基于大型嵌入式系统的污水检测系统设计

鞠凤娟

摘 要： 城市污水水质的大范围、精确、自动化的检测系统中，检测的实时性一直是一个亟待解决的问题。设计并实现了一种基于嵌入式技术的污水检测系统。系统采用MCF5307处理器实现污水采集信息的传递、存储以及控制，使用RS 422串口协议实现通信主板与各模块之间的信息传递，通过A/D转换模块将所提系统的模拟信号转换成数字信号，设计一种兼容性较好的通信模块，通过信息处理采集模块完成污水检测和数据采集，配合通信模块实现对污水实时、有效的管理。软件设计过程中，对基于大型嵌入式系统的污水检测过程进行了详细分析，并给出污水检测的程序代码。实验结果表明所提系统具有很高的实时性及实用性。

关键词： 嵌入式系统； 污水检测； 信息处理； 数据采集

中图分类号： TN911.23?34； TP181 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0146?04

当前我国污水检测的主要方法为人工检测，该方法不仅成本高、效率低，而且污水检验缺乏时效性，污染源通常因为时效性无法进行确定，对污水处理、污染管理等工作带来了非常大的困难[1?3]。研究开发可实现大领域远程自动对污水进行检测的系统显得尤为重要和迫切[4?6]。所以，寻求正确的方法对污水实行正确的检测，变成了有关学者解析的热点方向[7?9]。当前存在的智能型污水检测系统多是通过发光菌配合计算机信息处理技术完成，虽然能做到智能检测，但是系统的实时性一直是一个难题，本文设计并实现了一种基于嵌入式技术的污水检测系统，为城市污水的高效控制提供可靠的依据。

1 污水检测系统的总体设计

新一代污水检测系统以嵌入式技术为主，主要是因为嵌入式技术可以做到小型化、高精度。系统的组成包括嵌入式MCF5307处理器、通信模块、A/D转换、信息处理采集模块、LCD显示模块、串口、预留计算机视觉监测模块。系统的结构设计如图1所示。MCF5307处理器是整个系统的大脑，实现污水信息的高效处理。通过使用RS 422串口协议实现主控芯片与各模块之间的信息传递，通过A/D转换模块将所提系统的模拟信号转换成数字信号，通过信息采集模块完成污水检测和数据采集，以上模块相互配合，基本可以实现对污水实时、有效的检测管理。

2 系统的硬件设计

2.1 嵌入式MCF5307处理器的选择与应用

MCF5307处理器结构框图如图2所示。MCF5307处理器是本文系统的核心控制模块，负责污水信息的高效处理。MCF5307是由Motorola生产的32位ColdFire系列处理器，其引入ColdFire V3可变RISC处理核心以及DigitalDNA方法，在90 MHz系统时钟下可达75 Dhrystone 2.1 MIPS，适用于嵌入式控制系统应用设计。其自身具有的I2C兼容总线控制器可有效实现MCF5307与污水信息处理采集模块的信息传递。

2.2 污水信息传递与通信模块

本文系统通过设计通信模块，与RS 422协议相结合，完成系统通信主板和每个模块间的讯息传输过程。其中包括预留网络端口的通信，实现网络通信。通信模块的芯片选择LPC1768，这是因为通信芯片可以向多个传输串口提供信息，也适合采用一种可完成一机对多机的串口协议。而且，通信模块与其他模块之间的信息传递量较大，必须达到较高的实时性，所以应采用一种具有较高传递速度的芯片。系统采用RS 422串口协议。另外，通信模块还可以直接与LCD显示模块完成通信，通信内容可以直接在LCD上显示。通信模块完整的构造示意图如图3所示。

RS 422串行接口同意单机输送，多机接收，一条总线可以衔接10个左右的接收器。也就是一个主设备，若干从设备。主设备可传递信息至全部从设备，但从设备之间无法实现信息传递。RS 422采取4条信号线，实现信息的输送，有完整地传送与接收通道。且RS 422以平衡传送及差分接收为传递模式，具备较强的抗干扰水平，对本文系统起到至关重要的作用，可有效增强检测系统的工作效率以及稳定性。除此之外，通信模块还包括电源、LCD驱动电路等，组成完整的电路结构。其中，电源模块主要负责将输入电压转换为每个芯片允许的电压。LCD驱动电路主要用于驱动液晶显示屏，将打印机的运行状态以及错误报告显示出来。

