基于GSM的遠程溫控單元設計方案

1 基于 案 1緒論 題研究的背景 度監(jiān)控系統(tǒng)的應用前景 溫度對工農業(yè)生產和國防事業(yè)均有不同程度的影響 12。在水產養(yǎng)殖、糧食存儲、無人值班變電站、程控鍋爐等工農業(yè)應用背景中，都需要遠程溫度監(jiān)控功能。糧食在正常儲藏過程中 3，含水量一般在 12%以下是安全狀態(tài)，不會產生溫度突變，一旦糧庫進水、結露等使糧食的含水量達到 20%以上時，由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反應，從而造 成不可挽回的損失；電力設備的故障有多種多樣，但大多數(shù)都伴有發(fā)熱的現(xiàn)象，一次事故損失巨大；紡織、食品、煙草等工業(yè)中，溫度過高容易使產品變質，電子儀器也容易出故障；溫室栽培和工業(yè)生產中，若不控制溫度，將嚴重影響產量和質量。還有很多領域的溫度可能較高或較低，人無法靠近或現(xiàn)場無需人力來監(jiān)控。 傳統(tǒng)的溫度測量方式周期長，不能實時監(jiān)測，而且測量員必須到現(xiàn)場進行測量和啟動功率設備來調整溫度，工作效率非常低，且不便于管理。為此人們設計了遠程測控系統(tǒng)，將要測量地點的溫度信號通過傳輸系統(tǒng)送到監(jiān)控站，使得人們坐在辦公室里就可以對 現(xiàn)場進行監(jiān)控，又方便又節(jié)省人力。但是，傳統(tǒng)的溫度傳輸系統(tǒng)大多以有線傳輸為主 4，一旦距離過長，不但增加成本，也會影響數(shù)據(jù)的有效傳輸，同時，在惡劣的環(huán)境下，有些有線傳輸幾乎是不可能的。此外，有些溫度測量經常會變換地點和環(huán)境，對傳輸?shù)撵`活度要求很高，如果使用有線傳輸將帶來極大的不便。本文設計了一個無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，它采用無線發(fā)射與接收，具有很強的靈活性，解決了上述有線傳輸所不能實現(xiàn)的問題。隨著社會的發(fā)展和科學技術的發(fā)展，無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代工農業(yè)生產中，有著廣泛的應用前景，它的應用范圍將不斷的擴大。 20 世紀 80 年代中期，當模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)剛投放市場時，世界上的發(fā)達國家就在研制第二代移動通信系統(tǒng) 5。其中最有代表性和比較成熟的制式有泛歐 美國的 日本的 在改名為 數(shù)字移動通信系統(tǒng)。在這些數(shù)字系統(tǒng)中， 發(fā)展最引人注目。 1991 年 統(tǒng)正式在歐洲問世，網絡開通運行。 列 2 主要有 部分，三者之間的主要 區(qū)別是工作頻段的差異。 蜂窩移動通信的出現(xiàn)可以說是移動通信的一次革命。其頻率復用大大提高了頻率利用率并增大系統(tǒng)容量，網絡的智能化實現(xiàn)了越區(qū)轉接和漫游功能，擴大了客戶的服務范圍，但上述模擬系統(tǒng)有四大缺點：各系統(tǒng)間沒有公共接口；很難開展數(shù)據(jù)承載業(yè)務；頻譜利用率低無法適應大容量的需求；安全保密性差，易被竊聽，易做 “ 假機 ” 。尤其是在歐洲系統(tǒng)間沒有公共接口，相互之間不能漫游，對客戶造成很大的不便。 字移動通信系統(tǒng)源于歐洲。早在 1982 年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統(tǒng)在運營，例如北歐多國的 歐移動電話 )和英國的 接入通信系統(tǒng) )，西歐其它各國也提供移動業(yè)務。當時這些系統(tǒng)是國內系統(tǒng)，不可能在國外使用。為了方便 整個 歐洲統(tǒng)一使用移動電話，需要一種公共的系統(tǒng)， 1982年，北歐國家向 洲郵電行政大會 )提交了一份建議書，要求制定 900這次大會上就成立了一個在歐洲電信標準學會(術委員會下的 “ 移動特別小組 ( ，簡稱 “ ，來制定有關的標準和建議書。 我國自從 1992 年在嘉興建立和開通第一個 示系統(tǒng)，并于 1993 年 9月正式開放業(yè)務以來，全國各地的移動通信系統(tǒng)中大多采用 統(tǒng)，使得統(tǒng)成為目前我國最成熟和市場占有量最大得一種數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。截至2002 年 11 月，中國手機用戶 2 億，比 2001 年年底新增 。 世界上第一個對數(shù)字調制、網絡層結構和業(yè)務作了規(guī)定的蜂窩系統(tǒng)。如今 信系統(tǒng)已遍及全世界，即所謂 “ 全球通 ” 。 