arm嵌入式系統(tǒng)課程設計--溫度采集系統(tǒng)的設計

1、<p>　　《嵌入式系統(tǒng)二》課程設計報告</p><p><b>　　溫度采集系統(tǒng)的設計</b></p><p><b>　　班級:</b></p><p><b>　　學號:</b></p><p><b>　　姓名:</b></p>

2、;<p><b>　　指導教師：</b></p><p>　　設計日期：2013年7月1日 至 2013年7月5日</p><p>　　設計題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)設計 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計是基于嵌入式技術作為主處理器的溫度采

3、集系統(tǒng)，利用S3C44B0x ARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論了如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴展性。并解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。</p><p>　　關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) ARM S3C44B0 溫度采集 數(shù)據(jù)處理</p

4、><p><b>　　一、緒論</b></p><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　?。?） 了解所選擇的ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數(shù)/定時，I/O口，中斷等的相關原理，并鞏固學習嵌入式的相關內容知識。</p><p>　?。?） 通過軟硬件設計實現(xiàn)利用ARM芯片對周

5、圍環(huán)境溫度信號的采集及顯示。</p><p><b>　　1.2設計背景</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結

6、合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適

7、應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、

8、用戶自定義的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。</p><p

9、>　　傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當務之急?；贏RM的溫度采集系統(tǒng)就成為了解決傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)各種弊端的優(yōu)先選擇方案。</p><p><b>　　二、設計方案</b></p><p>

10、<b>　　2.1設計要求</b></p><p>　?。?）查閱相關文獻資料，熟悉所選ARM芯片及溫度傳感器</p><p>　?。?）總體設計方案規(guī)劃</p><p>　?。?）系統(tǒng)硬件設計，熟悉AD轉換原理及過程，溫度傳感器與ARM芯片的硬件接口實現(xiàn)及溫度顯示。</p><p>　　（4）系統(tǒng)軟件設計，包括溫度的A

11、D轉換及顯示的軟件實現(xiàn)，用C語言編程</p><p>　?。?）設計心得體會及總結</p><p><b>　　2.2方案論證</b></p><p>　　有許多客觀需求促進了ARM處理器的設計改進。首先，便攜式的嵌入式系統(tǒng)往往需要電池供電。為降低功耗，ARM處理器已被特殊設計成較小的核，從而延長了電池的使用時間。 高的代碼密度是嵌入式系統(tǒng)的又

12、一個重要需求。由于成本問題和物理尺寸的限制，嵌入式系統(tǒng)的存儲器是很有限的。所以，高的代碼密度對于那些只限于在板存儲器的應用是非常有幫助的。</p><p>　　另外，嵌入式系統(tǒng)通常都是價格敏感的，因此一般都使用速度不高、成本較低的存儲器。 ARM 內核不是一個純粹的RISC體系結構，這是為了使它能夠更好的適應其主要應用領域－－嵌入式系統(tǒng)。在某種意義上，甚至可以認為ARM 內核的成功，正是因為它沒有在RISC的概念

13、上沉入太深?，F(xiàn)在系統(tǒng)的關鍵并不在于單純的處理器速度，而在于有效的系統(tǒng)性能和功耗。</p><p>　　在本系統(tǒng)的設計過程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的基本設計思想，系統(tǒng)采用了模塊化的設計方法，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術指標，系統(tǒng)遵循自上而下、由大到小、由粗到細的設計思想，按照系統(tǒng)的功能層次，在設計中把硬件和軟件分成若干功能模塊分別設計和調試，然后全部連接起來統(tǒng)調。</p><p><b>

14、;　　三、硬件設計</b></p><p><b>　　3.1設計思路</b></p><p>　　本設計的基于ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源部分＋ARM 核心控制模塊＋溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從CPU協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與顯示，具有處

15、理速度快、精度高、人機交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴展性好等優(yōu)點。</p><p>　　本設計的基于ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源部分＋ARM 核心控制模塊＋溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。</p><p><b>　　電源部分</b></p><p>　　圖3-1  系統(tǒng)原理框圖&l

16、t;/p><p><b>　　3.2系統(tǒng)電路設計</b></p><p>　　3.2.1 電源電路設計</p><p>　　本系統(tǒng)的電源電路由兩部分組成：系統(tǒng)總電源電路和RAM核心模塊電源電路。如圖3-2：+12V恒定直流電源經(jīng)電容濾波，分別進入7809和7805穩(wěn)壓，得到+9V和+5V的穩(wěn)定電壓輸出后分別供給ARM核心控制模塊和其余電路部分使用。

