在线水质监测系统的设计 - 图文 

第四章水质监测系统软件设计利用数学方法去掉原始数据中夹杂的噪声数据，获得最接近真实数据的数据集合，需要使用一种有效的滤波算法。常用的滤波算法中，限幅滤波只能排除大的极值干扰，滤波效果比较粗糙；中值滤波能避开偶然的干扰，对周期较长的干扰信号滤波效果较差，算术平均滤波对极值干扰有一定的过滤作用，但消除不完全，移动滤波对幅值较小的干扰有很好的滤波效果，但对幅值较大的干扰会产生滞后偏差，加权滤波对平滑性和灵敏性的效果不理想，而且运算量大，影响运行速度。针对精度和可靠性问题，采用限幅滤波、算数平均滤波、加权滤波相结合的综合数字滤波处理方法，其步骤如下：１．限幅滤波，连续采样１４次，得采样数据置（净１，２，…，１０），对置进行排序，去掉２个最大值，２个最小值，得到中间１０个数据；２．算术平均滤波，对这ｌＯ个数据进行算术平均运算，得到以；１Ｎ以＝寺∑置（４．１）』’ｔ＝ｌ３．加权滤波，把以放入一窗口，窗口中数用咒表示，对所得的数据根据控制对象，选择适当的加权因子ａ，实行加权均值滤波，其数学表达式为：Ｅ：１＿１∑Ｌ乃ｑ（４．２）∑ａｉ信１其中，Ｎ为连续采样的次数，Ｌ为窗口的数据长度，ａｉ为加权因子。４。２．４数据运算处理通过光电传感器采集过来的信号是电压信号，而不是水质溶液浓度。这需要把测得的电压值转换成相应的样品浓度值，则在实验的基础上建立数学模型，由朗伯比尔定律及第二章分析可以得出，样品浓度与电压是线性关系，它们之间的关系如公式（４．３）和公式（４．４）所示。Ｃ：—ｌｇＵｏ－—ＩｇＵｔ（４．３）射Ｃ＝ａＵ＋ｂ（４．４）４１广东Ｚ－业大学硕士学位论文这里ａ、ｂ是待定常数，需要通过实验获得，Ｕ是测得的光电传感器输出电压，Ｃ是样品浓度，根据第二章模型求解过程可以计算出相应的样品浓度值。采用回归方程对其非线性进行拟合处理步骤如下：１．运用曲线拟合技术对待测电压值进行修正，消除测量水质溶液浓度的影响。２．系统根据试验数据，采用数理统计分析的最小二乘法建立起电压与溶液浓度的线性回归方程。３．有了相关方程，根据采集电压值就可以得到水质溶液浓度。当一定光强照射样品溶液时，通过数据采集程序可以得到所需电压值Ｕ，利用程序中预设的上述标准曲线方程，可以求出待测水质溶液的浓度值Ｃ。具体测量水质溶液浓度的过程如下：先输入清水作为标准溶液将其复位，同时测量电压砜，然后加入水质样品溶液测其Ｕ，计算其浓度值：Ｃ＝ａ以＋ｂ，其中ａ、ｂ为常数，其流程图如图４—５所示。（开始：≮通道选择士测量清水电压％◆测量样品溶液电压Ｕ上计算样品浓度Ｃ＝ｋＵ，＋６，上Ｙ数据存储、显示◆（结束）图４．５数据运算处理流程Ｆｉｇ．４—５ＦｌｏｗＤｉａｇｒａｍｏｆＤａｔａＰｒｏｃｅｓｓ４．２．５ＥＥＰＲＯＭ数据存取软件设计在测控系统中，参数的设置以及一些重要的数据需要存储在ＥＥＰＲＯＭ中。其读写４２第四章水质监测系统软件设计程序如下。ｖｏｉｄｅｅｐｒｏｍ＿ｗｒｉｔｅ（ｕｉｎｔｕｉａｄｄｒｅｓｓ，ｕｃｈａｒｕｃｄａｔａ）｛ｗｈｉｌｅ（ＥＥＣＲ＆（１＜＜ＥＥＷＥ））；／／等待前面的写完成ＥＥＡＲ＝ｕｉａｄｄｒｅｓｓ；ＥＥＤＲ＝ｕｃｄａｔａ；／／设置地址和数据寄存器ＥＥＣＲＩ＝（１＜＜（ＥＥＭＷＥ））；ＥＥＣＲＩ＝（１＜＜ＥＥＷＥ）；）ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ／／置位ＥＥＭＷＥ－主机写使能／／启动写操作ｅｅｐｒｏｍ＿ｒｅａｄ（ｕｉｎｔｕｉａｄｄｒｅｓｓ）｛ｗｈｉｌｅ（ＥＥＣＲ＆（１＜＜ＥＥＷＥ））；／／等待前面的写完成ＥＥＡＲ＝ｕｉａｄｄｒｅｓｓ；／／设置地址／／置位ＥＥＲＥ：启动读操作／／从数据寄存器返回数据ＥＥＣＲ｛＝（１＜＜ＥＥＲＥ）；ｒｅｔｕｒｎＥＥＤＲ；＞４．２．６ＬＣＤ显示和按键软件设计ＬＣＤ液晶显示模块主要用来显示当前的测量结果或人机交互界面，采用ＬＣＤ显示屏一ＴＧｌ２８６４Ｅ点阵的液晶屏，可显示１６×１６点阵的汉字４行８列；按键程序图４—６ＬＣＤ显示程序流程Ｆｉｇ．４－６Ｆ１０ｗＤｉａｇｒａｍｏｆＬＣＤＤｉｓｐｌａｙ４３广东工业大学硕士学位论文软件采用中断和查询相结合的方法，如果有键按下，就产生中断信号，进入中断程序，然后查询哪些键按下，进入相应的功能函数，采用延时去抖动以防误操作。