基于ARM-Linux与超声波技术的多功能监测系统设计

李 鹏，李郁侠，任丽丽，张 斌

（1.西安理工大学水利水电学院，西安 710048;2.黄河水电公司工程建设分公司，青海贵德 811700）

基于ARM-Linux与超声波技术的多功能监测系统设计

李 鹏1，李郁侠1，任丽丽1，张 斌2

（1.西安理工大学水利水电学院，西安 710048;2.黄河水电公司工程建设分公司，青海贵德 811700）

0 引言

本系统采用嵌入式与超声波技术，实现了温度和液位的非接触式测量、数据处理和在彩色触摸屏上的动态显示。为水电站的多路液位监测、电站锅炉炉内二维温度场和机器人自主导航[1]等需要非接触式多路、多种数据监测的复杂工况的实现，提出了更好的解决方案。

1 系统结构设计

系统主要由超声波数据采集模块、单片机模块[2]、嵌入式ARM模块[3-4]、液晶触摸显示屏4部分组成。系统结构见图1。

图1 系统结构图

超声波数据采集模块可通过多种安装方式采集超声飞渡时间数据，为多种用途的监测提供基本数据。

嵌入式ARM模块发送某通道的采集命令至单片机模块，前端单片机执行此通道采集命令，并且将采集到的超声波飞渡时间数据通过RS232串行通讯[5]发送回嵌入式ARM模块。嵌入式ARM模块根据测温、测距算法对飞渡时间数据进行处理，在液晶触摸屏上动态显示最终结果。

2 系统硬件选型与设计

2.1 超声波数据采集模块

本文选用压电陶瓷超声波传感器，此传感器两个一组，分别为发送端与接收端，工作电压是40kHz的脉冲信号。

前端采集电路分为发送端电路与接收端电路。发送电路由两级放大电路驱动超声波传感器发送超声波，接收电路完成接收发送端发出的超声波，并通过信号调理电路将其转化为阶跃信号返回给单片机。前端超声波采集模块通过不同的安装方式，可以实现不同的监测用途。下文列举出两种监测方案进行详细示例。

2.1.1 多路液位监测

在油库、化工厂、水电厂等工作环境中，多路液位数据采集是控制环节中必不可少的一环。受监测条件的限制，在多泥沙、腐蚀性、易燃易爆和高温等恶劣环境下，非接触式液位采集显得尤为必要。

当监测环境受限时，可在待监测液位上方安装一组超声波发送、接收模块。发送部分发送的超声波在液面上反射后由接收部分接收，从而采集回其中的飞渡时间，通过嵌入式ARM模块后期处理得出当前液位。其原理依据如下。

式中，s为超声波传感器和液位间的距离；Δt为超声波飞渡时间；v为超声波的传播速度，在0℃时，其速度为331.4m/s。

根据声速与温度的关系，气体温度每升高1℃，声速约增加0.61m/s。如液位检测精度要求较高时，可增加温度监测模块，测出当前环境温度，进行温度补偿。

2.1.2 多通道温度监测

在火电厂锅炉内和对温度要求较高的精密仪器制造车间等二维温度场重建系统中，传统的接触式点温度采集已难以满足要求，用非接触式的线温度采集数据后重建二维温度场是比较理想的解决方案。具体安装方式见图2。

在炉壁或车间墙壁上安装8组数据采集模块[6]，其中每组采集模块均含有超声波收发电路。轮询这八组采集模块，可采集出24条超声飞渡线路中的超声飞越时间数据。

二维温度场的重建算法基于图中的24条超声飞渡线路中的超声飞越时间，通过最小二乘法等算法[7]重建温度场。

2.2 嵌入式ARM模块

嵌入式ARM处理器较之单片机来讲，扩展能力强，运算速度更快，显示界面更友好；较之传统PC机来讲，能耗小，平均无故障时间（MTBF）长，成本更低，是取代工控PC机的理想平台。本文采用Samsung公司的S3C2440A-40(ARM920T)微处理器为控制核心，配合嵌入式Linux系统，能够更容易地扩展接口和网络，进行二次开发，更符合工业控制分布式处理的思想，适应日渐复杂的控制环境。

2.3 单片机模块

ARM板在运行嵌入式Linux系统后，系统响应精度仅有1ms左右，这与超声波数据采集模块所需要的μs级响应精度相去甚远。故不直接用ARM板采集，而加入单片机作为数据采集专用MCU(Micro Controller Unit)微控制单元。如此一来，既保证了嵌入式Linux系统的种种优点，同时也保证了数据采集的精度，实现系统的模块化，各模块间只需交换少量数据且互不干扰，体现了模块化设计的优点，有效减小了开发难度。

ATMEL89S52单片机有3个定时器，在晶振是12MHz的情况下采集精度能达到1μs，并且有ISP功能，所以最终选定ATMEL89S52作为前端单片机。

3 系统软件设计

为保证系统高效可靠地工作，同时具有良好的扩展性和可移植性，软件设计遵循模块化编写的原则，软件设计按其功能分为采集软件模块、主控软件模块和显示软件模块。模块间各自独立，仅通过简单的状态标志位建立逻辑上的联系。

数据采集软件模块为单片机的软件编写，其主要任务是实时采集超声波的飞渡时间并通过串行接口将其发送给主控模块处理；主控软件模块包括嵌入式Linux系统的串口编程和数据处理算法编写，其功能为通过串行接口发送采集指令并接收单片机返回数据，然后结合相应算法对数据进行处理；显示软件模块为基于QT/E类库的显示程序编写，生成GUI（Graphical User Interface）即图形用户界面，在向液晶面板输送图像的同时返回触摸板上用户的操作，以切换到不同的操作界面和系统状态。

