水文遥测终端机的设计和实现

杨 峰

(河南省水文水资源局，河南 郑州 450003)

0 引言

随着防汛指挥系统、山洪灾害预报预警系统以及中小河流水文监测项目的实施，水文自动测报系统得以迅速发展。该系统实现了水文数据的自动采集、自动传输、自动处理，大大提高了数据时效和应用水平。遥测终端机在水文自动测报系统中起关键作用，其不仅接收处理传感器雨量、水位等信息，还承担向遥测中心站的信息发送任务。本文综合考虑水文自动测报系统发展趋势和嵌入式系统的广泛应用，克服目前设备线路设计复杂、片选繁多、功耗大、稳定性差等缺点，将基于ARM7的32位微处理器S3C44B0X和实时操作系统μC/OS-Ⅱ相结合，分别采用GPRS和全球移动通信系统(global system of mobile communication，GSM)作为主通道和备用信道，设计开发了新的遥测终端机。

1 遥测终端机的硬件结构

系统的硬件平台主要由微处理器单元、存储器单元、GPRS单元、外部传感器单元、串口通信单元、JTAG接口、USB接口以及LCD显示等部分组成，系统整体结构框图如图1所示。

图1 遥测终端机整体结构图Fig.1 Overall structure of the telemetry terminal

1.1 S3C44B0X及外围设备

根据系统需要，选择的外围芯片如表1所示。

表1 系统外围芯片Tab.1 The peripheral chips of the system

S3C44B0X具有以下特点:最高运行频率为66 MHz，内核电压为2.5 V，支持多种低功耗模式，并带有8 kB的Cache/SRAM;地址空间被分为8个Bank，每个Bank最大32 MB，共256 MB;丰富的外围功能包括存储器控制器、中断控制器和8个外部中断源、LCD控制器、2通道 UART(通用异步收发器)、2通道DMA、IIC、IIS(集成音频接口)、5通道定时器、1 通道内部定时器、PLL(锁相环)、看门狗、71个通用I/O以及带日历功能的实时钟等。

1.2 GPRS 通信模块

GPRS采用分组交换，资源共享;按流量收费，接入时间短;覆盖范围遍布城乡，信号质量好;传输速率较高，理论上可以达到171.2 kbit/s，且传输时延小、系统性能稳定［1］，能够较好地满足水文自动测报系统建设的要求。GPRS通信模块是遥测终端机的重要成分，负责将雨水情况及设备信息发送给中心站，并接收来自中心站的指令信息。

系统选用西门子公司生产的MC39i作为GPRS通信模块。MC39i主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和40脚ZIF插座组成［2］。

通信过程中，只需将GPRS模块与S3C44B0X微处理器接收引脚(RX)和发送引脚(TX)交叉互连即可，通过串口进行连接。

1.3 外部传感器模块

采集雨量信息、水位信息的设备采用目前比较成熟的反斗式雨量计和浮子式水位计，还可以加入墒情传感器、地下水传感器等。

1.4 系统接口和以太网连接

S3C44B0X接口设计主要包括RS-232串口、RS-485接口、USB接口和CAN总线接口。

S3C44B0X的UART单元提供了两个独立的异步串行I/O口。RS-232接口利用S3C44B0X的UART0实现，使用MAX235实现电平隔离和转换;RS-485接口使用S3C44B0X的UART1实现，外接MAX485，完成TTL电平与RS-485电平的转换和数据收发［3］。由于S3C44B0X中没有集成CAN控制器，因此，需要外接CAN控制器才能实现CAN通信［4］。

S3C44B0X微处理器没有USB接口，需要通过设备端接口芯片(Philips公司 PDISUBD12)扩展一个USB的设备接口。

由于S3C44B0X只有两个串口，因此需要选用设备(Ti公司TLl6C554)设计电路扩充串口。

以太网在本系统中作为可选通信方式。以太网接口电路是为了满足采用有线方式上网的需求，通过瑞昱公司RTL8019AS来实现。

1.5 人机接口模块设计

S3C44B0X芯片提供了LCD控制器，因此只要把LCD接口相关管脚与CPU相应管脚连接即可。S3C44B0X的内部LCD控制器支持多种LCD屏，具体LCD类型可通过特殊功能寄存器进行配置。

为了实现友好的人机交互功能，控制器中设计了键盘电路。该电路共有10个数字键、26个字母键、4个方向键和1个确定键。这41个按键结合屏幕显示，实现设置参数、功能选择、人工置数等各种人机交互操作。

1.6 电源系统

遥测站多位于偏远地区，市电多为农用电网，供电质量差。为避免雷电通过农用电网进入测站设备，供电以太阳能电池浮充、蓄电池供电为主。太阳能电池24 W、蓄电池12 V/36 Ah。

