基于DSP的地下微水檢測系統(tǒng)的設(shè)計

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(shù)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(fù)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(zhì)參數(shù)。

1 地下微水檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案

該檢測系統(tǒng)用于確定不同低滲透性含水層介質(zhì)中的滲透參數(shù)。通過在含水層布置的鉆孔中激發(fā)水頭變化，實時測量水頭隨時間的變化，利用地下水動力學(xué)原理，計算含水層的滲透系數(shù)。

該系統(tǒng)通過MSP430單片機(jī)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(jīng)過簡單處理后上傳到TMS320F2812進(jìn)行分析處理，得到井下水面高度變化以及井下水溫等參數(shù)的精確值，并送至液晶顯示屏實時顯示，同時對USB設(shè)備進(jìn)行簡單文件操作，便于數(shù)據(jù)存取。將μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)移植到TMS320F2812中可提高系統(tǒng)的可靠性，具有良好的擴(kuò)展性。

圖1為該地下微水檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，它主要由主控單元TMS320F2812、數(shù)據(jù)采集、USB接口、液晶顯示、電源及復(fù)位電路等模塊組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用于采集液體的壓力和溫度值。該系統(tǒng)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。該壓力式液位變壓器再將標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳輸給MSP430單片機(jī)。溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，該器件也將溫度值傳送給MSP430單片機(jī)。

2．2 USB接口模塊

USB接口模塊對U盤進(jìn)行操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)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(nèi)部電源節(jié)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(fù)位，電源電壓上升時間應(yīng)小于100 ms。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括MSP430數(shù)據(jù)采集模塊、μC/OS-Ⅱ在TMS320F2812上的移植、μC/OS-Ⅱ下應(yīng)用程序等3部分。

3．1 MSP430數(shù)據(jù)采集模塊

MSP430數(shù)據(jù)采集模塊軟件程序設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方案。該模塊軟件設(shè)計從功能上可分為2部分，第1部分是與硬件密切相關(guān)的驅(qū)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(nèi)置外設(shè)；第2部分是跟硬件無關(guān)的應(yīng)用程序，主要包括讀取溫度、壓力采樣、數(shù)據(jù)處理等。圖3為MSP430數(shù)據(jù)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(nèi)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(guān)：OS_CPU_A．ASM(匯編文件)，OS_CPU．H，OS_CPU_-C．C(處理器相關(guān)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(jìn)行操作系統(tǒng)移植的完整移植代碼。

3．3 μC/OS-Ⅱ下應(yīng)用程序設(shè)計

　　移植實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ是為了應(yīng)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(wù)之前，需要定義任務(wù)堆棧的長度、任務(wù)堆棧以及聲明任務(wù)函數(shù)，然后在適當(dāng)?shù)牡胤絼?chuàng)建任務(wù)。

　　TMS320F2812實現(xiàn)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析再處理、液晶顯示、USB存取數(shù)據(jù)。因此，本系統(tǒng)任務(wù)劃分為：系統(tǒng)運行監(jiān)視、USB存取、與從機(jī)MSP430通信、鍵盤液晶、實時時鐘、運行指示等任務(wù)。各任務(wù)優(yōu)先級分配如表1所列。圖4為該系統(tǒng)應(yīng)用程序總體流程。

4 實驗結(jié)果

　　實驗結(jié)果表明：采用TMS320F2812實現(xiàn)的地下微水檢測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確觀測井中水位降深隨時間變化的規(guī)律，利用這些試驗數(shù)據(jù)求解出低滲透性含水層介質(zhì)中滲透參數(shù)。該系統(tǒng)可在一個采樣周期內(nèi)高精度測量井中水位降深以及井下水溫等參數(shù)。該檢測系統(tǒng)的采樣頻率可以修改，例如：設(shè)l s采樣10個數(shù)據(jù)，1個采樣周期為1 min。即采樣一次可獲得600個數(shù)據(jù)，同時可手動按鍵設(shè)置測井編號、測量次數(shù)、測量時間等參數(shù)，針對不同場合在壓力傳感器范圍內(nèi)修正零點。測量數(shù)據(jù)通過USB接口讀寫和刪除，便于后期統(tǒng)計處理測量數(shù)據(jù)；并采用液晶屏，具有良好的人機(jī)界面和操作性能。液晶屏可同時顯示各種參數(shù)，全部操作可根據(jù)漢字提示直接輸入，顯示智能儀表現(xiàn)場無障礙輸入。

5 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)利用TMS320F2812的高速的數(shù)據(jù)處理功能。實現(xiàn)地下微水檢測，具有可靠性高，易操作等優(yōu)點。但需注意的問題：由于本裝置野外作業(yè)，在供電電源條件不足的情況下，需電池供電，因此應(yīng)在軟硬件設(shè)計時，充分考慮系統(tǒng)低功耗工作的問題。該系統(tǒng)采用USB接口，便于存取、分析和處理數(shù)據(jù)，并將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)移植到TMS320F2812中，采用模塊化的設(shè)計方案。大大縮短軟件開發(fā)周期，同時有利于提高程序的實時性和產(chǎn)品的可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于現(xiàn)場，運行正常，達(dá)到預(yù)期項目要求。