嵌入式系统与gprs技术在气相色谱仪中的应用研究_计量标准器具_中国百科网
嵌入式系统与gprs技术在气相色谱仪中的应用研究
    摘要:本文首先介绍了气相色谱仪的工作原理及其应用现状,然后结合实际的需要,设计了一种基于arm嵌入式 系统和gprs技术的新型气相色谱仪。具体讲述了如何构建此嵌入式系统的软硬件平台,并给出了gprs modem在uclinux下的软件配置方法,最后展望了该系统的实际前景。1 引言气相色谱仪是应用面极广,数量较大的分析仪器中最重要的一大类科学仪器。在石油、天然气、精细化工、冶金、电力、医学、卫生、粮油、食品、环 保、气体、技术监督和国防 科研等领域中,几乎成为现代分析化学实验室必备的分析仪器之一。随着气相色谱仪的普及,客户对系统的要求逐步提高,不仅要求 其有良好的运转性能,而且需要实时、直观地显示工作状态,要求操作人员根据实际情况方便地调整系统的工作参数,同时具有远程数据传送和管理,自动进样控制 等功能。针对这些问题,本方案设计了基于嵌入式系统的全自动气相色谱仪,提供了可视化的控制系统,能够清晰地显示系统状态、提供完全图形化的操作方法,更 重要的是本系统采用了最新的gprs技术,操作者可以进行远程控制,实现准无人操作。2 气相色谱仪工作原理色相色谱仪工作的基本原理是(如图1):当气体样品通过一定的进样方式送入色谱仪系统后,样品中混合物的各组分在流动相(载气)的带动下,通过 称为色谱柱的固定相,利用各组分在流动相中具有不同的吸附和脱附能力,当二相作相对运动时,样品中各组分就会在二相中反复多次(103~106)受到上述 各种作用力的作用,从而使混合物中各组分获得分离,被分离后的单一组分随载气进入一种称作检测器的系统,在检测器系统中,每一组分都获得非电量转换,将化 学成分转变成与其浓度成正比的电信号(电流或电压),将这些对应各组分的电信号传给嵌入式系统进行数据处理和分析,就可得到样品的成分信息。3 基于arm的气相色谱仪嵌入式系统构成及其特点如图1所示,该气相色谱仪的控制系统主要由嵌入式微处理器(s3c44b0)、一个温度控制检测器、一个载气流量控制检测器和一个样品流量控制 器、再加一个带光电隔离的高阻抗放大器,其主要特点是此mpu ( microproces-sor unit)外接一个带触摸屏的彩色液晶屏提供友好的为人机接口。整个嵌入式控制系统的工作原理是:当系统启动以后,在lcd上显示主菜单选项,点击相应的 菜单按钮即可进入下一级子菜单,再通过lcd上的菜单按钮分别对载气流量控制器、样品流量控制器发送参数设定指令,为了达到传送数据的可靠性,此命令通过 rs485总线发送。在色谱仪工作后, mpu每隔1秒向各个检测器发送查询状态信息的命令,当进样器的温度控制器、流量控制器收到指令后,判断指令数据中的地址信息,如确实是发给自己的,则通 过rs485总线返回自己的状态信息,在lcd上显示出该检测器的信息供操作者查看,否则丢弃此数据包。如果操作者想改变某个控制器的参数,比如想调节进 样器的温度,那么就点击进样器温度设定按钮,lcd下方就会出现0~9数字键,供操作者设定温度值。当色谱仪的检测器得到分析数据后,经过高阻抗放大器, 再通过rs485总线传给mpu,在lcd上显示各成分数据,用户可以直观的获取成分信息。由于mpu与各控制检测器都是通过rs485总线通信的,为此 本方案特制定了一套内部的通信协议,用于系统内部的协调通信,而不产生干扰。根据实际需要,本方案采用了最新的gprs (general packet radio service)技术实现远程控制和管理。gprs通用分组无线业务,是在现有gsm系统上发展而来的一种新的分组数据承载业务,具有实时在线、按量计 费、快捷登陆、高速传送等特点。特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也使用于偶尔的大量的数据传输。gprs是城市内的公共通信网络, 24小时提供双向的数据通信链路,目前中国移动gprs网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区,网络遍及240多个地区。无论在繁华的闹市、还是在偏远地 区, gprs都能够最大限度地为用户提供高速数据服务。根据gprs的这些特点,色谱仪在跨城市的数据通信方面也完全可以借用gprs信道,其双向通信能力, 可以将色谱仪所测得的数据传送到主机房,主机房也可以通过gprs信道将控制数据传给远端的色谱仪。为此,本方案将此嵌入式系统通过rs232与gprs 模块相连,把气相色谱仪放入公共无线数据网中,在主机房内的pc只要通过com口外接一个gprs模块,即可以与现场作业的色谱仪保持实时通信,完成远程 测控的功能。此方案特别适合一些需要野外作业,或对一些有损人体健康物质的分析,如天然气中的二氧化硫、矿井气分析等。