遥测终端机电源电路需2.5 V/3.3 V电压，系统设置了稳压调压电路。

此外，在抗干扰方面使用了滤波器、光电隔离、去耦电路等技术，设计了相应电路。

2 软件系统设计

μC/OS-II是一个可裁减、源代码开放、结构小巧、可抢占式的实时多任务内核［5］。μC/OS-II超强的实时性能是本文选用它作为水文遥测终端操作系统的主要原因。

2.1 μC/OS-II在S3C44B0X上的移植

μC/OS-II代码分为与处理器无关的代码、与应用相关的代码、与处理器相关的代码 3个部分［6］。μC/OS-II的软硬件系统结构如图2所示。

图2 μC/OS-II软硬件系统结构Fig.2 Structure of hardware and software μC/OS-Ⅱ system

与处理器无关代码和与应用相关代码(经相关修改)都移入处理器。

2.2 启动代码的编写

对于嵌入式设备来说，都需要编写一个启动程序Bootloader，完成整个系统的加载启动任务。Bootloader启动流程如图3所示。

图3 Bootloader启动流程图Fig.3 Bootloader start flowchart

2.3 驱动程序编写

对于键盘、串口、USB等外围设备，需编写相应设备的驱动程序，主要包括设备初始化、数据在设备和微处理器间的输入输出、数据在应用程序和设备间的输入输出、发现处理设备出现的异常情况等。μC/OS-II没有统一的设备驱动接口，需要程序开发者编写对硬件操作的特定程序即设备驱动程序，开发应用程序使用设备时调用这些程序即可。本系统编写了键盘、LCD、串口等驱动程序。

2.4 多任务遥测系统的软件设计

按照功能要求，确定初始化、雨水情信息采集、雨水情信息发送、响应中心站控制命令、远程管理这5部分工作任务。

①初始化任务

初始化任务是指初始化遥测站全部设备和模块，其优先级定义为5。

②雨水情信息采集任务

雨水情信息采集任务用以完成水位、雨量的自动采集，实现当前LCD液晶显示，并把采集数据按要求放入Flash保存。判断是否符合发报条件，符合则发送信号量通知雨水情信息发送任务。发报条件设为定时自报(雨量10 min、水位1 h)和增量自报(如雨量增加3 mm或水位涨落3 cm便发报一次)、限时自报等。程序根据要求做了精准的设计。该任务优先级确定为10。

③雨水情信息发送任务

雨水情信息发送任务是通过GPRS通信模块完成雨量信息报文、水位信息报文的发送。采用事件触发机制，触发条件和雨量信息采集任务中的发报条件相同，每次发送报文都把蓄电池当前电压编入报文一起发送。该任务优先级确定为15。

④响应中心站控制命令任务

响应中心站控制命令任务完成中心站指令接收并对中心站的具体指令进行处理。如果要进行时钟同步，将系统时间根据同步命令要求的时间进行修改;如果接收的是参数设置任务，则传送信号量通知远程管理任务进行处理;如果是召测查询，则传送信号量通知雨水情信息发送任务，根据召测条件编报发送信息。该任务优先级确定为8。

⑤远程管理任务

远程管理任务完成各种参数(定时时间、增量自报的增量数值等)的修改，也可以提取相连设备的要素值发送中心站。该任务优先级确定为6。

μC/OS-II实现任务之间通信的方法有信号量、邮箱和消息队列。本系统采用了具有互斥的信号量队列进行通信，完成任务间的通信。

3 结束语

本文设计实现了以功能强大的微处理器S3C44B0X作为硬件核心的遥测终端机，并加快了运行速度。硬件设计灵活简单，电路板体积小，大大简化了外围电路，并降低了终端机功耗;以驱动程序屏蔽硬件细节，增强了设备的扩展能力;使用μC/OS-II操作系统开发软件，使设备具有良好的实时性。此外，设计还充分考虑了降低功耗和抗干扰能力，增强了设备可靠性和稳定性，提高了水文自动测报系统的性能。该遥测终端可广泛应用于水文水利、城市防洪、给排水、环境与气象监测等领域。

［1］ Ghribi B，Logrippo L.Understanding GPRS:the GSM packet radio service［J］.Computer Networks，2001，34(5):763 － 779.

［2］ Siemens Ltd.MC39i.Siemens Cellular Engine MC39i Hardware Interface Description Version:01.02［S］.Germany:Siemens AG，2003.

［3］谢小云.多通信接口接入互联网的嵌入式网关设计［J］.微计算机信息，2007(23):40 －42.

［4］朱贤德.基于S3C44B0X的嵌入式系统CAN总线接口的实现［J］.现代制造工程，2007(8):9－12.

［5］ Halang W A.Measuring the performance of real-time system［J］.Internal Journal of Time-critical Computing Systems，2000，18(1):59－68.

［6］Labrosse J J.μC/OS2II源码公开的实时嵌入式操作系统［M］.邵贝贝，译.北京:中国电力出版社，2001.