基于Cortex-A8的移动在线水质监测平台的研究

吴 宇，杨 江，张 龙

(浙江大学 控制科学与工程学院，浙江 杭州310027)

随着我国工业发展，水污染问题日益突出，对水质进行监测越来越重要。2000年我国自主生产的“长江水环检测2000”[1]，因其检测船造价昂贵，难以在全国推广。电子技术的发展，使得以更微型、更廉价的方式制造出类似“长江2000”监测船功能的在线水质监测平台成为可能。因此，本文提出了以德州仪器2012年最新发布的以低功耗且价格敏感的工业用芯片AM3359为核心处理器的移动在线水质监测平台。该平台可以实现水域中的任意移动、平台的经纬度实时监测、水样本的自动获取及各项水质指标的检测、图像数据及被检水质数据的无线传输。平台配备了柔性太阳能电池板、12 V蓄电池以及相应的电源控制电路，可实现蓄电池的自动充电。

1 系统构成

整个系统主要由移动平台和监控中心两部分组成。监控中心主要由基于PC机的上位机软件和算法组成。移动平台包括核心处理器、电源模块以及各种功能模块。核心处理器采用AM3359低功耗芯片，它是一款基于Cortex-A8内核的高性能低价格（约5美元一片）工业型芯片，具有720 MHz的主频，采用 32 bit RISC精简指令，具有12 bit高精度ADC、3路增强型的PWM通道、SGX530图像引擎，支持ddr2和ddr3内存，支持最新的Linux和Wince操作系统，功耗低至7 mW。功能模块包括水质测量模块、图像采集模块、电源模块、电机控制模块、GPS定位模块、GPRS无线传输模块、电子罗盘方向导航模块、超声波测障模块。

水质监测平台系统构成图如图1所示。

2 硬件设计

在图1中，电子罗盘模块采用霍尼韦尔公司推出的3轴数字罗盘HMC5883；GPS模块和GPRS模块采用SIMCom公司最新推出的sim908模块，该模块把GPS和GPRS集成到一起，由AT指令控制；水质采样模块使用2个小型水泵，通过I/O口控制继电器实现水泵的抽水和排水；太阳能充电模块采用CN3063太阳能充电管理芯片。这些模块在应用时十分简单，本文不详细阐述。本文将重点介绍运动控制模块的改进和基于Linux操作系统的图像采集与传输。

2.1 运动控制模块设计

本设计选用无刷直流电机作为运动控制模块的核心部件，选用IR21365和GIB10B60KD1构成无刷电机的驱动电路。无刷电机由于没有电刷，寿命比有刷电机提高了6倍，同时还具有结构简单、性能可靠、永无磨损、空载电流小、过载能力大等优点[2-3]。运动控制模块结构框图如图2所示。

2.2 硬件逻辑防短路电路设计

软件逻辑上的错误可能导致与电机某相连接的上下两只IGBT管同时导通，使电路出现短路[4]，引起电流过大而烧坏IGBT管。对此，本文通过“与非门”搭建一个电路，使得当与上下两只IGBT管栅极相连的PWM波引脚都为高电平时，与电机相连的相不导通。由于电机三相存在对称性，这里仅取电机的A相来分析硬件上如何防止上下两只IGBT管同时导通，其原理图如图3所示。

由于IR2136S只是增强信号的驱动能力，不改变信号逻辑上的值，因此从逻辑上说 Q1′和 Q1、Q2′和 Q2是一样的。根据本文的设计，当 Q1′、Q2′为低电平时，相应的IGBT管为导通状态，其真值表如表1所示。

表1 电机单相受PWM波控制真值表

由表1可知，当由于软件误操作导致PWM1和PWM2同时高电平或者同时低电平时，与之相连的两个IGBT管都是截止状态，防止了短路的发生，从硬件上有效地保护了电机。

2.3 图像采集模块

本文采用OV7620 COMS摄像头，其分辨率达到640×480，支持 RGB和YUV图像数据格式。5 V电源供电,工作时功耗＜120 mW，待机时功耗＜10 μW[5]。 该模块与微处理器的连接框图如图4所示。

OV7620的控制符合SCCB(Serial Camera Control Bus)协议，它是一种简化了的I2C协议，本文采用I/O模拟SCCB总线的方式来控制OV7620。编写一个I2CSendByte()函数来写寄存，该函数的第一个参数为OV7620的芯片地址0x42，第二个参数为片内寄存器地址，第三个参数为相应寄存器的设定值。本文设置OV7620为连续扫描、RGB原始数据16位方式输出。用如下的函数可以完成设置：