2.3 A/D转换模块

A/D转换模块主要负责将本文系统的模拟信号转换成数字信号。A/D转换器对经处理后的探测器信号进行采集，该信号的频率和红外光源的调制频率相同，均为10 kHz。为了防止采样过程中信号混叠情况的发生，选择的A/D转换器频率不可少于100 kHz。S3C44B0中集成有8路10位A/D控制器，可采样频率最大只有10 kHz，无法实现本文系统模拟信号的有效转换，所以必须引入更高采样频率的A/D。

综合考虑分辨率、转换效率和模拟输入通道数等，本文系统采用TI公式生产的ADS7852作为A/D转换器。ADS7852是一种高效率的A/D转换器，其采用频率是500 kHz，8通道输入，并行12位输出，自带2.5 V基准电压，转换时间不超过1.75 μs。A/D转换模块总体示意图如图4所示。

ADS7852的基本思想是：首先将CS引脚置为低电平，再对A2，A1以及A0的值进行调整，确定输入通道，将WR引脚置为低电平，开启A/D转换。依据ADS7852的转换以及读写时序完成采集。

2.4 污水信息采集模块

信息处理采集模块如图5所示，改进的系统使用信息处理采集模块达到了污水检测及数据采集。通过安装无线光学细菌发光污染传感器对污水进行实时采集，获取与污水状态相关的信息，再通过MCF5307核心处理器将获取的污水状态信息通过通信模块以太网发送至控制中心，实现对污水实时、有效的管理。

信息处理采集模块以TI DSP C5507为核心，结合ADI公司生产的JPEG 2000压缩芯片ADV?JP2000，完成对污水情况的检测以及数据采集。

3 软件设计

3.1 系统污水处理流程

在对污水检测系统所需执行任务进行分析的基础上，结合嵌入式系统软件设计的特性，对基于大型嵌入式系统的污水检测系统进行设计，软件流程图如图6所示。

对本文设计的基于嵌入式系统的污水检测系统进行通电后，首先对系统设计的各个参数进行初始化设置，然后显示开机画面，对用户是否按键进行确定，若有按键，则对用户的操作进行确定，通过A/D转换器对相应通道的模拟信号进行采集以及模数转换，对获取的数值信号进行操作，将其转换成原始信号，同时显示在LED显示屏中，最后通过串口进行传输；若用户按下CLC键，则说明用户清除LED显示屏中的内容；若用户按下RESET键，说明本文系统出现问题，则重新启动系统。

3.2 系统软件流程代码设计

根据上述软件系统流程图进行代码设计。本文设计的污水检测模块软件，在Windows 2000环境下，采用C++完成，具体的软件程序设计流程如下：

4 实验分析

为了证明改进系统的有效性，需要实行有关的实验解析。对靠近某工厂的一条河流进行污水检测，将得到的数据作为样本数据。本文的系统内部结构如图7所示。

如表1所示是使用本文设计的系统及传统的某大学自制的发光菌污水检测系统（以投入使用）检测污水细菌合格率的结果与真实细菌合格率的比较结果。从表1可以知道，采用改进系统对污水里细菌进行处理，其合格率检验的结果显著高于传统系统，表明了改进系统的正确性。

表2描述的是采用本文系统和传统系统对污水里氰化物的检测结果。从表2可以知道，使用本文系统获取的检测结果都与验证指标相符合，而使用传统系统获取的检测结果只有一项和验证指标相符合，证明了本文系统的有效性。

5 结 论

本文设计并实现了一种基于大型嵌入式系统的污水检测系统。系统采用MCF5307处理器实现污水信息的传递、存储以及控制，采用RS 422串口协议实现通信主板与各模块之间的信息传递，通过A/D转换模块将所提系统的模拟信号转换成数字信号，通过信息处理采集模块完成污水检测和数据采集，达成对污水及时、有效的处理。软件设计进程里，对基于大型嵌入式系统的污水检测系统实行了仔细的解释，并给出污水检测的程序代码，实验结果表明，改进系统相比传统系统具备较高的可行性和实用性。

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