其ＬＣＤ显示程序流程如图４．６所示。４．２．７ＣＡＮ通信模块ＣＡＮ总线基本通信程序主要完成对ＣＡＮ控制器的管理与操作，实现数据格式的转换、数据的收发和ＣＡＮ通信的错误处理等工作。包括ＣＡＮ控制器初始化程序、发送子程序、接收子程序等。１．ＣＡＮ控制器初始化程序在软件编写之前需要先确定ＭＣＰ２５１０的基地址及复位引脚，然后正确的初始化ＭＣＰ２５１０。初始化主要包括工作模式的设置，接收滤波方式的设置，接收屏蔽寄存器（ＡＭＲ）和接收代码寄存器（ＡＣＲ）的设置，波特率参数设置和中断允许寄存器的设置。等在完成ＭＣＰ２５１０的初始化设置后，就可以回到正常工作模式，进行正常的通信任务。ＭＣＰ２５１０的初始化过程如图４．７所示。２．发送子程序开始设置ＭＣＰ２５１０］［作模式设置总线位定时设置寄存器设置ｌＩＣＰ２５１０工作在正常模式图４－７ＩＣＰ２５１０初始化流程图４－８ＩＣＰ２５１０发送数据流程Ｆｉｇ．４－７Ｆ１嗍ＤｉａｇｒａｍｏｆｌＩＣＰ２５１０Ｆｉｇ．４－８ＳｅｎｄｉｎｇＤａｔａＦ１ｏ孵Ｄｉａｇｒａｍｏｆ１１ＣＰ２５１０Ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ发送子程序负责节点报文的发送，发送时用户只需要将待发送数据按特定格式组合成一帧报文，送入ＭＣＰ２５１０发送缓冲区中，然后启动ＭＣＰ２５１０发送即可。发送子程序流程图如图４．８所示。第四章水质监测系统软件设计３．接收子程序接收子程序负责节点报文的接收以及其他情况的处理。ＭＣＰ２５１０就收主要有两种方式：中断接收方式和查询就收方式。本系统对于实时性要求较强，所以采用中断接收方式。当用户发送请求时，嵌入式ｗｅｂ服务器便调用相应的ＣＧＩ程序通过ＣＡＮ总线向底层监测节点以报文的形式发送相关命令，ＣＡＮ接收到一个报文后，其中断使能标志置ｌ，产生接收中断，监测节点便立即响应，进入接收中断服务程序，然后系统再根据ｗｅｂ服务器的具体命令，向服务器传送该节点工作状态或采集数据。４．３嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统软件平台构建与设计４．３．１交叉编译环境的建立绝大多数Ｌｉｎｕｘ软件开发都是以ｎａｔｉｖｅ方式进行的，即本机（ＨＯＳＴ）开发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发，由于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机（即板子上系统）运行开发工具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式。交叉编译调试环境建立在宿主机（即一台ＰＣ机）上，对应的开发板叫做目标板【５０】。运行Ｌｉｎｕｘ的ＰＣ（宿主机）开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码（这种可执行代码并不能在宿主机上执行一而只能在目标板上执行），然后把可执行文件下载到目标机上运行它们。调试时的方法很多，可以使用串口，以太网口等，具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器提供的支持做出选择。宿主机和目标板的处理器一般不相同，ＧＮＵ编译器提供这样的功能，在编译器编译时可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开发环境。所以在进行嵌入式开发前第一步的工作就是要安装一台装有指定操作系统的ＰＣ机作宿主开发机，对于嵌入式Ｌｉｎｕｘ，宿主机上的操作系统一般要求为ＲｅｄｈａｔＬｉｎｕｘ。嵌入式开发通常要求宿主机配置有网络，支持ＮＦＳ（为交叉开发时ｍｏｕｎｔ所用）。然后要在宿主机上建立交叉编译调试的开发环境。在本次开发的系统上运行嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统的步骤如下。１．建立嵌入式Ｌｉｎｕｘ交叉开发环境首先新建一个目录：ｍｋｄｉｒ／ｕｓｒ／ｌｏｃａｌ／ａｒｍ／；４５