方位的檢測和管理,實現(xiàn)數(shù)據實時采集
48、及分析、食品溯源、生產基地遠程監(jiān)控等功能㈣。與傳統(tǒng)的粗放型養(yǎng)殖模式相比,智能化漁業(yè)具有明顯的優(yōu)勢,具有機械自動化程度比較高、節(jié)能環(huán)保、管理先進等優(yōu)點,為我國水產養(yǎng)殖產業(yè)結構的調整和優(yōu)化帶來了新的突破口。</p><p> 我國是水產養(yǎng)殖大國,養(yǎng)殖模式正在向集約化、工廠化模式發(fā)展,而水質監(jiān)控成為集約化養(yǎng)殖中十分重要的一環(huán)。與發(fā)達國家相比,我國的水質監(jiān)控技術還不夠成熟,關鍵技術的研究上還有較大提升空間。終端感知層的
49、數(shù)據采集和數(shù)據處理技術將成為重點攻克的環(huán)節(jié),應從理論研究和設備研發(fā)方面加強攻關。養(yǎng)殖水質監(jiān)控中感知層的信息融合,遠程視頻傳輸?shù)膽?,信息處理技術的集成、智能,以及物聯(lián)網技術與集約化養(yǎng)殖的結合,將是未來的發(fā)展趨勢。無論檢測技術,檢測儀器和裝置方面,還是在水質在線監(jiān)測系統(tǒng)方面,我國與國外都存在很大差距。因此,開展水質監(jiān)測系統(tǒng)的研究和提升我國水質監(jiān)測的科技含量成為人們必須重視的問題。正因如此,通過本論文也希望研制出具有我國自主知識產權的多參數(shù)
50、環(huán)境水質在線監(jiān)測系統(tǒng),從而提高我國該領域系統(tǒng)的集成度和性價比。通過該系統(tǒng)對主要水環(huán)境因子(實)行實時監(jiān)測和調控,為今后環(huán)境監(jiān)測和控制提供更加有效的手段。</p><p> 1.3 本文結構和主要工作</p><p> 本文主要設計實現(xiàn)了一種以嵌入式Linux為服務器、以PLC為控制終端并結合遠程控制器(智能手機,便攜式電腦等)的水產養(yǎng)殖多參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式Linux可以實現(xiàn)多參數(shù)
51、數(shù)據的存儲、設備操作及運行的記錄,并實現(xiàn)遠程控制端與控制終端間的數(shù)據和指令的傳輸;控制終端實現(xiàn)數(shù)據和指令的采集、轉化、傳輸及控制設備的運行;遠程控制端可以實時監(jiān)控水溫、pH值、溶解氧濃度、水位等多種水質參數(shù),在線進行遠程控制現(xiàn)場設備等功能。本課題分為嵌入式Linux服務器開發(fā)、遠程控制端程序開發(fā)、控制終端設備開發(fā)3大部分,劃分以下五個章節(jié):</p><p> 第一章,簡要介紹了國外水質監(jiān)控的發(fā)展、產品、進行的研
52、究工作和發(fā)展趨勢,我國水產養(yǎng)殖和移動監(jiān)控技術的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢,并說明了本文的研究背景和意義。</p><p> 第二章,系統(tǒng)的總體結構設計實現(xiàn)與硬件設計。給出整個監(jiān)控系統(tǒng)的設計思路及功能等,并且介紹了水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵原理技術,溶氧的采集原理,包括有信號調理電路、GPRS無線通訊、PLC及其功能模塊的操作、嵌入式硬件電路的說明。</p><p> 第三章,系統(tǒng)軟件的設計。介紹了
