网络化的污染源在线监控系统中嵌入式子站的研究

摘要

随着我国经济的高速发展，环境污染问题日益突出。作为我国的一项基本国策，环境保护是落实科学发展观、可持续发展、构建和谐社会的重要内容。环境监测作为环保各项工作的数据来源、污染度量、环境决策与管理依据以及环境执法体系的组成部分，在环保工作中具有重要作用。
　　 本文研究了在低成本的32位嵌入式计算机上实现自动化监控子站，并将此技术应用于污染源自动监控系统。该系统的网络层次从底层逐级向上可分为现场层、网络传输层和中心监控层三个层次，依次表现为数据的采集、传输、处理和应用。现场层包括嵌入式Web服务器，数据采集传感器仪和设备控制器，完成数据采集、存储、发送及命令接收等方面的功能。网络传输层指用于实现数据传输的网络实体。中心监控层即用户交互界面，使用Web浏览器通过网络传输层和现场层相互通信，交换数据，下达指令，以实现对现场层的集中远程监控。
　　 本文的研究工作以设计并实现嵌入式测控子站硬件和部分系统软件为目的。嵌入式测控子站是适应于不同传输介质和协议组成的污染源监测子站，具有多种通信接口宽接入的嵌入式计算机。作者针对污染源在线监控系统需求，分析项目需要，提出嵌入式测控子站的设计方案。系统硬件设计部分详细介绍了整个系统的实现原理和功能框架，设计了大量的外围电路模块，包括电源模块、存储模块、串口、USB设备接口和JTAG调试模块等，并对数据采集模块涉及的模拟、开关量输入输出关键技术进行详细说明，给出具体实现方式。在软件部分的实现中，介绍了实时操作系统内核uC/OS-Ⅱ的移植，并在已完成工作的基础上进行了数据采集程序的开发等。利用嵌入式实时操作系统的可裁剪性、可移植性和多任务等特点，使嵌入式子站的多点数据采样、传输、同步时序和数据快速存放能力显著增强。
　　 经过对嵌入式子站系统进行各个功能模块的调试和整个系统的集成测试证明，系统运行稳定，功能全面，对实现类似系统有很好的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 本论文研究的意义

1.3 监控系统子站研究的历史与现状

1.4 本文研究内容

1.5 本文组织结构

1.6 本章小结

第二章 系统总体设计方案及开发环境

2.1 系统功能总体设计

2.1.1 系统功能要求

2.1.2 嵌入式核心板总体结构

2.1.3 嵌入式功能板总体结构

2.2 开发环境

2.2.1 开发步骤

2.2.2 硬件开发平台

2.2.2 软件开发平台

2.3 本章小结

第三章 嵌入式核心板设计

3.1 嵌入式系统

3.1.1 嵌入式系统简介

3.1.2 嵌入式系统特点与应用

3.1.3 嵌入式微处理器的选型

3.1.4 嵌入式操作系统的选型

3.2 嵌入式微处理器ARM

3.2.1 ARM处理器的特点

3.2.2 ARM7体系结构

3.2.3 ARM7TDMI内核

3.3 AT91SAM7X256基本外围电路设计

3.3.1 时钟振荡器、锁相环电路

3.3.2 日历时钟电路

3.4 外部存储器接口电路

3.4.1 程序存储器接口电路

3.4.2 数据存储器接口电路

3.5 以太网接口电路设计

3.6 本章小结

第四章 嵌入式功能板设计

4.1 电源电路设计

4.2 通用串行总线(USB)接口电路设计

4.3 JTAG调试电路设计

4.4 SD卡接口电路设计

4.5 温湿度检测电路

4.6 串行接口电路设计

4.7 CAN总线电路设计

4.8 模拟量输入电路设计

4.8.1 AT91SAM7X256集成A/D转换器

4.8.2 电压信号调整电路

4.8.3 模拟量输入电路

4.9 模拟量输出电路设计

4.10 开关量输入输出电路设计

4.10.1 开关量输入电路

4.10.2开关量输出电路

4.11 系统的稳定性设计

4.12 本章小结

第五章 系统软件的设计

5.1 嵌入式实时系统

5.1.1 μC/OS-Ⅱ操作系统概述

5.1.2 μC/OS-Ⅱ的层次结构

5.1.3 μC/OS-Ⅱ的移植

5.1.4 μC/OS-Ⅱ的任务结构

5.2 模拟量输入模块

5.3 模拟量输出模块

5.4 开关量输入模块

5.5 开关量输出模块

5.6 温湿度检测模块

5.6 本章小结

总结与展望

6.1 系统总结

6.2 进一步工作展望

6.3 结束语

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