是目前國內覆蓋范圍最廣、系統(tǒng) 可靠性最高、話機保有量最大的數(shù)字移動通訊系統(tǒng)，因此充分利用已有的 窩網作為本系統(tǒng) 的無線傳輸網絡是一種既有效又經濟的手段。 文研究的主要內容 本論文主要 實現(xiàn)遠程溫控單元的設計 。 要監(jiān)測的現(xiàn)場的溫度 信號經過 溫度傳感器轉換為電壓信號后， 使用模數(shù)轉換芯片 將模擬信號轉換為數(shù)字信號 ，然后并行送入 ， 過串口發(fā)送 令控制 收監(jiān)測中心發(fā)來的信息并執(zhí)行相應的操作 。整個 系統(tǒng)由監(jiān)測站點的手機控制運行，發(fā)送信息實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)控。本系統(tǒng)的溫控模塊、 A/D 轉換模塊和 塊都是通過 外擴接口連接到 心模塊 。 論文中的第二章介紹了 統(tǒng)結構及其短消息業(yè)務，并提出遠程溫控系統(tǒng)的設計方案。第三章介紹了本設計方案實現(xiàn)的硬件 平臺，并對各模塊的原理及結構做了詳細說明，最后也簡要說明了在 線中需要注意的問題。第四章 3 是對實際的遠程溫度監(jiān)控單元電路的功能進行的測試，對結果進行了分析，對其中有問題的地方也提出了一些參考意見。最后是對本論文的總結。 4 2 遠程溫控系統(tǒng)的設計方案 數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)是在模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的現(xiàn)代移動通信系統(tǒng) 56。這種系統(tǒng)以先進的計算機技術、 術、數(shù)字信號處理技術等為基礎，采用全數(shù)字化移動通信體制。這種系統(tǒng)具有 的能力，可以把移動電話、電報、傳真、電視、數(shù)據(jù)通信和計算機通信等多種業(yè)務綜合在一個系統(tǒng)中完成，而且易于實現(xiàn)數(shù)字保密、通信設備的小型化和智能化。自 20世紀 80年代中期起，歐洲、北美和日本相繼發(fā)展了數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，并先后制定了三種不同標準，如歐洲的 美的 本的中，以 為典型，這些系統(tǒng)的共同特點均采用數(shù)字話音傳輸技術。 全球移動通信系統(tǒng)（ 稱 一個復雜的通信系統(tǒng)，由許多單元組成 57。一般分為三個相對獨立的部分，即移動終端子系統(tǒng)（ 基站子系統(tǒng)（ 網絡子系統(tǒng)（ 如圖 2 圖 2統(tǒng)組成結構示意圖 動終端部分（ 一般也稱為移動臺，它是 絡中用戶使用的設備，也是用戶和網絡連接的唯一設備。它包括以下基本功能： 5 1）以無線方式接入 動網絡，完成各種控制功能； 2）支持各種基本業(yè)務和補充業(yè)務； 3）間斷接收和間斷發(fā)送； 4）對用戶數(shù)據(jù)和信令加密； 5）語音編 碼和解碼； 6）協(xié)助 成自動功率控制（ 跳頻及各種切換； 7）適配用戶數(shù)據(jù)和無線信道的速率； 8）支持人機接口（ 各種功能； 9）提示呼叫過程。 移動臺是由它所漫游到的地理區(qū)域的一個 理。當有一個對此移動臺的呼叫時， 詢 當前地址。這樣呼叫就可以被送到正確的 通過 移動臺建立無線通路。 站子系統(tǒng)（ 基站子系統(tǒng)通過無線接口直接與移動臺連接，負責無線資源管理和收發(fā)信息?；咀酉到y(tǒng)與網絡子系統(tǒng)（ 的移動交換中心（ 連， 實現(xiàn)移動用戶之間或固定網用戶之間的通信?；咀酉到y(tǒng)由基站收發(fā)信臺（ 基站控制器（ 成，其主要功能如下： 1）協(xié)助 成無線信道管理； 2）無線信道測量和分配、鏈路檢測、功率控制、跳頻監(jiān)管； 3）無線信道資源指示； 4）信道編解碼、對用戶數(shù)據(jù)和用戶單元進行加密； 5）碼型轉換和速率適配； 6）完成同一小區(qū)內和同一 的切換，執(zhí)行 指令在 的切換； 7） 收、 射； 8）空間分集接收。 每個小區(qū)由幾個 制，而幾個 由一個 理。這個 它管理的 同構成一個基站子系統(tǒng)（ 并與一個移動交換中心（ 連。 方面通過空中接口與移動臺接口，另一方面通過 道提供與接口。 間的話音信號可以通過 16 64鏈路傳輸。 絡子系統(tǒng)（ 網絡子系統(tǒng)（ 六個主要組成單元。即移動業(yè)務交換中心（ 訪問用戶位置寄存器（ 歸屬用戶位置寄存器（ 鑒權中心（ 6 移動設備識別器（ 操作維護中心（ 1）移動交換中心（ 具有號碼存儲 譯碼、呼叫處理、路由選擇、回波抵消和超負荷控制等功能。它可為移動用戶提供三類業(yè)務：電信業(yè)務、承載業(yè)務和補充業(yè)務。 網絡的中心并控制著一個或多個 要執(zhí)行交換功能。