抗干扰的嵌入式水质分析仪设计与实现
朱鹏飞+叶帮利
摘 要： 环保单位对水质污染的控制离不开水质分析仪，当受到天气、电磁等干扰时，水质分析仪的测量数据不准确。所以，设计抗干扰的嵌入式水质分析仪。使用嵌入式处理器分析水温和氧浓度数据，通过电流模拟量将水质分析数据上传到管控中心。水质分析仪的电源电路使用继电器独立供电，隔离继电器与其他供电元件，将继电器地线接到虚拟地面，实现电源电路抗干扰。嵌入式处理器选用低功率的S3D2552增强测量结果可靠性，在WinCE操作系统上设计软件驱动程序，供S3D2552驱动其他模块进行水质测量。实验分析结果显示，所设计的水质分析仪抗干扰性强，与设计理念一致。
关键词： 抗干扰； 嵌入式水质分析仪； WinCE； S3D2552
中图分类号： TN911.6?34； TP216.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0153?03
Design and implementation of embedded water quality analyzer resisting interference
ZHU Pengfei1， YE Bangli2
（1. Dazhou Vocational and Technical College， Dazhou 635000， China； 2. Chongqing Normal University， Chongqing 400047， China）
Abstract： The data measured by the available water quality analyzer is inaccurate due to weather and electromagnetic interference， therefore an embedded water quality analyzer to resist interference was designed. The embedded processor is used to analyze the water temperature and oxygen concentration data. The water quality analysis data is uploaded to control center by means of current analog quantity. The relay is used in power circuit of water quality analyzer to supply the power independently， and is isolated from other power supply components. The ground wire of relay is connected to a virtual ground to realize the anti?interference of power circuit. The low?power S3D2552 is selected for embedded processor to enhance the reliability of measurement results. The software driver was designed in WinCE operating system to let S3D2552 drive other modules for water quality measurement. The experimental analysis results show that the designed water quality analyzer has high anti?jamming ability， and is consistent with the design concept.
Keywords： anti?interference； embedded water quality analyzer； WinCE； S3D2552
0 引 言
我国经济水平一直处于稳步上涨阶段，由于企业的环保理念不健全，经济上涨破坏了自然界的生态平衡，水质、大气、土壤都受到了不同程度的污染。在人们赖以生存的地球中，71%的表面积被水资源覆盖[1]，从溪流到大海，水质污染不断蔓延，严重影响到日常用水。控制水质污染离不开政府的宣传和环保单位的严格管控，水质分析仪的体积小巧、测量用时短，可通过无线网络将水质状况上传到管控中心，联合政府网站发布测量数据，是管控水质污染的主要测量工具。
1 抗干扰的嵌入式水质分析仪设计与实现
1.1 设计方案
如图1所示，抗干扰的嵌入式水质分析仪拥有5大模块，包括控制电路、电源电路、传感器模块、接口模块和嵌入式处理器。控制电路分复位电路和显示电路两部分；传感器模块包含温度传感器和氧浓度传感器；接口模块由硬件调试接口、存储接口、网络接口和串行通信接口组成，存储接口与程序存储器、数据存储器进行双向连通。
使用嵌入式处理器处理传感器模块采集到的水温和氧浓度数据，控制电路显示处理数据，通过复位电路隔离单次测量数据[2]。接口模块将其存入的程序和水质分析数据输出成电流模拟量，上传到管控中心。抗干扰的嵌入式水质分析仪的设计方案包含四部分：