17、圖中IN4148是為了防止輸出端并接高于本穩(wěn)壓模塊的輸出電壓而燒壞7809和7805而特別設計，達到了可靠性電源設計目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時均應在7809和7805上加散熱片散熱。 由圖可見，系統(tǒng)采用雙電源供電，提供了系統(tǒng)正常工作所需的電源電壓。另外，由于考慮到便攜目的，本系統(tǒng)采用+12V鉛蓄電池提供系統(tǒng)所需的恒定直流電源。</p><p>　　圖3-2  系統(tǒng)電源電路原理圖&l

18、t;/p><p>　　如圖3-2：I/O 口提供了相應的穩(wěn)定直流電源。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設計的。由于S3C44B0x采用2.5V作為ARM 內核電源，使用3.3V作為I/O 口電壓，故ARM核心控制模塊電源需要另外單獨設計，其電源電路如圖3-2所示。由系統(tǒng)總電源電路提供的+9V穩(wěn)壓電源作為輸入，分別經(jīng)AS1117-5.0、AS1117-3.3、 AS1117-2.5穩(wěn)壓后，輸出5

19、.0V、3.3V和2.5V恒定電源，為RAM 內核和I/O口提供了相應的穩(wěn)定直流電源 。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設計的。</p><p>　　3.2.2溫度采集電路設計</p><p>　　溫度采集模塊電路采用AT89S52單片機作為模塊的協(xié)控制器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，因為DS18B20是Dallas公司最新單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器集溫

20、度變換、A/D轉換于同一芯片，輸出直接為數(shù)字信號，大大提高了電路的效率。由于現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，且提高了CPU的效率。AT89S52單片機的P0 口與8路溫度傳感器相連，用于采集溫度數(shù)據(jù)；另外，模塊提供RS-232串行口與RAM核心控制模塊通信，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹囟炔杉K電路原理圖如圖3-3。</p><p>　　圖3-3  溫度采集電路原理圖<

21、;/p><p><b>　　四、軟件設計</b></p><p><b>　　4.1設計思路</b></p><p>　　本系統(tǒng)軟件設計是在CodeWarrior for ADS開發(fā)環(huán)境下完成的。本溫度數(shù)據(jù)采集與顯示裝置的主體由S3C44B0x核心控制模塊和溫度數(shù)據(jù)采集模塊構成，所以系統(tǒng)軟件也是圍繞這兩個模塊來編寫的。而又由于

22、系統(tǒng)采用了S3C44Box和AT89S52兩個CPU協(xié)同工作，所以軟件的編寫需要對這兩個CPU分別編寫，以實現(xiàn)所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。</p><p><b>　　圖4-1程序流程圖</b></p><p>　　由該流程圖可看出，剛上電時，S3C44B0x要先進行ARM 內部的初始化，以使ARM進入相應的狀態(tài)和模式；然后初始化硬件裝置，以使硬件系統(tǒng)可以正常

23、支持溫度數(shù)據(jù)采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊與ARM核心控制模塊連接正常，并通過UART復位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進入正常溫度數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；然后初始化LCD顯示和鍵盤，在LCD上顯示相應的菜單列表，供用戶通過鍵盤選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。</p><p>　　在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤，以快速的響應用戶的按鍵操作；若沒有鍵值按下，則ARM立即進行數(shù)據(jù)的采集、處理

24、與顯示，以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示等功能。 </p><p>　　其主程序包括溫度采集程序、ARM獲取溫度子程序、溫度處理和轉換子程序。當ARM 處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進行相應的溫度數(shù)據(jù)處理與轉換，變成可被LCD直接顯示的正確溫度值。</p><p><b>　　五、心得體會</b></p><p>　　在這次ARM嵌入式系統(tǒng)課程設計

25、中，我對ARM嵌入式系統(tǒng)尤其是數(shù)據(jù)處理中的溫度采集系統(tǒng)有了更進一步的了解，同時知識面也進一步得到了擴展和加深。</p><p>　　本次課程設計的任務主要是對基于傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)的使用環(huán)節(jié)中遇到的一些問題提出的一種改進方法，有助于溫度采集系統(tǒng)更好的發(fā)展與使用，幫助我們更好的理解嵌入式系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)的原理和應用。溫度采集是一種直接數(shù)字處理方法。所謂溫度采集系統(tǒng)，就是通過溫度傳感器對被采集物體進行溫度數(shù)據(jù)的收集與

26、處理，最后得到所需要的有用的數(shù)字信號并送入系統(tǒng)的下一環(huán)節(jié)進行其他操作。目前，由于傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當務之急。所以，學習和應用溫度采集系統(tǒng)及其應用技術對我們以后的學習和工作有著十分重要的意義。</p><p>　　通過本次課程設計，讓我

27、很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結合開發(fā)、設計產(chǎn)品的能力。既讓我懂得了怎樣將理論應用于實際，又讓我懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在設計過程中，總是會遇到這樣或那樣的問題。有時一個問題可能會需要去查閱資料，做大量的工作，花大量的時間才能解決。通過不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，我的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力便在其中建立起來了。這都為以后的工作積累了經(jīng)驗，同時也增強了我解決問題的能力</p><p>

