摘 要： 介紹海水有機(jī)磷農(nóng)藥現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。具體討論了由PIC單片機(jī)構(gòu)成的子系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)Sx52BD實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，并對LabWindows/CVI編寫的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了說明。
關(guān)鍵詞： FIFO 實時數(shù)據(jù)采集 TCP/IP協(xié)議
海洋生態(tài)環(huán)境越來越受到人們的重視。如何快速有效、實時、定量地對海水中有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，是海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場快速監(jiān)測系統(tǒng)要解決的問題之一。為此，研制了用于海水有機(jī)磷農(nóng)藥現(xiàn)場監(jiān)測的生物傳感器。該傳感器通過含有農(nóng)藥的海水和不含農(nóng)藥海水對生物酶的抑制作用的不同，用標(biāo)準(zhǔn)加入法[1][2]檢測海水中有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度。為實現(xiàn)對整個測試裝置的自動控制和實時、快速地讀取測量數(shù)據(jù)，設(shè)計、開發(fā)了基于PIC單片機(jī)和嵌入式TCP/IP技術(shù)的快速、實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 有機(jī)磷濃度的測量原理[2]
對有機(jī)磷濃度的測量采用生物傳感器。利用含不同濃度農(nóng)藥的海水對生物酶抑制作用不同，通過電極把抑制轉(zhuǎn)換成電信號，不同的濃度得到不同的峰值，通過峰值得到抑制率。抑制率的計算公式為：
其中，f1為在標(biāo)準(zhǔn)海水中測得的峰值，f2為加入農(nóng)藥之后測得的峰值。
系統(tǒng)中設(shè)置四個測試通道，第一通道是純凈的海水，是參照通道；第二通道是要測試的海水；第三通道為加入已知濃度農(nóng)藥的海水；第四通道為加入另外一個已知濃度的海水（和第三通道不同）。根據(jù)有機(jī)磷農(nóng)藥濃度的對數(shù)與相應(yīng)的酶活抑制率（即峰值下降百分率）在一定范圍內(nèi)呈線性的關(guān)系，可以采用加標(biāo)法原理推算得到海水樣品有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度。原理如圖1所示。由圖1得到計算有機(jī)磷濃度的公式：
其中，c1、c2為三、四通道加入標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藥的濃度，cx為要測試海水中農(nóng)藥的濃度，η0、η1、η2為二、三、四通道的抑制率。通過公式(2)可以求出在第二通道待測海水中農(nóng)藥的濃度。
2 系統(tǒng)硬件原理
由測試原理可知，需要同時采集四通道的信號，每通道求取二次基線和峰值，整個測試過程需要50分鐘。為確保精度，每隔1ms采集一次四個通道的數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)能快速采集并完成數(shù)據(jù)傳輸。為實現(xiàn)快速采集，設(shè)計了由精簡指令集單片機(jī)PIC1673[3]和快速A/D轉(zhuǎn)換器組成的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制模塊為實現(xiàn)大容量、快速的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)設(shè)計了基于嵌入式TCP/IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。鑒于PC機(jī)在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢，由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊之間通過FIFO高速緩沖存儲器進(jìn)行通信。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2.1 系統(tǒng)工作流程
由上位機(jī)發(fā)出啟動命令和用于控制反應(yīng)裝置工作的各電磁閥動作的時間參數(shù)給網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊把命令存入FIFO高速緩沖存儲器；采集模塊從FIFO高速緩沖存儲器中讀到命令，按照上位機(jī)傳來的時間參數(shù)，控制整個反應(yīng)裝置自動工作，同時把采集到的數(shù)據(jù)放入FIFO高速緩沖存儲器。網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用TCP/IP協(xié)議對FIFO中的數(shù)據(jù)打包，傳給上位機(jī)。上位機(jī)對接到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最后的濃度。
2.2 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊
采集模塊的原理框圖如圖3所示。
選擇多通道串行十二位A/D轉(zhuǎn)換器TCL2543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。TCL2543的轉(zhuǎn)換速度為10?滋s一次，以滿足系統(tǒng)對采樣頻率的要求。同時由于是串行的A/D，所以占用系統(tǒng)的I/O線較少。TCL2543的基準(zhǔn)電壓接入2.5V，因此要求輸入模擬信號的電壓范圍為0～2.5V。系統(tǒng)生物傳感器來的阻抗大約為1012Ω,范圍是-0.2V～+0.2V的電信號，所以信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前，通過預(yù)處理電路進(jìn)行了阻抗和電壓變換。