53、整個系統(tǒng)的軟件功能框架,主要分為控制終端的數(shù)據采集和傳輸以及TD400C的顯示、GPRS的通訊配置、嵌入式Linux系統(tǒng)的搭建及相關配置、嵌入式Linux服務器軟件的設計、遠程控制終端監(jiān)控界面的搭建及編程(其中分為便攜式電腦的VB編程、智能手機的安卓監(jiān)控軟件的搭建)五個部分。</p><p> 第四章,對整個水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)進行綜合測試,并對數(shù)據結果進行總結分析,并為進一步做出實驗結果分析。</p>
54、<p> 第五章,,對整個水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的的設計做出總結,并對水產養(yǎng)殖的發(fā)展做出展望。</p><p> 第二章 系統(tǒng)的整體設計及硬件結構</p><p> 本文提出了一套基于arm-linux的PLC無線水質參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng),以帶有網關電路的ARM核心開發(fā)板為服務器實現(xiàn)終端處理器與遠程控制終端間的數(shù)據與控制指令的交互,PLC與服務器之間的無線數(shù)據傳輸由GPRS模塊實現(xiàn),
55、服務器與遠程控制端通過英特網連接,PLC作為終端處理器負責數(shù)據和控制命令負責處理調理電路采集上來的型號和對執(zhí)行機構的控制。本章主要介紹了傳感器的選取及相應信號處理電路的設計,控制終端、GPRS模塊、執(zhí)行機構的選取,arm處理器的選取及相應的網關電路三個部分。</p><p> 2.1 系統(tǒng)整體設計框架</p><p> 本文根據水質監(jiān)控系統(tǒng)所需求的功能要求以確定硬件的各部分的構成以及數(shù)
56、據的控制流程,完成結構化設計。系統(tǒng)整體設計框架如圖2-1所示:</p><p> 圖2-1 系統(tǒng)整體設計框架</p><p> 如圖2-1所示,硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:信號采集模塊、指令執(zhí)行模塊、終端控制器、無線傳輸模塊、服務器、遠程控制模塊。</p><p> 信號采集模塊負責把傳感器采集到的小信號轉換為0-2.5v的電壓信號,主要采集的信號有溫度、
57、溶氧量。本系統(tǒng)的信號采集模塊主要包括溶解氧采集模塊和溫度采集模塊,溶氧和溫度精密相關,本系統(tǒng)所采用的溶氧傳感器含有熱敏電阻,需要的溫度、溶氧參量可以只需一個傳感器,信號模塊由電源、傳感器,調理電路組成。</p><p> 指令執(zhí)行機構把終端控制器的指令通過繼電器模塊控制現(xiàn)場設備的運行,因為在水產養(yǎng)殖中,特別是苗種的培養(yǎng)要求溶氧量不能低于某一閾值,如果長期最大量的開轉增氧泵,將會產生高額的能耗費,綜合考慮溶氧量的
58、閾值控制和能耗,在這里依據檢測到的溶氧量通過變頻器對增氧泵進行控制。變頻器使用博世力士樂公司的CVF-G2-4T 0022C型變頻器(CVF表示的是產品代號,G2表示的是通用變頻器,4參數(shù)表示電壓等級是380V,T代表三相電源,0022表示適的電機功率是2.2KW,C參數(shù)表示內置了制動單元)。</p><p> 終端控制器采用西門子S7-200 PLC 226CPU配有EM232(與前面不符,前面章節(jié)為EM23
59、5)模擬量輸入輸出模塊(4輸入1輸出),實現(xiàn)模擬量和控制指令的轉化、傳輸,以及溶氧閉環(huán)控制算法的實現(xiàn),配有TD400C用于現(xiàn)場的監(jiān)控。</p><p> 無線傳輸模塊采用DTR2000模塊,DTR2000為用戶提供一條高速、永遠在線、透明數(shù)據傳輸通道,作為一種新的數(shù)據傳輸終端,幾乎所有中低速率的數(shù)據傳輸業(yè)務都可以使用。</p><p> 服務器采用S3C2440作為核心板,配以網關電路