28、<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 周立功，ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社 2008</p><p>　　[2] 周立功，深入淺出ARM7-LPC213X/214X[M]. 北京：北京航空航天大學出版社2006</p><p>　　[3] 周立功，從51到ARM-32位嵌入式系統(tǒng)入門[M

29、]. 北京：北京航空航天大學出版社2006</p><p>　　[4] 王田苗，嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)[M]. 北京:清華大學出版社,2003 </p><p>　　[5] 杜春雷，ARM 體系結構與編程[M]. 北京:清華大學出版社.2003 </p><p>　　[6] 王中訓 李樹起等，基于水溫控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[M].  煤礦機械出版社，

30、第27 卷第5 期：855—857 </p><p>　　[7] 黃智偉，鄧月明，王彥.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計基礎教程.北京：北航出版社，2008.</p><p>　　[8] 沈建華. ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設計與優(yōu)化.北京：北航出版社，2005.</p><p>　　[9] 王勇，嵌入式系統(tǒng)原理與設計[M]，浙江：浙江大學出版社，2007.</p>

31、;<p>　　[10] 封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)完全入門與主流實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.</p><p><b>　　附錄：程序清單</b></p><p>　　溫度處理與轉換子程序如下： </p><p>　　//存放讀取到的當前溫度值，未轉換 </p><p>　　Stat

32、ic U16 a-temp-now[8]={8*0} </p><p>　　//存放經(jīng)精度計算后的實際溫度值，高8位整數(shù)部分，低8位小數(shù)部分 </p><p>　　static U16 b-temp-now[8]={8*0}; </p><p>　　//存放8路轉換后溫度值,分別為百位,十位,個位,小數(shù)位 </p><p>　　static

33、U8 temp-convent-all[32]={32*0}; </p><p>　　//------------------------------- </p><p>　　//溫度處理與轉換子程序</p><p>　　//---------------------------------- </p><p>　　void temp-cha

34、nge(void) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　U8 negtive=0x00;     //存放數(shù)的符號，若為正=0；若為負，=0xff </p><p><b>　　U8 j=0; </b></p><p>　　U8 *

35、pt=temp-convent-all; </p><p>　　U16 *p1=a-temp-now; </p><p>　　U16 *p3=b-temp-now;</p><p>　　U16 temp=0;</p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{ <

36、/b></p><p>　　negative =0x00;</p><p><b>　　temp=*p1;</b></p><p>　　//若溫度為負值，進行相應處理</p><p>　　if((temp&0xf80) ！=0) </p><p><b>　　{ </

37、b></p><p>　　temp=(~temp)+1；//轉為正的原碼 </p><p>　　negative=0xff； // 同時置符號為0xff</p><p><b>　　} </b></p><p>　　//根據(jù)精度消除無關數(shù)據(jù) </p><p>　　switch(a-temp-

38、prec) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　case 0x1f:    //精度為9位,則清除最低3位無效位 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=temp&0xfff8;break;</p

39、><p><b>　　} </b></p><p>　　case 0x3f:    //精度為10位,則清除最低2位無效位 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=temp&0xfffc;break;</p><p

40、><b>　　}</b></p><p>　　case 0x5f:    //精度為11位,則清除最低1位無效位 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=temp&0xfffe;break;</p><p><b>

41、;　　} </b></p><p>　　case 0x7f:    //精度為12位 </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　} </b></p>

42、;<p><b>　　} </b></p><p>　　//換算成實際溫度,并擴大10倍,去掉小數(shù)部分</p><p>　　temp=(U16)((float)(temp)*0.625);</p><p>　　//折算放入b-temp-now  數(shù)組中</p><p>　　//高8位放整數(shù)部分，低

43、8位放小數(shù)部分，最高位放符號位</p><p>　　if(negtive== 0xff) //若為負值 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)|0x8000;</p><p><b>　　} </b><

44、/p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)&0x7fff;</p><p><b>　　} </b></p><p>

45、　　if(negative==0xff) //若為負值 </p><p>　　{(*pt++)=0x80;} </p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　(*pt++)=temp/1000%10+0x30;</p><

46、;p><b>　　}</b></p><p>　　(*pt++)=temp/100%10+0x30; </p><p>　　(*pt++)=temp/10%10+0x30; </p><p>　　(*pt++)=temp%10+0x30; </p><p><b>　　p1++; </b>&l

47、t;/p><p><b>　　p3++; </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　//轉換完成后清除讀回的原始溫度 </p><p>　　p1=a-temp-now; </p><p>　　for(j=8;j>0;j--) </p>