（1） 实现电源电路抗干扰设计。抗干扰的嵌入式水质分析仪应进行全天在线测量，测量环境复杂，受天气、自然灾害、电磁信号等干扰，电源电路随时都有可能停止供电，采用交流蓄电池和不间断电源供电，设计抗干扰能力强的接线。
图1 抗干扰的嵌入式水质分析仪模块连接图
（2） 选择低功率处理器。减少嵌入式处理器能耗是为了延长抗干扰嵌入式水质分析仪的使用时间，分摊电源电路供电负担[3]，加强测量结果可靠性。
（3） 设计合理、实用的驱动程序。嵌入式处理器需要与控制电路、电源电路、传感器模块和接口模块分别进行独立连接，驱动程序要做到独立驱动不同模块，还要保证驱动用时少，驱动稳定，兼容众多任务模式。
（4） 选择友好的嵌入式操作系统。WinCE[4]是开放的32位掌上电脑操作系统，其操作界面简洁、处理速度快、文件可移植、系统资源丰富、适合小体积的水质分析仪。
图2是在WinCE上设计的软件驱动程序，WinCE的可移植性强，与嵌入式处理器功能兼容，可在短时间内稳定控制电路的显示与复位、传感器、存储器、网络连接和水流量控制。
1.2 电源抗干扰方案
嵌入式处理器的主频最高可达230 MHz。高频信号将高速信号带入控制电路、水质分析仪使用的测量溶液与电子元件接触产生电磁干扰[5]，测量数据不准确。嵌入式水质分析仪设计的电源抗干扰方案为改变电源接线，使用继电器进行独立供电。隔离继电器与控制电路的供电元件，可抵抗控制电路的电磁干扰。单独隔离继电器地线，可抵抗测量溶液带入的电磁干扰。
电源抗干扰接线原理如图3所示，电源电路的火线接于真实地面，地线是一个模拟地面，实现了地线隔离。真实地面与模拟地面之间的R1是个阻值为0的电阻丝，能够很好地将继电器并联到电源电路中[6]。将电源电路放置在接地的金属体中，可屏蔽掉天气和自然灾害对电源电路造成的干扰。
1.3 嵌入式处理器设计
S3C2411嵌入式处理器是32位的精简指令集计算机处理器，优点在于超低功率和高性价比，数据缩率指数为31∶0，图4是其结构图。S3C2411嵌入式处理器的设备资源丰富，功能齐全，有力减少了抗干扰嵌入式水质分析仪的模块数量、缩小了体积。S3C2411采用2.0～3.5 V的交流电源供电，可容纳硬件调试接口进行调试。锁相回路整合时脉信号，拥有静态缓冲区、虚拟内存控制平台、A/D转换器、显示屏控制单元、直接内存存取单元和五线制触摸屏端口，网络接口速率[7]区间为[10M，110M]，3台通用异步收发传输器共同收发水质数据。与控制电路的连接通过两线式串行总线或集成电路内置音频总线，接口电路使用USB主从接线，传输速率为150 KB/s。S3C2411包含118个可编程输入/输出通用接口以及若干电源电路控制接口，有25个信道与外界驱动源连通，兼容WinCE上的软件驱动程序。
2 实验分析
光化学第三定律显示，液体浓度和同厚度层的吸光度呈等比例关系，与入射光强无关[8]。由光化学第三定律可知，标准状态下，化学需氧量浓度与水质分析仪测得的电流模拟量为等比线性关系，但在众多因素的干扰下，等比线性关系被不得已破坏，抗干扰性能够让水质分析仪自动回归线性。
标定化学需氧量浓度为0 mg/L，30 mg/L，60 mg/L，120 mg/L，150 mg/L，180 mg/L，210 mg/L。两个邻近的标定值组成单独测量区间，将标准状态下的等比线性关系设为[y=kx+b。]其中：[x]代表水质分析仪测得的电流模拟量；[y]是化学需氧量浓度；[k]代表比因数，初值为1；[b]是坐标轴截距，初值为0。拟合两个邻近[y]值求取[k]，[b]，得到单独区间内的[y=kx+b]线段，将所有线段连接起来组成水质分析仪电流模拟量与化学需氧量浓度的实验拟合曲线，绘制图表时尽量保证曲线平滑。
图5是本文设计的嵌入式水质分析仪的实验拟合曲线，实验拟合曲线与标准线性曲线基本重合，图6、图7是模糊控制水质分析仪以及频域滤波水质分析仪的实验拟合曲线，可以看到两个实验拟合曲线与标准线性曲线的分离程度远大于图5。
从图5～图7中提取化学需氧量浓度为0 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L和200 mg/L的电流模拟量作为分析水质分析仪抗干扰性的实验对象，通过计算实验拟合曲线与标准线性曲线的重合偏量，评估水质分析仪抗干扰性。抗干扰性的分析理论由贝济埃曲线定理[9]提供，如下：
[α=i=1nv2in-1×100%]
式中：[α]是抗干扰偏量；[vi]是第[i]次实验中实验拟合曲线与标准线性曲线的重合偏量；[n]是实验次数。
由表1中记载的抗干扰度计算结果可知，本文设计的嵌入式水质分析仪抗干扰偏量全程低于0.8%，几乎不用校正电流模拟量。模糊控制水质分析仪的抗干扰性最差，最大抗干扰偏量为1.368%，最小抗干扰偏量高达0.642%，而且数值不稳定，很难统一进行电流模拟量校正。频域滤波水质分析仪稳定性好，可以进行统一校正，但抗干扰性不好。综合分析实验结果，所设计的嵌入式水质分析仪获得了很强的抗干扰性，与本文理念相吻合。
表1 抗干扰度计算结果
3 结 论
本文進行了水质分析仪的嵌入式和抗干扰设计，设计方案分为四个部分，分别是电源电路抗干扰设计、选择低功率处理器、设计合理且实用的驱动程序、选择友好的嵌入式操作系统。根据光化学第三定律和贝济埃曲线定理进行实验，实验结果与本文理念相吻合，所设计的水质分析仪具备很强的抗干扰性。
参考文献
[1] 林永峰，陈亮.面向安全性分析的嵌入式软件测试方法研究[J].现代电子技术，2016，39（13）：80?83.