60、,以7寸觸摸屏作為服務器的顯示屏,加載linux2.6.12內核作為arm板的操作系統(tǒng),作為整個水質監(jiān)控系統(tǒng)的服務器,管理整個系統(tǒng),并未(為)遠程監(jiān)控模塊提供支持。</p><p> 遠程控制模塊由一些移動設備配以相應軟件組成,可以是智能手機、PDA、移動電腦等設備。</p><p> 2.2 信號采集模塊</p><p> 溶解氧采集模塊有(由)溶解氧傳感器
61、、調理電路,電源模塊組成,溶解氧(Dissolved Oxygen)是指溶解于水中分子狀態(tài)的氧,即水中的O2(O2),用DO表示。溶解氧是水生生物生存不可缺少的條件。溶解氧的一個來源是水中溶解氧未飽和時,大氣中的氧氣向水體滲入;另一個來源是水中植物通過光合作用釋放出的氧。它跟空氣里氧的分壓、大氣壓、水溫和水質有密切的關系。在20℃、100kPa下,純水里大約溶解氧9mg/L。溶解氧隨著溫度、氣壓、鹽分的變化而變化,一般說來,溫度越高,溶
62、解的鹽分越大,水中的溶解氧越低;氣壓越高,水中的溶解氧越高。溶解氧除了被通常水中硫化物、亞硝酸根、亞鐵離子等還原性物質所消耗外,也被水中微生物的呼吸作用以及水中有機物質被好氧微生物的氧化分解所消耗。所以說溶解氧是水體的資本,是水體自凈能力的表示。天然水中溶解氧近于飽和值(9ppm),藻類繁殖旺盛時,溶解氧含量下降。水體受有機物及還原性物質污染可使溶解氧降低,對于水產養(yǎng)殖業(yè)來說,水體溶解氧對水中生物如魚類的生存有著至關重要的影響,當溶解氧
63、低于1mg/L時,就會引起魚類窒息死亡。當溶解氧(DO)消耗速率大于氧氣向水體中溶入的</p><p> 目前常用的溶解氧檢測方法有碘量法、電流測定法 (Clark溶氧電極)、電導測定法、熒光淬滅法等,本儀器采用的是電流測定法。電流測定法 (Clark溶氧電極)根據分子氧透過薄膜的擴散速率來測定水中溶解氧的含量。此類薄膜只能透過氣體,一般采用聚四氟乙烯薄膜。透過氣體中的氧氣擴散到電解液中,立即在陰極 (正極 )
64、 ,如金電極上發(fā)生還原反應,在陽極 (負極 ),如銀 -氯化銀電極上發(fā)生氧化反應,反應產生的電流與氧氣的濃度成正比,通過測定電極中電流的大小就可以得到溶解氧 (DO)的濃度。溶解氧分析儀測量原理氧在水中的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽。溶解氧分析儀傳感部分是由金電極(陰極)和銀電極(陽極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成,氧通過膜擴散進入電解液與金電極和銀電極構成測量回路。當給溶解氧分析儀電極加上0.6~ 0.8V 的極化電壓時,氧通
65、過膜擴散,陰極釋放電子,陽極接受電子,產生電流,整個反應過程為:陽極 Ag+Cl→AgCl+2e- 陰極 O2+2H2O+4e→4OH- 根據法拉第定律:流過溶解氧分析儀電極的電流和氧分壓成正比,在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關系。 </p><p> 電流測定法的測量速度較碘量法快,操作簡便,干擾少 (不受水樣色度、濁度及各種干擾物質的影響 ) ,而且能夠實現(xiàn)現(xiàn)場自動連續(xù)檢測,但是由于它的透氧膜和電
66、極容易老化,當水樣中含藻類、 硫化物、 碳酸鹽、 油類等物質時會使透氧膜堵塞或損壞,需要注意保護和及時更換,又由于它依靠電極本身在氧的作用下發(fā)生氧化還原反應來測定氧濃度,測定過程中需要消耗氧氣,所以在測量過程中要不停地攪拌樣品,且需要定期更換電解液,致使它的測量精度和響應時間都受到了限制。目前市場上的儀器大多都是屬于 Clark電極型,每隔一段時間要活化,透氧膜也要經常更換。代表產品有美國 YSI公司的一系列便攜式溶解氧測量儀,該類儀器
67、在我國使用范圍較廣,如 YSI 5型溶解氧測量儀等,可高質量地完成實驗室和野外環(huán)境的測試工作,操作簡便攜帶方便,測量范圍 0 - 20mg/L,精度± 0 . 03mg/L。</p><p> 溶解氧主要有三種表示方法:①氧分壓表示法,它直接描述了溶液中氧的活度或與之平衡的氣相中的氧分壓;②百分比飽和度,表示過程中任一時刻的溶氧水平為標定時刻的飽和氧分壓的百分數(shù);③溶解度,指溶液中氧氣的濃度,表示溶液