CPU選擇PIC16C73B單片機(jī)，它是Microchip公司生產(chǎn)的一款基于EPROM 的8 位高性能微控制器。芯片上集成了一個8位算術(shù)邏輯單元和工作寄存器，4KB程序存儲器，192個數(shù)據(jù)寄存器，三個端口共22根I/O線，三個定時/計數(shù)器及二個串行口等。它具有精簡指令集(RISC)和哈佛結(jié)構(gòu)，同時可運用二級流水線指令進(jìn)行取數(shù)和執(zhí)行，指令大部分可在單周期執(zhí)行。該機(jī)可靠性好，速度比同類單片機(jī)快幾倍[3]。系統(tǒng)連接時，RA0～RA3與TLC2543進(jìn)行通信；RB0～RB7接FIFO的數(shù)據(jù)端口；RC4～RC7作為雙向FIFO的控制線。
上位機(jī)發(fā)來的命令由網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊存入命令FIFO。為使PIC1673B單片機(jī)能隨時判斷FIFO命令緩沖存儲器中是否有命令，把FIFO命令緩沖存儲器的不空狀態(tài)線接到單片機(jī)PIC1673的外部中斷引腳，一旦有中斷來，則馬上讀命令進(jìn)行處理。采集來的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)FIFO緩沖存儲器中，等待網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的讀取。
2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊原理框圖如圖4所示。CPU采用網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)Sx52BD芯片。Sx52BD是UBICOM公司的8位MCU，速度可達(dá)100 MHz，工作在50 MHz時執(zhí)行指令速度可達(dá)到50MIPS。它主要完成數(shù)據(jù)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的解包打包。當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45傳輸過來時，單片機(jī)對數(shù)據(jù)報進(jìn)行分析，并將得到的數(shù)據(jù)存入FIFO高速命令緩沖存儲器；反之，當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖器不為空時，單片機(jī)對數(shù)據(jù)以TCP/IP協(xié)議打包，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
以太網(wǎng)接口芯片CS8900主要完成數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。CS8900A是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的16位可編程以太網(wǎng)控制器[4]。它內(nèi)部集成了在片RAM、10BASE-T收發(fā)濾波器，提供8位和16位二種接口，支持I/O、Memory、DMA三種傳輸模式。本系統(tǒng)選擇比較簡單易用的I/O模式，通過8位數(shù)據(jù)總線對其進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)的讀寫。
在發(fā)送過程中，如果在一定的時間內(nèi)接不到上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的確認(rèn)，則需要重發(fā)。如果要將數(shù)據(jù)從FIFO高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器中再次讀出，則需要再次打包。為節(jié)約時間，在系統(tǒng)中擴(kuò)展2KBSRAM，把當(dāng)前發(fā)送的數(shù)據(jù)報備份，如果需要重發(fā)，直接從SRAM中取出。
2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸
PIC1673B單片機(jī)和SX52BD單片機(jī)I/O線都為三態(tài)線，理論上可以直接相連，通過I/O線傳送數(shù)據(jù)。但正因為是三態(tài)線，每次傳輸數(shù)據(jù)時首先要對端口初始化設(shè)置數(shù)據(jù)的傳輸方向，同時一方在發(fā)送時，要保證另一方處于接收狀態(tài)，即雙方要同步。而且一次只能傳輸一個數(shù)據(jù)，速度慢。因此，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸采用共享存儲器的方式。用二個FIFO高速緩沖存儲器作為共享存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊和傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。不需要Sx52BD單片機(jī)即可直接和PIC1673單片機(jī)通信，從而節(jié)省了單片機(jī)的開銷，提高了速度。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要包括：采集模塊的數(shù)據(jù)采集程序，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的通信程序，上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理程序。
3.1 采集模塊程序
采集模塊主要在命令FIFO存儲器不為空時，讀取啟動命令，控制反應(yīng)裝置自動工作，同時采集數(shù)據(jù)。程序流程如圖5所示。
03h命令是發(fā)送測試反應(yīng)裝置各電磁閥動作時間參數(shù)的命令。單片機(jī)從命令FIFO存儲器讀到此命令后，把緊跟其后的13個數(shù)據(jù)作為裝置中13個電磁閥何時動作的參數(shù)賦值給相應(yīng)的內(nèi)部寄存器，以此做為電磁閥開關(guān)的定時時間。02h命令是啟動采集系統(tǒng)工作的命令。單片機(jī)讀到此命令后，控制裝置開始工作，同時啟動A/D轉(zhuǎn)換，開始數(shù)據(jù)采集。
