基于DSP的地下微水檢測系統
劉志輝 尹斌 榮梅 吳立佳
摘要： 該系統通過MSP430單片機采集壓力式液位變送器和溫度傳感器的信號，將采集的信號經過簡單處理后上傳到TMS320F2812進行分析處理，得到井下水面高度變化以及井下水溫等參數的精確值，并送至液晶顯示屏實時顯示，同時對USB設備進行簡單文件操作，便于數據存取。將μC/OS-Ⅱ實時操作系統移植到TMS320F2812中可提高系統的可靠性，具有良好的擴展性。
Abstract：
Key words :
微水試驗法是一種瞬時向井中注入或抽取一定量的水，通過觀測井水位變化情況，求得井附近含水層滲透系數的方法。對于滲透性較高的含水層，瞬時抽取或注入一定流量水后，井中水位很快恢復到初始水位，不易觀測井中水位降深隨時間的變化；對于低滲透性含水層，瞬時抽取或注入一定流量水后，能夠較好觀測到井中水位降深隨時間的變化，求得含水層水文地質參數。
1 地下微水ticle/index.aspx?id=21771">檢測系統的設計方案
該檢測系統用于確定不同低滲透性含水層介質中的滲透參數。通過在含水層布置的鉆孔中激發水頭變化，實時測量水頭隨時間的變化，利用地下水動力學原理，計算含水層的滲透系數。
該系統通過MSP430單片機采集壓力式液位變送器和溫度傳感器的信號，將采集的信號經過簡單處理后上傳到TMS320F2812進行分析處理，得到井下水面高度變化以及井下水溫等參數的精確值，并送至液晶顯示屏實時顯示，同時對USB設備進行簡單文件操作，便于數據存取。將μC/OS-Ⅱ實時操作系統移植到TMS320F2812中可提高系統的可靠性，具有良好的擴展性。
圖1為該地下微水檢測系統結構框圖，它主要由主控單元TMS320F2812、數據采集、USB接口、液晶顯示、電源及復位電路等模塊組成。
2 系統硬件設計
2．1數據采集模塊
數據采集模塊用于采集液體的壓力和溫度值。該系統采用壓力式液位變送器，它是采用高性能的硅壓阻式壓力充油芯體作為壓力敏感核心，接入專門集成電路將傳感器毫伏信號轉換成標準電流信號輸出。該壓力式液位變壓器再將標準電流信號傳輸給MSP430單片機。溫度傳感器采用數字溫度傳感器DSl8B20，該器件也將溫度值傳送給MSP430單片機。
2．2 USB接口模塊
USB接口模塊對U盤進行操作實現數據存儲。這里選用CH375型USB接口器件。CH375是一款USB總線的通用接口器件，具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便的掛接到單片機／DSP／MCU／MPU等控制器的系統總線上。CH375支持5 V和313 V電源電壓，支持低功耗模式。圖2為USB接口模塊硬件電路。
CH375的TXD引腳直接接地，CH375工作在并口方式。電容C4用于CH375內部電源節點退耦。電容C3和C5用于外部電源退耦，建議C3采用0．1μF的獨石電容。為了使得CH375可靠復位，電源電壓上升時間應小于100 ms。
3 系統軟件設計
該檢測系統軟件設計主要包括MSP430數據采集模塊、μC／OS-Ⅱ在TMS320F2812上的移植、μC／OS-Ⅱ下應用程序等3部分。
3．1 MSP430數據采集模塊
MSP430數據采集模塊軟件程序設計采用模塊化、結構化的設計方案。該模塊軟件設計從功能上可分為2部分，第1部分是與硬件密切相關的驅動程序，主要完成對硬件底層寄存器的操作，包括MSP430外部電路和內置外設；第2部分是跟硬件無關的應用程序，主要包括讀取溫度、壓力采樣、數據處理等。圖3為MSP430數據采集模塊的主程序流程。
3．2 μC／OS-Ⅱ在TMS320F2812上的移植
所謂移植，就是使一個實時內核能在某一微控制器或處理器上運行。為了提高可移植性，μC／OS-Ⅱ的絕大部分代碼都是采用C語言編寫的。一般情況下，這部分代碼無需修改就可使用，因此該移植工作主要與4個文件相關：OS_CPU_A．ASM(匯編文件)，OS_CPU．H，OS_CPU_-C．C(處理器相關C語言文件)和OS_CFG．H(配置文件)。修改完成以上4個文件即為在DSP上移植通用代碼，此通用代碼加上啟動代碼，組成在DSP上進行操作系統移植的完整移植代碼。
3．3 μC／OS-Ⅱ下應用程序設計
移植實時操作系統μC／OS-Ⅱ是為了應用μC／OS-Ⅱ。移植成功后，需要在μC／OS-Ⅱ下編寫各項功能程序。編寫任務之前，需要定義任務堆棧的長度、任務堆棧以及聲明任務函數，然后在適當的地方創建任務。
TMS320F2812實現各項功能的軟件主要完成如下功能：與MSP430通信、對MSP430上傳的數據進行分析再處理、液晶顯示、USB存取數據。因此，本系統任務劃分為：系統運行監視、USB存取、與從機MSP430通信、鍵盤液晶、實時時鐘、運行指示等任務。各任務優先級分配如表1所列。圖4為該系統應用程序總體流程。
4 實驗結果
實驗結果表明：采用TMS320F2812實現的地下微水檢測系統，能夠準確觀測井中水位降深隨時間變化的規律，利用這些試驗數據求解出低滲透性含水層介質中滲透參數。該系統可在一個采樣周期內高精度測量井中水位降深以及井下水溫等參數。該檢測系統的采樣頻率可以修改，例如：設l s采樣10個數據，1個采樣周期為1 min。即采樣一次可獲得600個數據，同時可手動按鍵設置測井編號、測量次數、測量時間等參數，針對不同場合在壓力傳感器范圍內修正零點。測量數據通過USB接口讀寫和刪除，便于后期統計處理測量數據；并采用液晶屏，具有良好的人機界面和操作性能。液晶屏可同時顯示各種參數，全部操作可根據漢字提示直接輸入，顯示智能儀表現場無障礙輸入。
該系統利用TMS320F2812的高速的數據處理功能。實現地下微水檢測，具有可靠性高，易操作等優點。但需注意的問題：由于本裝置野外作業，在供電電源條件不足的情況下，需電池供電，因此應在軟硬件設計時，充分考慮系統低功耗工作的問題。該系統采用USB接口，便于存取、分析和處理數據，并將μC／OS-Ⅱ實時操作系統移植到TMS320F2812中，采用模塊化的設計方案。大大縮短軟件開發周期，同時有利于提高程序的實時性和產品的可擴展性。該系統已成功應用于現場，運行正常，達到預期項目要求。
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