4 嵌入式系统的软硬件实现4?1 硬件电路本系统采用的嵌入式微处理器是samsung公司的s3c44b0,此mpu具有较高的性价比,是基于arm7tdmi核的精简指令系统的32 位高速处理器。它的工作电压仅为3?3v,主频最高可以达到66mhz,完全可以满足色谱仪中实时和多任务的要求。为了降低系统成本和减少外围器件, s3c44b0集成了很多部件[3]: 8kcache、外部存储控制器、lcd控制器、4个dma通道、2通道uart、一个内部定时器、71个通用i/o口、8个外部中断源等。构建上述嵌入 式系统,除了mpu运行需要sdram、flash存储器之外,还需扩展外围电路(具体参见图2)。4?1?1触摸屏控制器触摸屏控制芯片我们选用的是ti公司的模数转换芯片ads7846,此芯片是一种典型的12位取样的逐步近似寄存器(sar) a/d转换器。其工作原理为,当手指点击触摸屏后,ads7846向mpu发出一个中断请求信号(penirq), mpu接受此中断并响应,通过din向ads7846发出测量命令字(见图3[4]),接收到命令字的前五位后, ads7846进入采样阶段,等待busy为低后,通过dout把触摸屏上的触点的坐标值传给mpu, mpu判断该坐标值后完成相应的动作。但是ads7846的接口是spi总线接口,而s3c44b0没有此接口控制器,只能采用通用i/o模拟spi时序,实践证明完全能达到同样的 效果。ads7846芯片的详细连接图如图4[4]。具体配置是: s3c44b0的pa0输出ads7846所需的片选信号; pg6输出时钟信号;pf0输出命令字; pf7接收坐标数据; irq3接受ads7846发出的中断请求信号。4?1?2 lcd显示屏s3c44b0自带lcd控制模块,它具有将显示缓存(在系统存储器中)中的lcd图像数据传输到外部lcd驱动电路的逻辑功能。该lcd控制 器可支持灰度lcd和彩色lcd,在灰度lcd上,使用基于时间的抖动算法(time-based dithering algorithm)和frc (framerate control)方法,可以支持单色、4级和16级灰度模式的灰度lcd,在彩色lcd上,最大能支持256色的stn lcd屏。我们选用truly公司的型号为mct-g320240dncw-15n的彩色lcd,它最大分辨率为320&240,在背光的照射下显示效果 较好。4?1?3 串行接口s3c44b0自带有两个串口控制寄存器,正好满足我们设计的需要, uart0通过max3232进行电平转换,与gprs modem相连; uart1通过max3483芯片的电平转换成标准的rs485总线接口,与其他控制器和检测器相连。4?2 软件平台硬件开发平台构建以后,我们需要选用合适的操作系统,这是实现各系统功能的关键。我们选用了免费的uclinux操作系统, uclinux最大的特点就是没有mmu,很适合arm嵌入式微处理器。最新的uclinux的内核版本是linux 2?4,它具备完整的嵌入式tcp/ip网络协议栈,操作系统所有代码加起来编译后的镜像文件小于1m。要想让液晶屏、触摸屏、两个串行口在uclinux下正常的工作,那么我们需要为它们编制相应的驱动。为linux编写驱动程序,并不像其他操 作系统那么复杂,有一些设备驱动u-clinux本身就具有,比如典型的串口驱动、流行的lcd等。即使没有,由于uclinux开放源码的特性,用户也 可以很方便的把自己的驱动加入内核。驱动编好以后,就为上层的应用程序编写提供了接口函数,可以开始编写针对该设备的应用程序。最后重新编译内核,把u- clinux的二进制文件烧进flash,就可以使用这些外部设备了。5 gprs模块接入根据系统要求及性价比,本方案选用西门子公司的mc35 gprs模块。该模块整合了语音、数据传输、简讯服务及fax等功能,最大传输速率可达到85?6kbit/s,集成天线、rf、base band、快速闪存等组件,并以40个pin脚外接,支持rs-232等[5]。5?1 初始化gprs模块与mpu间是通过rs232串行口进行通信的,通信速率最高可达115200bit/s。gprs是基于ip协议的, s3c44b0在与gprs网通信的时候也要发送符合ip协议的数据包,而且uclinux操作系统具有完备的tcp/ip协议栈,使用很方便,但是底层 的信道、数据链路层的链路都必须事先打通,也就是说要通过at指令对gprs modem进行一定的设置。具体步骤如下:(1)使用at指令建立gprs信道at指令的编写在chat的脚本文件中。该脚本文件将被ppp拨号脚本文件调用,并执行在ppp协商之前。chat命令是uclinux自带的 设置modem的命令。在本应用中,用于设置通信波特率,指定上层协议并开通gprs链路。chat的脚本文件设计为两个: ppp-on-dialer和pppd?chat。