A/D轉(zhuǎn)換器TCL2543轉(zhuǎn)換的通道號和讀出數(shù)據(jù)的長度以及導(dǎo)前位由I/O周期的前8位設(shè)置[5]，選擇輸出的數(shù)據(jù)長度為12位。注意在每次I/O周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個I/O周期中被串行移出。第一次讀數(shù)時由于內(nèi)部的調(diào)整，讀取的結(jié)果可能不正確，應(yīng)丟棄。為使讀取的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，消除干擾的影響，程序中對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了均值濾波。讀入的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是單極性的，但輸入電壓范圍是-0.2V～+0.2V, 因此，在程序中需做數(shù)據(jù)的處理和定標(biāo)，把單極性的電壓值變成雙極性的電壓值。
3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用的TCP/IP協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用簡化了的TCP/IP協(xié)議，主要有以下幾種：
(1)ARP：地址解析協(xié)議，ARP為IP地址到對應(yīng)的硬件地址之間提供動態(tài)映射。歸根結(jié)底，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備是靠其端口地址，即MAC地址來區(qū)分的，這個過程是自動完成的。因此系統(tǒng)要隨時響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的ARP請求，才能實現(xiàn)主機(jī)對它的訪問[6]。
(2)ICMP：Internet控制報文協(xié)議，ICMP經(jīng)常被認(rèn)為是IP層的一個組成部分。它傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。ICMP實現(xiàn)了主機(jī)對本系統(tǒng)的連接故障檢測。
(3)UDP：傳輸層協(xié)議。其作用是為不同的應(yīng)用進(jìn)程提供端口號。對于服務(wù)器而言，不同的端口對應(yīng)不同的服務(wù)。它主要用于實時數(shù)據(jù)流的傳輸。
(4)IP協(xié)議：負(fù)責(zé)整個通信子網(wǎng)數(shù)據(jù)包的傳輸。它只提供對數(shù)據(jù)包的盡力傳輸服務(wù)，如有連接、可靠傳輸?shù)绕渌?wù)，則要在更高層去實現(xiàn)。
系統(tǒng)實現(xiàn)的協(xié)議間的承載關(guān)系為：IP/UDP，IP/ICMP，ARP直接在鏈路層之上。
3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊通信程序
網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊收發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖6所示。
程序在初始化網(wǎng)卡時把CS8900的RXCFG寄存器設(shè)置為0103H。當(dāng)接收到一個正確的數(shù)據(jù)報后，CS8900產(chǎn)生一個接收中斷。初始化后，主機(jī)方先要與本模塊建立握手連接。然后，如果CS8900有中斷產(chǎn)生，則接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)報，把數(shù)據(jù)報讀入內(nèi)部的RAM，根據(jù)數(shù)據(jù)報不同的類型做相應(yīng)的處理。CS8900無中斷，說明無接收數(shù)據(jù)，則檢測數(shù)據(jù)緩存FIFO是否為空。若不為空則讀出數(shù)據(jù)，按照UDP協(xié)議進(jìn)行打包后，送入CS8900發(fā)送。同時把打包后的數(shù)據(jù)暫存到外部SRAM中，啟動定時器。若在一定的時間內(nèi)沒有從主機(jī)方收到確認(rèn)，則重發(fā)該幀。
對接收到的數(shù)據(jù)幀，如果收到ARP請求，則立刻發(fā)送ARP響應(yīng)，以便主機(jī)得到本系統(tǒng)的MAC地址；若收到ICMP，則置其TTL值為128，再將原數(shù)據(jù)發(fā)出。系統(tǒng)收到UDP數(shù)據(jù)幀時，要判斷是上位機(jī)發(fā)來的命令還是接收數(shù)據(jù)確認(rèn)的回應(yīng)。如果是命令，則解碼后存入FIFO命令緩沖存儲器；如果是接收數(shù)據(jù)的確認(rèn)回應(yīng)，則清除SRAM中對應(yīng)的數(shù)據(jù)報。
3.4 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序
上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件采用LabWindows/CVI編寫。LabWindows/CVI是美國NI公司開發(fā)的32位面向計算機(jī)測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺。它將C語言平臺與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來，提供強(qiáng)大的函數(shù)庫以便于對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[7]。在本系統(tǒng)中，用LabWindows/CVI編寫了簡單易用的虛擬儀器面板，可以通過此面板對采集的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,將工作時間參數(shù)和系統(tǒng)啟動信號打包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集全過程的控制；對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；對解碼后的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成四通道的時間－電壓曲線，求出最終的濃度。
4 結(jié)束語
本采集系統(tǒng)用在海水有機(jī)磷農(nóng)藥的現(xiàn)場實時監(jiān)測上，對馬拉硫磷的檢測限為0.5μg/L，測定值與理論值之間的誤差在10%以內(nèi)。用Labwindows編寫的數(shù)據(jù)處理程序具有易于操作的界面，直觀的圖形顯示形式，能自動計算基線和峰值以及最終的濃度。同時，本系統(tǒng)還可以用在其他要求多通道快速實時數(shù)據(jù)采集的場合，只要根據(jù)不同的要求相應(yīng)改變系統(tǒng)軟件即可。
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