[2] 李兵.如何实现为水处理场所控制器增加抗干扰能力[J].科学家，2016，4（7）：158?160.
[3] 王磊，冯茜.嵌入式系统能耗过程控制中的抗干扰滤波模型[J].科技通报，2015，31（10）：49?51.
[4] 李世光，王文文，申梦茜，等.基于变论域模糊PI四轮机器人的仿真与研究[J].科学技术与工程，2016，16（10）：191?194.
[5] 杨世德，梁光明，余凯.基于ARM嵌入式系统底层漏洞挖掘技术研究[J].现代电子技术，2015，38（18）：57?59.
[6] 王国庆，张团善，林森，等.嵌入式静电消除系统在电脑横机中的应用[J].西安工程大学学报，2016，30（3）：340?346.
[7] 陈沛沛，张艾芹，万晔，等.全自动连续流动分析仪快速测定水质硫化物[J].科技通报，2016，32（9）：5?10.
[8] 申军.嵌入式频率特性分析仪的设计及实现[J].计算机测量与控制，2016，24（8）：310?312.
[9] 曹德胜，贾海龙.随机长时延网络控制系统稳定与镇定仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（3）：328?331.
摘 要： 环保单位对水质污染的控制离不开水质分析仪，当受到天气、电磁等干扰时，水质分析仪的测量数据不准确。所以，设计抗干扰的嵌入式水质分析仪。使用嵌入式处理器分析水温和氧浓度数据，通过电流模拟量将水质分析数据上传到管控中心。水质分析仪的电源电路使用继电器独立供电，隔离继电器与其他供电元件，将继电器地线接到虚拟地面，实现电源电路抗干扰。嵌入式处理器选用低功率的S3D2552增强测量结果可靠性，在WinCE操作系统上设计软件驱动程序，供S3D2552驱动其他模块进行水质测量。实验分析结果显示，所设计的水质分析仪抗干扰性强，与设计理念一致。
关键词： 抗干扰； 嵌入式水质分析仪； WinCE； S3D2552
中图分类号： TN911.6?34； TP216.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0153?03
Design and implementation of embedded water quality analyzer resisting interference
ZHU Pengfei1， YE Bangli2
（1. Dazhou Vocational and Technical College， Dazhou 635000， China； 2. Chongqing Normal University， Chongqing 400047， China）
Abstract： The data measured by the available water quality analyzer is inaccurate due to weather and electromagnetic interference， therefore an embedded water quality analyzer to resist interference was designed. The embedded processor is used to analyze the water temperature and oxygen concentration data. The water quality analysis data is uploaded to control center by means of current analog quantity. The relay is used in power circuit of water quality analyzer to supply the power independently， and is isolated from other power supply components. The ground wire of relay is connected to a virtual ground to realize the anti?interference of power circuit. The low?power S3D2552 is selected for embedded processor to enhance the reliability of measurement results. The software driver was designed in WinCE operating system to let S3D2552 drive other modules for water quality measurement. The experimental analysis results show that the designed water quality analyzer has high anti?jamming ability， and is consistent with the design concept.