ppp-on-dialer文件:#! /bin/shexec/bin/chat/-v-f/etc/ppp/pppd?chatpppd?chat文件:&&attimeout 3error attimeout 3ok at+cgatt=1timeout 3ok at+cgdcont=1, ip, cmnettimeout 3ok atdt*99***1#timeout 3connect&&pppd?chat文件中,每行前端信息代表等待的输入信息,后端信息代表输出信息包括at指令。双引号代表无任何信息。这段代码的作用为每次 at指令的反馈最大时间定为3秒,若超过3秒仍无回音则报错退出;运用&at+cgatt=1&建立gprs信道,再开始设置通道、上层协议、网络运营商 (cmnet为中国移动梦网的接入网关)等参数,最后虚拟拨号&atdt*99***1#&,为下一步的ppp协商做准备。(2) gprs数据链路层连接的建立gprs网是基于ip协议的,但中国移动的接入网关cmmet使用的是ppp协议与gprs终端进行协商通信的,为此我们不能直接发送ip数据 包,而应采用ppp协议来完成数据链路层的连接,数据的传输。在uclinux操作系统中,系统提供了相应的pppd服务器程序来实现复杂的ppp协商。 下面列出了本方案设计的ppp脚本文件: ppp-on。#! /bin/shexec/bin/pppd -detachdebuglockmodempersistsilentname amao/dev/ttys0 192000?0?0?0:0?0?0?0defaultrouteconnect /etc/ppp/ppp-on-dialer这些脚本代码主要是显示debug代码,设置自己的用户名; ttys0是com1,这里设置成gprs模块所接的串口, 19200表示串口通信速率为19200bit/s;设定local-ip为0?0?0?0,表示由isp动态分配, remote-ip一般也为0?0?0?0;指定chat脚本为上文提到的ppp-on-dialer文件,并设置为连接失败后的重新自动连接模式。5?2 数据传输gprs底层链路建立以后,就可以进行上层的socket通信了,链路层之上就是ip层,ip层之上可选的协议有面向连接的tcp和面向非连接 的udp协议。当业务数据要求较高的可靠性时,应该选择tcp协议,但其实现比较复杂,且系统负荷较大; udp协议虽然没有可靠性的保证,但是对网络的负荷较小,适合实时数据的传输。本方案是一个对实时性要求比较高的系统,特选用udp协议,不但简单,而且 在实际运用中取得了良好的效果。为了实现远程测控,本方案为外接gprs模块的pc机编写了一个通信软件,主要用于收发udp协议的ip包和一个类似嵌入式系统上彩色lcd的 菜单对话框,替代嵌入式系统上触摸屏液晶屏的功能。visual c++面向对象的特点和对网络编程的强大支持,实现起来也比较容易,由于篇幅所限,在此不作介绍。6 结束语经过初步的试验和现场测试,本系统取得了较好的效果。通过触摸屏液晶屏提供的菜单式的人机接口,操作者可以直观的获取气相色谱仪系统状态信息, 完成对气相色谱仪复杂的控制功能;通过gprs技术,可实现远程测控和管理现场作业的色谱仪。因此,本系统在气相色谱仪上的应用相对于目前的仪器具有无可 比拟的优势,故基于该嵌入式系统的气相色谱仪必将具有广阔的应用前景和市场。参 考 文 献1 商登喜.气相色谱仪的原理及应用.北京:高等教育出版社, 1989.2 魏永明,骆刚等译. linux设备驱动程序.第二版.北京:中国电力出版社, 2002.3 samsung electronic. s3c44b0 risc microprocessor datasheet. www?samsungsemic?com4 texas instruments incorported. ads7846 touch screen controller data sheet. www?ti?com5 siemems mobile. mc35 hardware interface description. www?siemens?com6 siemems mobile. mc35 at command set. www?siemens?com7 siemems mobile. mc35 gprs startup user&sguide. www?siemens?com
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消费电子:基于GPRS的嵌入式智能家居终端的设计与实现
[导读]微计算机信息 王艺 刘方 林晓辉1引言　　随着网络技术和通信技术的不断发展，人们希望即使在工作或外出时也能通过某种方式及时了解和控制家中的情况，同时伴随着数字化家庭的普及，实现智能...