68、中氧氣含量的絕對值。</p><p> 在溶解氧測量系統(tǒng)中 ,隨著溶液溫度的變化 ,有許多因素可能影響到溶氧電極的輸出電流 ,在文獻[4 ,5 ]中指出,溶液溫度在 30 ℃附近 ,溫度變化引起的溶氧傳感器輸出偏差大約為 3 %/ ℃。在這些影響因素中 ,膜的透氣率是主要原因 ,由于溫度上升 ,膜的氧穿透系數(shù)增加 ,其次隨著溫度升高 ,氧在電解質溶液中的擴散系數(shù)增大,電極化學的反應速度也增大。溫度對膜的影響 ,
69、可以用膜的擴散系數(shù)與溶解度的阿侖尼烏斯定律來估計 ,因此 ,在特定的氧分壓 P下 ,電極的輸出電流 I 與溫度 T 的關系為[8 :I,其中: 和 a為常數(shù)。 因此,在特定的氧分壓 P下,隨著溫度的升高,溶氧電極輸出電流相應增大。 公式(5) (哪有)描述了溫度對膜的影響所引起的電極輸出電流變化,然而溫度對溶氧測量的影響是多方面的,因此,將由溫度所引起的其它測量誤差也集中到公式的指數(shù)項。為了實現(xiàn)溶氧測量軟件溫度補償 ,需要知道不同溫度
70、下飽和溶氧值對應的測量數(shù)據,確定該點后,與原點確定一條直線,根據實際現(xiàn)場測量數(shù)據,按照比例關系即可得到該溫度下的實際溶氧值。 </p><p> 溶氧測量系統(tǒng)采用兩點式標定方法:</p><p> 第一步 ,在飽和亞硫酸鈉溶液中標定溶氧電極的零點 ,溶氧電極的輸出電流接近于 0 nA ( A) ,記錄溶氧變送器的輸出值為 Vo 。</p><p>
71、 第二步 ,標定DO 電極的滿度(100 %) 。在一定的溫度下(溫度測量電路原理見后面原理圖說明),提起氧電極,輕輕甩去氧電極測試端的水分,將探頭垂直放置在靠近該水漫的上方約0.5-1cm,此時的測量的數(shù)據所對應于該溫度下的飽和溶氧值。因為,在某一溫度下達到氣液平衡時,即脫離和進入溶液的氧氣分子數(shù)相同,溶液中氧分壓和空氣中是相同的。</p><p> 2.2.1 電源模塊(太簡單,不要講)</p>
72、;<p> 在本文調理電路的設計中,通過外部的AC-DC開關電源給集成運放、傳感器及其他外部設備供電。開關電源選用鴻??萍脊镜腏MD20-A開關穩(wěn)壓電源,它可以提供穩(wěn)定的直流5v、 +12v、 -12v輸出。 輸入電壓為AC170~264V DC240~373V 輸出電壓及電流:5V/2A ±12V/0.5A。轉換效率可達77%。 如圖2-2所示,開關電源實物圖。</p><p>
73、 圖2-2 開關電源JMD20-A</p><p><b> 2.2.2 傳感器</b></p><p> 本文中采用雷磁公司的DO-958-S型的溶氧傳感器,測量的范圍0-19.9 mg/l殘余電流0.1mg/l溫度范圍5-40℃,極譜型溶氧電極的工作原理如圖 2 所示 ,在 - 0. 6~ - 0. 8V 的極化電壓下 ,溶液中的溶解氧在陰極被還原 ,在穩(wěn)態(tài)
74、的情況下 ,電極的輸出電流(相對電流)與溶液中氧的活度或與之平衡的氣相中氧的分壓成正比。</p><p> 圖 1 溶氧電極的工作原理</p><p> 2.2.3 調理電路</p><p> ?。?)溶解氧檢測電路</p><p><b> 圖2激勵源部分</b></p><p> 激勵
75、源電路圖說明(指具體圖):采用如上電路,正12V供電,LM236(可用LM336代替)為2.5V穩(wěn)壓,通過調節(jié)P1來獲得極譜式覆膜電極所需的0.7V左右的電壓(Ag極輸出)。</p><p> 圖3電流—電壓變換部分</p><p> 電流—電壓變換部分原理說明:采用如上電路,Au極輸入微安級電流,通過調整滑動變阻器P4,可使電路變換可將0——5uA電流信號變換為0——2V的電壓信號。