Keywords： anti?interference； embedded water quality analyzer； WinCE； S3D2552
0 引 言
我国经济水平一直处于稳步上涨阶段，由于企业的环保理念不健全，经济上涨破坏了自然界的生态平衡，水质、大气、土壤都受到了不同程度的污染。在人们赖以生存的地球中，71%的表面积被水资源覆盖[1]，从溪流到大海，水质污染不断蔓延，严重影响到日常用水。控制水质污染离不开政府的宣传和环保单位的严格管控，水质分析仪的体积小巧、测量用时短，可通过无线网络将水质状况上传到管控中心，联合政府网站发布测量数据，是管控水质污染的主要测量工具。
1 抗干扰的嵌入式水质分析仪设计与实现
1.1 设计方案
如图1所示，抗干扰的嵌入式水质分析仪拥有5大模块，包括控制电路、电源电路、传感器模块、接口模块和嵌入式处理器。控制电路分复位电路和显示电路两部分；传感器模块包含温度传感器和氧浓度传感器；接口模块由硬件调试接口、存储接口、网络接口和串行通信接口组成，存储接口与程序存储器、数据存储器进行双向连通。
使用嵌入式处理器处理传感器模块采集到的水温和氧浓度数据，控制电路显示处理数据，通过复位电路隔离单次测量数据[2]。接口模块将其存入的程序和水质分析数据输出成电流模拟量，上传到管控中心。抗干扰的嵌入式水质分析仪的设计方案包含四部分：
（1） 实现电源电路抗干扰设计。抗干扰的嵌入式水质分析仪应进行全天在线测量，测量环境复杂，受天气、自然灾害、电磁信号等干扰，电源电路随时都有可能停止供电，采用交流蓄电池和不间断电源供电，设计抗干扰能力强的接线。
图1 抗干扰的嵌入式水质分析仪模块连接图
（2） 选择低功率处理器。减少嵌入式处理器能耗是为了延长抗干扰嵌入式水质分析仪的使用时间，分摊电源电路供电负担[3]，加强测量结果可靠性。
（3） 设计合理、实用的驱动程序。嵌入式处理器需要与控制电路、电源电路、传感器模块和接口模块分别进行独立连接，驱动程序要做到独立驱动不同模块，还要保证驱动用时少，驱动稳定，兼容众多任务模式。
（4） 选择友好的嵌入式操作系统。WinCE[4]是开放的32位掌上电脑操作系统，其操作界面简洁、处理速度快、文件可移植、系统资源丰富、适合小体积的水质分析仪。
图2是在WinCE上设计的软件驱动程序，WinCE的可移植性强，与嵌入式处理器功能兼容，可在短时间内稳定控制电路的显示与复位、传感器、存储器、网络连接和水流量控制。
1.2 电源抗干扰方案
嵌入式处理器的主频最高可达230 MHz。高频信号将高速信号带入控制电路、水质分析仪使用的测量溶液与电子元件接触产生电磁干扰[5]，测量数据不准确。嵌入式水质分析仪设计的电源抗干扰方案为改变电源接线，使用继电器进行独立供电。隔离继电器与控制电路的供电元件，可抵抗控制电路的电磁干扰。单独隔离继电器地线，可抵抗测量溶液带入的电磁干扰。
电源抗干扰接线原理如图3所示，电源电路的火线接于真实地面，地线是一个模拟地面，实现了地线隔离。真实地面与模拟地面之间的R1是个阻值为0的电阻丝，能够很好地将继电器并联到电源电路中[6]。将电源电路放置在接地的金属体中，可屏蔽掉天气和自然灾害对电源电路造成的干扰。
1.3 嵌入式处理器设计
S3C2411嵌入式处理器是32位的精简指令集计算机处理器，优点在于超低功率和高性价比，数据缩率指数为31∶0，图4是其结构图。S3C2411嵌入式处理器的设备资源丰富，功能齐全，有力减少了抗干扰嵌入式水质分析仪的模块数量、缩小了体积。S3C2411采用2.0～3.5 V的交流电源供电，可容纳硬件调试接口进行调试。锁相回路整合时脉信号，拥有静态缓冲区、虚拟内存控制平台、A/D转换器、显示屏控制单元、直接内存存取单元和五线制触摸屏端口，网络接口速率[7]区间为[10M，110M]，3台通用异步收发传输器共同收发水质数据。与控制电路的连接通过两线式串行总线或集成电路内置音频总线，接口电路使用USB主从接线，传输速率为150 KB/s。S3C2411包含118个可编程输入/输出通用接口以及若干电源电路控制接口，有25个信道与外界驱动源连通，兼容WinCE上的软件驱动程序。
