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基于嵌入式技术的水质分析仪关键技术的研究

作　者: 张明亮
导　师: 黄静
学　校: 浙江理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 嵌入式技术水质分析仪功耗优化发光细菌生物毒性
分类号: TP368.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着人类社会的飞速发展,工农业生产所产生的废弃物与日俱增。这些废弃物如果未经过严格的处理就直接或者间接的排放到水域中,会给水坏境造成严重的污染。近年来,重大的水环境污染事件频繁发生,为了预防水质污染所产生的严重后果,对水质进行实时的在线监测,建立早期的预警系统就显的格外的重要。随着现代信息技术、微电子技术和生物技术的不断发展,利用水生生物来检测水质受污染情况的应用越来越多。本课题中所研究的水质分析仪是根据毒性物质对特殊的发光细菌的发光度的抑制作用而设计的,它通过检测发光细菌发光度的变化,分析被测水样中的重金属和其它有机污染物所造成的生物毒性。水质分析仪采用三星公司的微处理器S3C2410作为控制核心,采用嵌入式Linux操作系统,并辅以相应的外围电路作为硬件电路平台实现一个自动化程度比较高的智能控制系统。本系统可以快速准确的在线监测水质的综合毒性。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)本文针对嵌入式系统的功耗优化进行了深入的研究。在嵌入式系统的硬件级,通过对动态功耗和静态功耗的产生及其功耗模型进行研究,提出了功耗敏感性分析的概念,在电路设计中充分考虑功耗敏感性特性,能够设计出相对功耗较小的电路。在软件级,首先完成嵌入式软件功耗度量的基础上,通过对硬件微结构级和电路级功耗模型的研究,分析出了软件功耗产生原因和构成因素。以此作为理论依据,在本系统软硬件设计时,尽量充分考虑各因素对功耗的影响,从而尽可能降低本系统的功耗。(2)对发光细菌检测生物毒性的原理进行了研究,通过实验数据的采集,构建了发光细菌的生长曲线以及发光细菌在有毒物质的作用下发光强度的变化曲线,为测定和判断水质的受污染等级提供依据。根据数据分析结果,针对被测水样的浊度对细菌发光信号的影响,利用一种浊度补偿算法对采集的光信号数据进行修正,使其尽量准确。(3)对嵌入式系统的硬件电路进行设计,包括CPU核心电路的设计和一些外围控制电路的设计。CPU核心电路的设计主要有处理器、Flash、SDRAM、网络接口电路、标准JTAG接口、电源电路、复位电路、时钟电路等的设计。外围电路模块主要包括触摸屏和LCD显示接口电路、Uart接口电路、以太网外围接口电路、电机驱动电路、流量阀控制电路、光信号和温度数据采集电路、电压转换电路等几个模块。其中,对步进电机进行深入的研究后,提出了一种启动控制算法,从而使步进电机在启动时经常出现的启动时间慢、启动失步甚至是不能启动等问题得到了改善。(4)构建合适的嵌入式Linux操作系统。针对选定的硬件平台进行了嵌入式Linux内核的移植、vivi引导加载程序的移植、根文件系统的移植、QT的移植和应用程序的编写。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-19
  1.1 本课题研究的背景  12
  1.2 研究的目的和意义  12-14
  1.3 水质检测技术的国内外发展现状  14-16
  1.4 本课题主要研究的内容  16-19
第二章水质分析仪控制平台的整体设计  19-29
  2.1 嵌入式系统概述  19-20
    2.1.1 嵌入式系统的定义和特点  19-20
    2.1.2 嵌入式系统的发展及前景  20
  2.2 水质分析仪的简介  20-23
    2.2.1 分析仪的工作原理  21
    2.2.2 分析仪的内部构造简介  21-22
    2.2.3 分析仪工作流程  22-23
    2.2.4 分析仪实现的功能  23
  2.3 水质分析仪的整体设计  23-28
    2.3.1 硬件平台的选择  24-25
    2.3.2 硬件架构的设计  25-26
    2.3.3 嵌入式操作系统的选择  26-27
    2.3.4 系统软件架构设计  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章嵌入式系统的低功耗研究  29-42
  3.1 集成电路功耗研究  29-33
    3.1.1 动态功耗的产生  29-32
    3.1.2 静态功耗的产生  32-33
  3.2 功耗的敏感性分析  33-38
    3.2.1 功耗敏感性分析方法  33-37
    3.2.2 敏感性分析应用  37-38
  3.3 嵌入式软件功耗分析  38-41
    3.3.1 嵌入式软件功耗研究现状  38-39
    3.3.2 微结构级功耗模型  39-40
    3.3.3 电路级功耗模型  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章发光细菌法在水质监测中应用的研究  42-57
  4.1 发光细菌毒性检测技术的研究进展  42-45
    4.1.1 发光细菌及其发光机理  42-44
    4.1.2 发光细菌毒性检测方法  44-45
    4.1.3 发光细菌毒性检测的环境标准和法规  45
  4.2 发光细菌活性控制  45-49
    4.2.1 发光细菌生长曲线构建  46-47
    4.2.2 发光细菌冷藏复苏技术研究  47-49
  4.3 发光细菌毒性试验  49-56
    4.3.1 毒理学的一些基本概念  49-50
    4.3.2 毒性试验方法介绍  50
    4.3.3 发光细菌毒性试验  50-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章嵌入式系统硬件平台的搭建  57-75
  5.1 CPU 电路设计  57-62
    5.1.1 NAND FLASH 电路设计  58-59
    5.1.2 SDRAM 电路设计  59-61
    5.1.3 电源、时钟和复位电路模块  61-62
  5.2 电机控制电路的设计  62-68
    5.2.1 步进电机工作原理  62-63
    5.2.2 步进电机控制驱动器电路设计  63
    5.2.3 步进电机的启动控制算法研究  63-68
  5.3 其他外围接口电路模块  68-74
    5.3.1 触摸屏和LCD 接口电路  68-69
    5.3.2 以太网接口电路  69-71
    5.3.3 电磁阀驱动接口电路  71-72
    5.3.4 光信号采集接口电路  72-74
  5.4 本章小结  74-75
第六章嵌入式系统软件平台的搭建  75-96
  6.1 引导加载程序 vivi 在 S3C2410 上的移植研究  75-80
    6.1.1 vivi 简述  76
    6.1.2 vivi 启动流程  76-78
    6.1.3 vivi 的移植过程  78-80
  6.2 嵌入式Linux 内核的移植  80-86
    6.2.1 Linux 内核结构  80-81
    6.2.2 Linux 内核的配置和编译  81-86
  6.3 YAFFS 嵌入式文件系统的移植  86-89
    6.3.1 YAFFS 文件系统介绍  86
    6.3.2 构建支持YAFFS 文件系统的Linux 内核  86-88
    6.3.3 文件系统 YAFFS2 和 JFFS2 的比较  88-89
  6.4 QT 的移植  89-95
    6.4.1 国内外几种嵌入式GUI 系统实现方式与特点  89
    6.4.2 Qt/E 介绍及开发环境的建立  89-91
    6.4.3 Qt/E 的移植  91-94
    6.4.4 Qt/Embedded 界面设计  94-95
  6.5 本章小结  95-96
第七章总结与展望  96-98
  7.1 总结  96-97
  7.2 展望  97-98
参考文献  98-105
致谢  105-106
攻读学位期间的研究成果  106

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