76、DOVout計算公式如下:。這里,為從Au極輸入的微安級電流。 CA3140高輸入阻抗運算放大器,是美圜無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS運算放大器在一片集成芯片上,它結合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點.(互補對稱金屬氧化物半導體)卓越性能的運放. 雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。電源電壓±2~±18V。開環(huán)電壓100dB。輸入偏置電流5pA。轉換速率9V。輸出電壓13V.</p>
77、<p> 在CA3140的1和5管腳之間接一個10K的電阻,且電位計的游標要回接到4管腳,這樣的目的是是為了使輸入的偏置電壓為零。</p><p><b> ?。?)溫度檢測電路</b></p><p> 溫度檢測電路原理說明:(先文字,后圖)采用如上橋式測量電路,Rx21與Rx22之間接負溫度系數(shù)的熱敏電阻,熱敏電阻的變化范圍21kΩ——大約60k
78、Ω(48℃--0℃,對不同的容氧電極熱敏電阻阻值可能稍有差別),通過調節(jié)P3和P4可以將電阻變換為0——2.0V的輸出電壓。計算公式如下: </p><p><b> 。</b></p><p> 其中,為TL084管腳10,12的輸入電壓,為可變電阻器P4的下半部分電阻值(口語化)。</p><p> (3)總體PCB圖(
79、不需要)</p><p> 2.3 指令執(zhí)行模塊</p><p> 由PLC給出的控制信號是直流24v的,不能直接驅動外圍設備,對于控制要求不高的設備(排水泵、補水泵等)可以通過24v繼電器進行電壓轉換而實現(xiàn)對目標設備的控制,繼電器采用歐姆龍的LY4NJ 24V DC,該型號繼電器無內置浪涌抑制器規(guī)格(無內置二極管或內置CR元件)。LY4NJ是4常開4常閉的繼電器。把PLC的開關信號接
80、到LY4NJ的線圈上,這樣就可以利用繼電器的常開、常閉接點控制負載。LY4NJ接線:13、14是線圈(直流的14+,13-)1、2、3、4分別是9、10、11、12的常閉觸電,5、6、7、8是9、10、11、12的常開觸電,單個觸點的電流容量為3A。</p><p> 對于增氧泵,綜合考慮節(jié)能及控制要求,采用變頻控制。變頻器采用博世力士樂公司的CVF-G2-4T 0022C型變頻器(CVF表示的是產品代號,G2
81、表示的是通用變頻器,4參數(shù)表示電壓等級是380V,T代表三相電源,0022表示適的電機功率是2.2KW,C參數(shù)表示內置了制動單元)</p><p> 圖 變頻器基本運行接線圖</p><p><b> 2.4 終端控制器</b></p><p> 水質監(jiān)測設備處于野外,環(huán)境惡劣,對于控制器的復雜環(huán)境的適應性能要求高,同時考慮到控制器的穩(wěn)定
82、性、精確度,在這里選用西門子的S7-200PLC(226CPU)作為終端控制器,加配EM235模塊作為模擬量的輸入輸出模塊,TD400C模塊作為現(xiàn)場的顯示、控制設備。</p><p> 2.4.1 西門子S7-200 PLC</p><p> PLC相對于其它控制設備而言:可靠性高,抗干擾能力強,通用性強,控制程序可變,功能強,適應面廣,編程簡單,容易掌握,減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的
83、工作量,體積小、重量輕、功耗低、維護方便,</p><p> 在硬件上主要模塊均采用大規(guī)?;虺笠?guī)模集成電路,大量開關動作由無觸點的電子存儲器完成,I/O系統(tǒng)設計有完善的通道保護和信號調理電路。</p><p> (1) 屏蔽——對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件,采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽,以防外界干擾。</p><p> ?。?)濾波——