微计算机信息 王艺 刘方 林晓辉1引言　　随着网络技术和通信技术的不断发展，人们希望即使在工作或外出时也能通过某种方式及时了解和控制家中的情况，同时伴随着数字化家庭的普及，实现智能家居的远程控制已经成为一种趋势。家庭智能控制系统通过家庭总线技术，把家庭中各种家用电器、家庭保安装置和各种计量设备连接到一起组成一个家庭内部网络，由家庭智能控制器进行统一管理[1]。远程控制就是通过某种通讯方式将智能家庭控制器与外界相连，使人们能够在本地或异地对家庭系统进行集中的监视、控制。本文中介绍的方案，结合了GPRS(GeneralPacketRADIoService)技术永远在线，速度快，接入范围广，体积小，功耗低等优点[2]，采用RS485工业总线，设计实现了一种基于嵌入式系统的家庭智能控制器。用户可以通过短信及互联网等方式现远程无线监控，在手机和互联网相当普及的今天，为用户提供了更简单、方便的选择。同时由于该控制器RS485接口的特殊设计，外挂节点可以由原来的32个扩展到64个，解决了家用设备的布线组网以及控制等问题。　　2系统设计　　从结构上看主要分为用户，控制器，和RS485总线的家用设备控制三个部分。用户通过手机短信或网络方式向控制器的GPRS模块发送命令，而控制器也通过GPRS模块向用户反馈信息或发出报警通知。从而实现了用户和控制器无线互联，实现远程控制。　　3硬件设计　　硬件部分的结构框图如图1所示，控制器是整个系统的核心部分，经过串口扩展与GPRS模块相连；通过电平转换芯片提供RS485总线接口与家用设备相连接；同时还提供LCD，键盘等交互接口。控制器的主控芯片采用三星S3C44B0，使用ARM7TDMI核,工作频率在66MHz[1]。处理器外接4MFlash（用于存储控制器的启动代码和系统代码以及当天事件的文本日志）分配到存储器Bank0空间和4M×16的SDRAM，分配到存储器的Bank6空间。　　GPRS模块外围电路：GPRS模块采用西门子公司的MC35模块，支持数据、语音、短消息和传真等多种通信方式可以通过AT命令对其实现控制。串行线通过MAX3238电平转换后可直接和RS232串口相连。串口扩展：44B0通过外接双通道的通用异步收发器ST16C2550为GPRSmodem拨号上网提供完整的9线串口。其主要特点是接收发送各有16字节的FIFO(先入先出)缓冲区，独立的波特率产生器可提供50bps到4Mbps的收发时钟。用户可方便地通过芯片的状态寄存器来进行错误定位和对操作状态进行判断。该芯片内存空间使用保留的存储空间bank4。采用总线方式控制。RS485接口设计：采用TI公司的RS485接口芯片75LBC184，可实现了44B0串行口的TTL电平与RS485电平之间的转换，该芯片的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在总线上连接64个节点（相当于原来的两倍）。且它有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。　　4RS485总线协议设计　　用RS-485总线进行系统通讯需要对其传输协议做规定，最重要的就是帧结构的设计。本系统数据帧的构造包括：起始，地址，类型，数据长度，数据，校验和及结束帧七个部分，除数据帧为N字节外（根据从机传送的数据而定），其余均占1个字节。类型字定义如表1所示,类型帧中的“SENDDATA”帧为数据帧，用于存放从机设备的状态信息，其它4种为指令帧，用于存放主机发送给从机的命令字[3]。　　主机发查询请求主机发读请求从机准备好接收从机处于忙碌主/从机发送数据　　本系统采用LRC帧校验的方法。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有传输错误。除了帧结构的定义以外，整个系统的通信还需要遵守下面的规则：(a)主机查询方式：由主机轮询各从机，并要求从机提交状态信息，从机不能主动发出请求。(b)当主机发出“ASK”命令后，若从机反馈“BUSY”帧，则主机启动计时和计数，超时3次，则任务执行失败。(c)主机接收到从机发回的“READY”信号后，向从机发送“GETDATA”指令，进入接收状态，同时开启超时控制。若在规定时间未接收到从机发回的数据，则计数器加1，并继续发出“GETDATA”信号。如果超时3次，则取消这次查询。(d)从机等待主机发送指令，并根据具体指令作相应操作。如果接受到的指令帧错误，则会直接丢弃该帧。