处理器把OV7620采集到的RGB格式的图像数据压缩成JPEG格式并存储于SD卡中，当收到相应命令时，通过GPRS无线模块把图像发送给监控中心。

3 系统软件设计

3.1 操作系统

本文采用具有可靠性高、源代码开放等优点的Linux操作系统。在为系统移植Linux操作系统之后，将为OV7620添加驱动程序。

整个系统流程为：系统开机后进行初始化并创建各个任务，任务创建成功后系统检测GPRS缓冲区中的数据并判断是自主导航还是手动导航。如果是手动导航，则系统直接接收远程遥控到目的地采集水样；如果是自动导航，则系统通过GPS获取目标位置和当前位置并计算运动路线。运动过程中通过超声波不断探测前方是否有障碍物，如果有障碍则系统进行避障运动。避障后系统重新确定运动路线和运动方向。当系统到达指定位置时便开始水质采样和分析以及水质的影像采集。最后数据通过无线模块传输回监控中心。这样就完成了一次水质采样。

3.2 驱动程序的编写

摄像头设备属于字符设备，它能够像字节流一样被访问，并且只能够顺序读写[6]。添加一个设备驱动程序的标准流程如图5所示。

图5 Linux系统下添加驱动程序流程图

当调用驱动程序时，操作系统会自动调用module_init()函数；退出驱动程序时，操作系统会自动调用module_exit()函数以释放系统资源。

关键的函数如下：

其中有一个非常重要的结构体(即file_operations结构体)是Linux系统中为应用程序提供各种操作接口的核心结构体，编写驱动的大部分工作实际上就是填充file_operations结构体中的各个子函数。在本文中，摄像头的file_operations结构体如下：

如填充ov7620_open子函数如下：

当应用程序调用open函数时，程序最终会调用到驱动程序里的OV7620_open()函数，从而操作硬件。其他的应用程序的函数调用，最终也会寻找到file_operations结构体中对应的钩子函数，在此不再赘述。

3.3 图像的压缩传输

为加快图像传输的速度和节省流量，本文采用JPEG的图像压缩方式。在JPEG算法中，通常是将图像分成一个个8×8的图像子块，对每一个图像子块进行离散余弦变换。所使用的二维离散余弦变换(DCT)公式如下[7]：

其逆变换如下：

JPEG图像压缩在Linux操作系统中的具体实现方式为：在工程文件夹下一次拷贝libjpeg.lib、jconfig、jmorecfg.h、jpeglib.h这4个文件；然后在主程序所在的#include“jpeglib.h”源文件中，调用 jpeg_start_compress()函数进行压缩；压缩完成后需调用jpeg_finish_compress()函数来完成压缩；最后需要调用jpeg_destroy_compress()函数来释放压缩过程中申请的资源。压缩效果如图6所示，压缩前图片大小为 850 KB，压缩后图片大小为45 KB，可见采用JPEG压缩效果十分明显。

本文介绍了以高性能Cortex-A8微处理器为核心的移动在线水质监测平台的开发和系统的软、硬件组成，并且对一些不足提出了改进。实践证明，该系统可长期在水域中监测水质，并可顺畅地传输回所在位置的水质图像，具有一定的应用价值。

[1]李飞飞，杨江.遥控式移动水质快速监测系统[DB].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2011：6-7.

[2]韦鲲，任军军.三次谐波检测无刷直流电机转子位置的研究[J].中国电机工程学报，2004，24(5)：163-167.

[3]黄小莉，何毅.三相直流无刷电机驱动板设计[J].机械设计与制造，2011，5(5)：60-62.

[4]让余奇，曹彦.采用IGBT的无刷直流电动机保护技术[J].微特电机，2004，5(5)：38-40.

[5]雷霏霖，梁志毅.基于 CMOS传感器OV7620采集系统设计[J].电子测量技术，2008，31(12)：110-112.

[6]樊国栋，石红瑞.嵌入式 Linux下 CMOS摄像头驱动的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2010，3(3)：68-70.

[7]郑凯华，章旭东.基于S3C2440的图像采集与显示系[J].计算机系统应用，2011，20(8)：225-228.