84、對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波,如LC或π型濾波網絡,以消除或抑制高頻干擾,也削弱了各種模塊之間的相互影響。</p><p> ?。?)電源調整與保護——對微處理器這個核心部件所需的+5V電源,采用多級濾波,并用集成電壓調整器進行調整,以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。</p><p> ?。?)隔離——在微處理器與I/O電路之間,采用光電隔離措施,有效地隔離I/接口與C
85、PU之間電的聯(lián)系,減少故障和誤動作;各I/O口之間亦彼此隔離。</p><p> (5)采用模塊式結構——這種結構有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障,能迅速更換,使系統(tǒng)恢復正常工作;同時也有助于加快查找故障原因。</p><p> 在軟件上有極強的自檢及保護功能。</p><p> ?。?)故障檢測——軟件定期地檢測外界環(huán)境,如掉電、欠電壓、鋰
86、電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。</p><p> ?。?)信息保護與恢復——當偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時,不破壞PLC內部的信息。一旦故障條件消失,就可恢復正常,繼續(xù)原來的程序工作。所以,PLC在檢測到故障條件時,立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器,軟件配合對存儲器進行封閉,禁止對存儲器的任何操作,以防存儲信息被沖掉。</p><p> ?。?)設置警戒時鐘WDT(看門狗)——如果程序每循環(huán)
87、執(zhí)行時間超過了WDT規(guī)定的時間,預示了程序進入死循環(huán),立即報警。</p><p> (4)加強對程序的檢查和校驗——一旦程序有錯,立即報警,并停止執(zhí)行。</p><p> ?。?)對程序及動態(tài)數(shù)據進行電池后備——停電后,利用后備電池供電,有關狀態(tài)及信息就不會丟失。</p><p> 本系統(tǒng)選用226CPU,它帶有兩個COM口可以滿足同時連接TD400C和GPRS
88、模塊的要求,它本身所攜帶的數(shù)字端口也能滿足系統(tǒng)的輸入輸出要求,具體PLC上的一些功能模塊如圖2.4所示:</p><p> 圖2.4 PLC本體功能說明</p><p> 2.4.2 TD400C和EM235模塊</p><p><b> (1)TD400C</b></p><p> 為了便于現(xiàn)場的操作與監(jiān)控采用
89、TD400C文本顯示設備,TD400C 是一個 2 行(大字體)或 4 行(小字體)的文本顯示設備,可以與 S7-200 CPU 連接。 TD400C 為背光液晶顯示(LCD),分辨率為 192×64。 TD400C 通過 TD/CPU 電纜從 S7-200
90、CPU 獲得供電,或者也可由單獨電源供電。TD400C 可以用來實現(xiàn)以下任務:</p><p><b> 常規(guī)功能</b></p><p><b> ? 顯示報警 </b></p><p> ? 允許調整指定的程序變量 </p><p&g
91、t; ? 允許強制/取消強制輸入/輸出點 </p><p> ? 允許為具有實時時鐘的 CPU 設置時間和日期 </p><p> ? 查看層級用戶菜單及屏幕,以便于和應用程序或過程進行交互 </p><p> ? 查看 CPU 狀態(tài)