5软件设计　　软件部分的设计主要是基于ARM－Linux，因为该操作系统具有完整的TCP/IP协议，同时还支持许多其他网络协议，可以为GPRSmodem连接互联网提供完整的协议支持，并且该操作系统具有良好的稳定性和实时性可以满足家庭智能控制器对系统可靠性的要求，另外Linux的源代码开放，可移植性强，为系统开发中的问题提供了良好的技术支持。本系统的软件设计主要是应用程序的两个部分：GPRS的无线数传；RS485总线控制控制。 　　5.1RS485总线控制　　基于上一部分RS485的总线协议，主从控制主要分为：轮询、查询、控制三部分。（1）轮询：主机定时对各从机进行查询，如果发现报警信息，保存后及时触发报警并反馈给用户。如果出现超时或帧错误等状态时主机放弃此次查询，并将该事件存储在主机中。（2）查询：查询的工作流程和轮询大致相同，但是只对指定的从机和指定状态进行查询。（3）控制：把控制指令发到指定从机，并要求从机反馈执行结果。　　5.2GPRS的无线数据传输　　5.2.1接收和发送SMS短信　　（1）编码转换：要发送中文短信就需要使用PDU模式的16-bit编码。在Linux系统中默认用GB2312保存中文字符。发送短信前，要先进行编码转换，要将GB2312转换为Unicode编码，再将Unicode编码转换为PDU的16-bit编码。这里使用Linux中的iconv()函数，该函数可以实现Linux支持的任意的两种编码之间的转换。实现的方法：首先用iconv_open()，打开一个转换句柄，指定两种转换前的编码和转换后的编码。然后用icnov()作转换。最后用iconv_close()关闭句柄，释放资源。完成转换后，即可以正确的发送。（2）发送：向MC35模块发送一条AT指令，得到OK响应，则表示控制器与GPRS模块通讯正常，通过“AT+CSCA=“***”及AT+CSCA=0命令设置设置短信中心号码及短信格式（PDU）。然后发送AT+CMGS=&电话号码&，得到提示符号“&”，此时可以向MC35模块发送编辑好的PDU编码并以“CTRL+Z”结束。得到响应OK，则发送成功；如果收到ERROR则表示发送失败，重新初始化MC35模块，发送信息[4]。（3）接收：当收到短信时，发送”“AT+CMGR=X”从SIM卡读取短消息并调用短信处理程序作相应转换。　　5.2.2GPRS联网在Linux下的实现　　GPRS联网是Linux的PPP协议实现的。因此在编译内核时需要增加Linux内核的PPP支持[5]。然后根据程序中提供的配置信息，包括移动的APN*/为“CMNET”，通讯协议IP，拨号号码“*99***1#”，串口设备号/dev/ttyS2，波特率9600，用户名，密码等信息配置PPP协议需要的5个脚本和配置文件：ppp-on、ppp-off、opTIons.gprs、dialer.gprs、pap-secrets。完成设置后，运行ppp-on，就可以进行GPRS拨号；运行ppp-off断开连接。　　GPRS联网流程（控制器作为客户端）：(a)当用户希望通过网络访问GPRS模块时可以通过短信方式向主机GPRS模块发送联网命令，包括用户的IP地址和相关配置信息。(b)主机根据用户短信获得GPRS上网连接的配置信息，并生成对应的拨号脚本文和配置文件。调用ppp-on脚本进行PPP拨号。(c)判断PPPD是否拨号成功，标志是能否生成ppp0网络设备。(d)在数据传输过程中通过看门狗实时观测网络连接状态，网络掉线时，主机保存当前数据状态，重新启动GPRS模块并恢复连接。(e)结束本次任务时，用户在网上发送命令，让控制器调用ppp-off，断开连接。　　5.3系统软件流程　　软件流程如图2所示，系统上电启动后，首先对包括串口，LCD，键盘，GPRS模块以及网络配置文件等做相应的初始化。并检测GPRS模块和主机是否通讯正常。然后开始对从机进行轮询，发现警情时，读取并存储报警信息，启动报警器并将相应的报警信息通过拨号和短信的方式通知用户。当收到用户命令时，先判断用户的控制方式，再做出做出回应。　　6总结与展望　　本文介绍了一种基于ARM-Linux和GPRS技术的家庭智能控制终端，并通过RS485总线解决了家用设备的布线及控制器对设备的控制问题。文中给出了详细的系统架构方案。从软、硬件两方面给出了详细的设计思路和实现方法。整套方案对家庭智能控制器系统实现中存在的主要问题提出详细的解决方案，并且在实践中证明了其可实施性。此外，由于该控制器具备GPRS控制器的基本功能，只需在应用程序部分做相应修改，可用作其它无线远程控制设备，具有通用性和可扩展性。
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