3.1 单片机软件开发

在本系统中单片机软件的高实时性，是超声飞渡时间测量精度的关键，也是整个系统监测精度的关键。C语言编写容易，但是实时性控制取决于编译器，程序员较难人为控制。51汇编语言没有C语言灵活但在实时响应方面可以精确到1μs，所以笔者选择在Keil环境下用51汇编语言开发单片机程序。程序流程见图3。

3.2 嵌入式ARM软件开发

嵌入式ARM软件开发是本系统设计的一个重点，主要步骤为嵌入式Linux在ARM板上的移植、QT/E程序的开发两个阶段。

3.2.1 嵌入式Linux在ARM板上的移植

首先在PC机上建立交叉编译环境；其次完成Bootload的烧写；然后嵌入式Linux内核进行功能裁剪，裁剪完成后，将定制的嵌入式Linux烧写入开发板；最后完成根文件系统的建立。在上述工作完成后，ARM板即可运行嵌入式Linux系统[8]。

图3 单片机程序流程图

图4 QT/E类库与系统关系结构图

3.2.2 QT/E程序开发

QT是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，其与操作系统的关系见图4，QT/E全称为QT/Embedded，它是专门为嵌入式系统设计图形用户界面的工具包，它可以满足嵌入式人机界面开发要求。

嵌入式用户程序的开发方式为宿主机-目标板开发模式，一般分为在宿主机创建交叉编译环境，目标板软件开发和移植程序到目标板上三步。

目标板软件开发需要在宿主机上安装交叉编译环境，并将QT/E类库编译为ARM端运行的库文件。随后在宿主机上安装编译QT类库和QT开发工具QT Designer，在QT Designer中设计GUI界面后，编写程序代码，最后将程序代码编译为目标板可运行的二进制文件烧写入ARM板中。图5为ARM用户程序流程图。

图5 QT/E应用程序流程图

4 实验结果

图6为水电站多路液位/罐群液位监测系统中1～4路液位数据监测界面。

图6 罐群液位监测系统截图

5 结论

本系统结构框架简单，功能强大，精度高，适应性强，可以实现对多种参数的检测。与传统的参数检测仪相比，可以采集的参数种类多，人机交互界面更友好，显示内容丰富，信息量大，通讯扩展方便。

单片机与嵌入式ARM处理器组成的数据采集系统既保证了数据采集的实时性，又确保了系统的易扩展性和友好的人机界面。此系统能耗低，成本小，无故障运行时间长，适应性强，拓展方便，易于二次开发，能够在水电站等多种复杂工况下对多种数据进行实时监测。

综上所述，基于ARM-Linux与超声波技术的多功能监测系统将在水电厂和机器人等控制环境中有较好的应用前景。

[1]毛琛琳，张功望，刘毅.智能机器人巡检系统在变电站中的应用[J].电网与清洁能源，2009，25（9）：30-32，36.

[2]吴立珍,曾迎生.基于AT89C52单片机多超声信号融合系统设计[J].微计算机信息，2007，22(11-2)：86-88.

[3]李丹,童亦斌,金新民.基于ARM的上位机监控系统软件设计[J].电气应用,2007,26(10)：72-75.

[4]刘存英，张江滨，任丽丽，等.基于ARM的同步发电机励磁控制器[J].电网与清洁能源，2009，25（5）：22-24.

[5]赵兵，刘春明.基于DSP与GPRS的电能质量监测系统[J].电网与清洁能源，2009，25（2）：13-16.

[6]田丰，王福利，许莉，等.基于声波传感器的工业炉内温度分布测量[J].传感器技术，2003，22(2)：32-34.

[7]谢李兵,刘彤,张志，等.基于迭代和插值算法的二维温度场重建[J].中国电机工程学报，2004，24(10)：249-252.

[8]田家林，陈利学，寇向辉.LINUX嵌入式操作系统在ARM上的移植[J].微计算机信息，2007，23(4-2)：60-61.

Design of Multifunctional Monitoring System Based on ARM-Linux and Ultrasonic Technology

LIPeng1,LI Yu-xia1,REN Li-li1，ZHANG Bin2
（1.Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,Shaanxi Province,China;2.Engineering Construction Branch,Huanghe Hydropower Development Co.,Ltd.,Guide 811700，Qinghai Province,China）

This paper introduces a multifunctional monitoring system, which can be used in complexworkingenvironments. This paper includes design of system structure，non- contact data collection by ultrasonic technology，principles of processing technology, technical features of the system, programming of SCM and ARM board and communication with RS232 serial. This paper also presents schematic, program flowcharts and test screenshots.The results showthatcomparedwith other systems, the presented one can work stably, collect various parameters, and provide friendly man- machine interface as well as expended communication. The system has a bright application prospect in hydroelectric plants which requiremulti- monitoringin complex working situations.

embedded system；ultrasound；non-contact；multifunctionalmonitoringsystem

介绍了一种用于多种复杂工况中的多功能监测系统。文中主要包括系统结构的设计，超声波非接触式数据采集、数据处理技术原理，系统的技术特点，单片机和ARM板的程序编写和RS232串行通讯的实现等内容，并给出了原理图、程序流程图和试验截图。实验结果表明，此系统工作稳定，可采集参数种类多，人机交互界面友好，通讯扩展方便，在水电厂等需要多路监测的复杂工况中有着广泛的应用前景。

嵌入式；超声波；非接触式；多功能监测系统

国家火炬计划基金（07C26213711606）。

1674-3814（2010）04-0077-04

TM62

A

2010-03-08。

李 鹏（1983—），男，在读硕士研究生，主要研究领域为水利机组监测与故障诊断；

李郁侠（1953—），男，博士，教授，主要研究领域为电力系统自动化。

（编辑 李 沈）