92、160;</p><p> 用于和 S7-200 CPU 進行交互的其它功能 </p><p> ? 可以改變 S7-200 CPU 的操作模式(運行或停止) </p><p> ? 可以將 S7-200 CPU 中的用戶程序加載到
93、內存盒中 </p><p> ? 可以對存儲在 S7-200 CPU 存儲區(qū)中的數(shù)據進行訪問和編輯</p><p> (2) EM235模塊</p><p> PLC(226CPU)本身不帶有模擬量I/O口,水質監(jiān)控中用到的模擬量需通過接口模塊EM235實現(xiàn)。EM235帶有4輸入1輸出,常用的技術參數(shù)如表2.1
94、所示:</p><p> 表1 EM235技術參數(shù)</p><p> 模擬量輸入模塊使用前應進行輸入校準。其實出廠前已經進行了輸入校準,如果OFFSET和GAIN電位器已被重新調整,需要重新進行輸入校準。其步驟如下:</p><p> 切斷模塊電源,選擇需要的輸入范圍。</p><p> 接通CPU和模塊電源,使模塊穩(wěn)定15分鐘。&l
95、t;/p><p> 用一個變送器,一個電壓源或一個電流源,將零值信號加到一個輸入端。</p><p> 讀取適當?shù)妮斎胪ǖ涝贑PU中的測量值。</p><p> 調節(jié)OFFSET(偏置)電位計,直到讀數(shù)為零,或所需要的數(shù)字數(shù)據值。</p><p> 將一個滿刻度值信號接到輸入端子中的一個,讀出送到CPU的值。</p><
96、;p> 調節(jié)GAIN(增益)電位計,直到讀數(shù)為32000或所需要的數(shù)字數(shù)據值。</p><p> 必要時,重復偏置和增益校準過程。</p><p> EM235帶有6個撥碼開關,在系統(tǒng)中選用單極性0-5v輸入,±10v輸出,撥碼開關的設置如表2.2所示:</p><p> 表2.2 撥碼開關設置</p><p> E
97、M235模擬量擴展模塊接線圖如圖1所示,模擬量擴展模塊的接線方法,對于電壓信號,按正、負極直接接入X+和X-;對于電流信號,將RX和X+短接后接入電流輸入信號的“+”端;未連接傳感器的通道要將X+和X-短接。</p><p> 對于某一模塊,只能將輸入端同時設置為一種量程和格式,即相同的輸入量程和分辨率。</p><p><b> 圖1</b></p>
98、<p> 2.5 服務器的選型及其相關配置</p><p> 本系統(tǒng)配置的服務器用于對不同終端控制器的監(jiān)控,數(shù)據的采集、存儲,為遠程控制設備提供服務、支持。本系統(tǒng)中涉及的參量為數(shù)據、控制命令,整體的數(shù)據量不大考慮到系統(tǒng)的成本(不用說),選用ARM-LINUX作為服務器,加上相應的網路模塊、串口、Jtag口來實現(xiàn)以最小系統(tǒng)來滿足系統(tǒng)服務器的要求,服務器的主要結構如圖2.5所示:</p>
99、<p> 圖2.5 服務器主要結構</p><p> 2.5.1 嵌入式系統(tǒng)的CPU</p><p> 由水質監(jiān)測服務器的需求分析可以知道,在系統(tǒng)工作的過程中需要進行高速的數(shù)學運算及算法處理,這對微處理器的主頻有較高的要求,可以實現(xiàn)的高速計算。同時,還要有方便的人機交互接口與可操作界面,這就要求CPU可以實現(xiàn)移植嵌入式操作系統(tǒng),同時要實時性強,擁數(shù)據總線要盡可能的寬,可
100、以掛載較大容量的可存儲設備,還要滿足集成度高,精便、在能耗及性價比等方面有較大的優(yōu)勢。綜合這些考慮。本設計利用了三星公司的S3C2440芯片作為水質監(jiān)測系統(tǒng)服務器的微處理器,S3C2440有七種工作模式,分別如表2.3所示:</p><p> 表2.3 S3C2410ARM(S3C2440)處理器的7種工作模式(表2.3應在表上方)</p><p> S3C2440是三星出的一款16/
