摘要: 水位雨量采集系统为防汛测报提供及时的水雨情信息，随着应用需求的增加，原有的以8位单片机为核心的控制系统（rtu）满足多任务、多信道方面已经显得有点力不从心，采用嵌入式系统可以实现除了现有的卫星、电话、gsm/gprs等通信方式外，还可以实现基于网络的数据传输方式，实现对水位、雨量进行实时在线监测，从而实现测报系统的网络化。介绍了嵌入式系统的基本原理，分析了arm微处理器的体系结构、指令系统、操作系统、开发软件等嵌入式开发技术，给出了基于arm的嵌入式系统的解决方案，并对水位雨量采集、存贮、传输和数据安全措施进行了分析设计。

关 键 词: arm;嵌入式;数据采集

中图分类号: p332:tp274 文献标识码: a

1 问题的提出

1.1 嵌入式系统应用背景

嵌入式系统是可精简的专用计算机系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适用于开发对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的应用系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。随着internet网的广泛普及应用和各种多媒体设备以及无线网络的发展，嵌入系统的应用越来越广泛。它涉及面广，技术难度较大，目前在国内属于比较前沿的技术。

1.2 水位雨量采集系统存在问题

水位雨量采集系统的主要功能是对水文站、水位站的水位、雨量进行数据采集，并向水情中心传送信息。目前国内使用的系统设备多以8位单片机为核心的数据终端，外接水位、雨量传感器，配以flush、eeprom等作为存贮媒介，实现了对水位、雨量信息进行采集、存贮、传输。随着自动测报技术的发展，采集的信息内容更多，信息量更大。例如:adcp实时在线流量监测，泥沙、水质在线监测等，还有使用网络传输等。使用目前的设备难以胜任，主要存在如下问题:

（1）单片机的运算速度和内存容量有限，有限的资源已成为其发展的障碍;

（2）大数据量信息的现场处理困难;

（3）难以实现网络传输。

1.3 嵌入式系统的优势和技术难点

针对上述存在的问题，嵌入式系统在水文信息系统中有很大的优势:

（1）系统稳定可靠、功耗低、存贮容量大;

（2）运算速度快，可以快速处理较复杂的算法和协议;

（3）可以接入internet网，利用公用网进行数据传输，完全实现数据的在线监测。

实现嵌入式系统的技术难点主要是根据水位雨量采集的要求，设计硬件电路及外围接口电路，在软件上要移植嵌入式操作系统及利用操作系统提供的api函数实现操作系统功能调用，编写硬件驱动程序，移植gui软件，实现友好的人机界面。另外，实现tcp/ip协议，接入internet网也是一个重要的难点。实现嵌入式的水位雨量采集系统的途径主要是选择嵌入式微处理器和嵌入式操作系统，首先搭建硬件平台，在硬件平台上移植操作系统，然后实现tcp/ip等协议，最后开发应用软件。

2 嵌入式水位雨量采集系统分析与设计

水位雨量采集系统集数据采集、存贮、传输于一体，随着计算机和通信技术的发展，嵌入式系统开发技术已经成熟，把嵌入式系统应用到水位雨量采集上是完全可行的。

2.1 系统需求分析

2.1.1 水位雨量采集系统基本原理

水位雨量采集系统由遥测站和中心站组成，它的基本组成如图1所示。

遥测站主要是数据采集和发送站，中心站则是数据接收和处理站，它还具有发送指令的功能。

水位雨量采集系统按数据传输方式大体可分为3种运行体制:即自报式、应答式、混合式。

2.1.2 水位雨量采集系统的要求

要实现水位、雨量自动监测，系统应满足下列要求:

（1）采用定时自报、事件自报、加报和召测兼容的工作方式。

（2）能自动采集、存贮水位、雨量等参数。采样、存贮间隔可编程。

（3）能自动按定时自报方式向中心站发送水情信息，定时间隔可编程。

（4）具有“加报”功能。当水位、雨量超过设定值时自动向中心站发送水位雨量数据，水位雨量设定值可编程。

（5）具有多种信道接口，能通过不同信道自动传输水情数据，当主信道故障时，自动切换到备用信道发送。

（6）中心站能对所辖站点进行参数设置、读取数据。

（7）水位、雨量数据能按时间存贮和按变率存贮两种方式存贮。

图1 数据采集系统的基本组成（略）

2.2 总体方案设计

（1）处理器的选择。arm具有体积小、功耗低、存储容量大，运行速度快等特点，测站数据采集终端采用具有arm内核的cpu，它能克服原来单片机系统的缺点，能满足现代水文监测的要求，提高系统的稳定性和可靠性。处理器采用三星公司的s3c44b0x微处理器（简称44b0x），它不仅具有arm内核，而且还提供了全面的通用片上外设，大大减少了系统中除处理器以外的元器件配置，从而使系统成本大为降低。

（2）接口设计。雨量计接口:开关信号输入，可接翻斗式雨量计;水位计接口:rs232c、rs485、sdi-12;流量/泥沙/水质传感器接口:rs232c rs485;通信接口:rs232c可接卫星终端、电话调制解调器、gsm、gprs。

2.3 硬件系统设计

根据应用要求对嵌入式系统进行裁剪，设计基于arm的硬件框图如图2所示。

系统由arm内核的cpu、存储器flash、随机存储器ram、lcd液晶显示器和触摸屏等组成，水位接口采用sdi-12接口连接水位编码器，雨量是开关量信号，采用i/o口与之连接，通信模块接入rs232口，网络接口通过隔离变压器与外部交换机连接。

2.3.1 系统存储器设计

存储器采用flash存储器，线性flash用于固化程序，非线性nand-flash用于存贮数据，随时存储器sdram作为系统的内存。

（1）线性flash。线性flash与44b0x的硬件，接口中主要有地址线、数据线和控制线。

（2）非线性nand-flash。非线性nand-flash与线性flash有不同的特点，其内部采用非线性宏单元模式，容量较大，改写速度快，u盘就采用nand-flash存储器做的。它由块—页构成，每块由32页组成，读与写都以页为单位进行操作，擦除是基于块进行操作的。

（3）sdram存储器。s3c44b0x具有与sdram控制信号线一一对应的接口信号，因此s3c44b0x扩展sdram存储器是十分方便的。

图2 嵌入式水位雨量采集系统硬件框图（略）

2.3.2 显示与键盘设计

lcd的接口，44b0x内部含有一个lcd驱动控制器，能自动产生lcd驱动控制所需的控制信号，因此44b0x能与stn型的彩色lcd屏直接连接，不需要外加控制器。在这种方式下，lcd显示缓冲区映射在系统的存储空间上，程序只需要将像素点的内容写入存储器对应地址就可以实现对应lcd屏上像素点颜色的显示。