2 实验分析
光化学第三定律显示，液体浓度和同厚度层的吸光度呈等比例关系，与入射光强无关[8]。由光化学第三定律可知，标准状态下，化学需氧量浓度与水质分析仪测得的电流模拟量为等比线性关系，但在众多因素的干扰下，等比线性关系被不得已破坏，抗干扰性能够让水质分析仪自动回归线性。
标定化学需氧量浓度为0 mg/L，30 mg/L，60 mg/L，120 mg/L，150 mg/L，180 mg/L，210 mg/L。两个邻近的标定值组成单独测量区间，将标准状态下的等比线性关系设为[y=kx+b。]其中：[x]代表水质分析仪测得的电流模拟量；[y]是化学需氧量浓度；[k]代表比因数，初值为1；[b]是坐标轴截距，初值为0。拟合两个邻近[y]值求取[k]，[b]，得到单独区间内的[y=kx+b]线段，将所有线段连接起来组成水质分析仪电流模拟量与化学需氧量浓度的实验拟合曲线，绘制图表时尽量保证曲线平滑。
图5是本文设计的嵌入式水质分析仪的实验拟合曲线，实验拟合曲线与标准线性曲线基本重合，图6、图7是模糊控制水质分析仪以及频域滤波水质分析仪的实验拟合曲线，可以看到两个实验拟合曲线与标准线性曲线的分离程度远大于图5。
从图5～图7中提取化学需氧量浓度为0 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L和200 mg/L的电流模拟量作为分析水质分析仪抗干扰性的实验对象，通过计算实验拟合曲线与标准线性曲线的重合偏量，评估水质分析仪抗干扰性。抗干扰性的分析理论由贝济埃曲线定理[9]提供，如下：
[α=i=1nv2in-1×100%]
式中：[α]是抗干扰偏量；[vi]是第[i]次实验中实验拟合曲线与标准线性曲线的重合偏量；[n]是实验次数。
由表1中记载的抗干扰度计算结果可知，本文设计的嵌入式水质分析仪抗干扰偏量全程低于0.8%，几乎不用校正电流模拟量。模糊控制水质分析仪的抗干扰性最差，最大抗干扰偏量为1.368%，最小抗干扰偏量高达0.642%，而且数值不稳定，很难统一进行电流模拟量校正。频域滤波水质分析仪稳定性好，可以进行统一校正，但抗干扰性不好。综合分析实验结果，所设计的嵌入式水质分析仪获得了很强的抗干扰性，与本文理念相吻合。
表1 抗干扰度计算结果
3 结 论
本文進行了水质分析仪的嵌入式和抗干扰设计，设计方案分为四个部分，分别是电源电路抗干扰设计、选择低功率处理器、设计合理且实用的驱动程序、选择友好的嵌入式操作系统。根据光化学第三定律和贝济埃曲线定理进行实验，实验结果与本文理念相吻合，所设计的水质分析仪具备很强的抗干扰性。
参考文献
[1] 林永峰，陈亮.面向安全性分析的嵌入式软件测试方法研究[J].现代电子技术，2016，39（13）：80?83.
[2] 李兵.如何实现为水处理场所控制器增加抗干扰能力[J].科学家，2016，4（7）：158?160.
[3] 王磊，冯茜.嵌入式系统能耗过程控制中的抗干扰滤波模型[J].科技通报，2015，31（10）：49?51.
[4] 李世光，王文文，申梦茜，等.基于变论域模糊PI四轮机器人的仿真与研究[J].科学技术与工程，2016，16（10）：191?194.
[5] 杨世德，梁光明，余凯.基于ARM嵌入式系统底层漏洞挖掘技术研究[J].现代电子技术，2015，38（18）：57?59.
[6] 王国庆，张团善，林森，等.嵌入式静电消除系统在电脑横机中的应用[J].西安工程大学学报，2016，30（3）：340?346.
[7] 陈沛沛，张艾芹，万晔，等.全自动连续流动分析仪快速测定水质硫化物[J].科技通报，2016，32（9）：5?10.
[8] 申军.嵌入式频率特性分析仪的设计及实现[J].计算机测量与控制，2016，24（8）：310?312.
[9] 曹德胜，贾海龙.随机长时延网络控制系统稳定与镇定仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（3）：328?331.