101、32位RISC處理器,主頻為532MHz,基于ARM920T內核的微處理器,獨立的16KB指令cache和16KB數(shù)據cache,MMU虛擬內存管理單元,使程序運行和數(shù)據存儲更加高效,并可以支持Windows CE,Linux和ucOS-Ⅱ等多種業(yè)內主流的操作系統(tǒng)。它的功耗低、精簡和出色的全靜態(tài)設計特別適合于低成本和功耗敏感的應用。同時他還采用了一種叫作Advanced Microcontroller Bus Architecture(
102、AMBA)的新型總線結構。S3C2440集成了下面的片上外設:</p><p> ●1.2V內核供電, 1.8V/2.5V/3.3V儲存器供電, 3.3V外部I/O供電,具備 </p><p> 16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據緩存和MMU的微處理器</p><p> ●外部存儲控制器(SDRAM控制和片選邏輯)</p>
103、<p> ●LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)提供1通道LCD專用</p><p> ●4通道DMA并有外部請求引腳</p><p> ●3通道UART(IrDA1.0, 64字節(jié)發(fā)送FIFO和64字節(jié)接收FIFO)</p><p><b> ●2通道SPI</b></p><
104、;p> ●1通道IIC總線接口(支持多主機)</p><p> ●1通道IIS總線音頻編碼器接口</p><p> ●AC’97編解碼器接口</p><p> ●兼容SD主接口協(xié)議1.0版和MMC卡協(xié)議2.11兼容版</p><p> ●2通道USB主機/1通道USB設備(1.1版)</p><p>
105、 ●4 通道PWM定時器和1通道內部定時器/看門狗定時器</p><p> ●8通道10位ADC和觸摸屏接口</p><p> ●具有日歷功能的RTC</p><p> ●攝像頭接口(最大支持4096×4096像素輸入;2048×2048像素輸入支持縮放)</p><p> ●130個通用I/O口和24通
106、道外部中斷源</p><p> ●具有普通,慢速,空閑和掉電模式</p><p> ●具有PLL片上時鐘發(fā)生器</p><p> 2.5.2嵌入式以太網接口電路</p><p> 在嵌入式服務器的構建中,以太網芯片是核心,在系統(tǒng)中選用DM9000A作為以太網芯片。DM9000A以太網芯片是Davicom公司生產的一款功能強大的以太網控
107、制器,同時該控制器集成度高完全符合成本效益,其有一個10/100M的自適應PHY與4K DWORD值的SRAM 。此外,DM9000A控制器還提供了與介質無關的接口,用來連接所有提供支持相應的與介質無關接口功能的家用電話線網絡設備或者其他的收發(fā)器。 該控制器支持8位,16位的接口來訪問內部的存儲器設備,從而支持不同模型的處理器。DM9000A的物理層接口可以支持用戶使用100MBps下的5類非屏蔽雙絞線與10 MBps下的3類,4類及5
108、類非屏蔽雙絞線,這完全合乎IEEE802.3u的規(guī)格要求。此外,它具有自動協(xié)調的功能,可以自動地完成配置,從而最大限度地滿足線路的帶寬要求。同時,其還支持IEEE802.3x形式的全雙工的流量控制。這是一個是非常簡單易操作的過程,因此,用戶在移植系統(tǒng)下的端口驅動程序時非常簡易方便。</p><p> DM9000A的技術特點</p><p> ?、?支持與介質無關的接口、支持4K雙字SR
109、AM</p><p> ?、?完全支持處理器讀寫內部存儲器時的數(shù)據操作命令可以以字節(jié)/字/雙字的長度進行 </p><p> ?、?IEEE802.3x流量控制的全雙工模式</p><p> ?、?支持背壓模式半雙工流量控制模式 </p><p> ?、?支持自動加載EEPROM里面生產商的ID和產品ID</p><
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