這種交換功能不僅是用于移動用戶之間的呼叫，而且用于移動用戶與固定用戶（ 及分組交換網用戶之間的呼叫，因此 統(tǒng)與的互聯(lián)點。 2）訪問用戶位置寄存器（ 存儲著進入其控制區(qū)內已登記的移動用戶相關信息，并從 獲取必要的數(shù)據(jù)為已登記的移動用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件，使 夠建立呼入和呼出鏈路。一旦移動用戶離開該控制區(qū)則取消移動用戶的臨時數(shù)據(jù)。 視為一個動態(tài)用戶數(shù)據(jù)庫，與 行大量的數(shù)據(jù)交換。 統(tǒng)的一個重要特性是自動國際漫游，這意味著移動臺可以在任何建有 統(tǒng)的國家內的任意地點發(fā)出或接收呼叫而無需任何特別操作，這需要移動臺更新在 中的位置，而且系統(tǒng)必須能夠處理這些信息。處理位置信息是由訪問位置寄存器（ 歸屬用戶位置寄存器（ 成。 3）歸屬用戶位置寄存器（ 它是 中央數(shù)據(jù)庫，存儲著該 數(shù)據(jù)，移動用戶重要的靜態(tài)數(shù)據(jù)都存儲在 ，這些數(shù)據(jù)包括用戶的接入能力、申請的業(yè)務和補充業(yè)務。 每個歸屬用戶存儲一個可用的三參數(shù)組（ C），任何時候都能依照請求而提供使用。 包含有當前正管理這個移動臺的 信息。當移動臺位置改變時， 應進行更新。而且， 供移動臺當前所在的 區(qū)的信息（動態(tài)數(shù)據(jù)），使被叫用戶能夠被立即找到。 4）鑒權中心（ 它是 統(tǒng)的安全中心。它采取了一系列措施對用戶鑒權，并對無線接口上的話音和數(shù)據(jù) 信號信息加密。在鑒權中心存儲著鑒權算法和密鑰加密等，存儲的這些信息是用來保護空中接口的通信，防止移動臺受到侵擾，防止無權用戶接入系統(tǒng)。用戶的合法識別碼是通過鑒權和密碼計算確定的，這用于保護用戶的信息不被暴露。鑒權信息和密鑰存儲于 一個數(shù)據(jù)庫，它們不會被非法訪問。 5）移動設備識別器（ 存儲著移動設備的國際移動設備識別碼（ 通過檢查白色清單、黑色清單或灰色清單這三類表格，確定入網的移動設備不是盜用的或有故障的設備，從而保證注冊用戶的安全。 絡中還有另一種類型的識別碼，稱為國際移動 用戶識別碼（ 它與設備無關。這個與用戶密切相關的信息被存儲于 中，使用戶可以在出租車中或其他公共場所進行呼叫，并直接計費。 7 6）操作維護中心（ 操作維護中心的主要任務是對 統(tǒng)進行集中維護與操作，允許實施遠程操作維護管理，支持高層維護管理中心（ 接口。 全數(shù)字式的蜂窩系統(tǒng)，并且使用了 一般原理，本身具有傳輸數(shù)據(jù)的能力，根據(jù) 定的規(guī)范， 提供以下幾種數(shù)據(jù)業(yè)務，其中最常見的是 制解調器和 據(jù)業(yè)務。 1） 制解調器數(shù)據(jù)業(yè)務； 2） 據(jù)業(yè)務； 3）專用 據(jù)業(yè)務； 4）分組數(shù)據(jù)業(yè)務； 5）短消息業(yè)務； 6）三類傳真業(yè)務。 隨著對高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務主要是對 務需求的增長， 出了兩種高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務： 速電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務）和 用分組無線業(yè)務）。 隨著經濟的發(fā)展，移動通訊工具的普及，人們日常的交往方式也隨著改變。短消息已經成為手機用戶最常使用的業(yè)務之一 78。除了大量使用的手機用戶到手機用戶的點對點短消息通信業(yè)務之外，從短消息服務平臺到手機用戶的 短消息增值服務業(yè)務也在快速發(fā)展。移動目標監(jiān)控中心到移動目標定位終端的短消息數(shù)據(jù)傳輸就屬于這種增值業(yè)務。 消息服務簡介 短消息服務（ 稱 通過手機發(fā)送和接收有限長度的文本信息的功能。一條短消息可以包含 160 個英文字母（ 7碼）或 70 個非拉丁字母（ 16碼），如中文漢字或者阿拉伯字等 碼。 短消息 于 一階段的標準，它按照其實現(xiàn)方式可以分為點到點短消息業(yè)務和小區(qū)廣播短消息業(yè)務。點到點短消息業(yè)務是通過移 動業(yè)務起始（ 移動業(yè)務終止（ 一條短消息從一個實體發(fā)送到指定地址的業(yè)務，如移動目標的定位信息。而小區(qū)廣播短消息業(yè)務則是指通過發(fā)送消息的基站向指定區(qū)域中的所有短消息用戶發(fā)送短消息的業(yè)務，如天氣預報信息等。 消息的網絡結構 8 準中定義的點對點短消息服務使得短消息能在移動臺（ 短消息服務中心之間傳遞。一個 戶發(fā)送短消息時，必須至少在其內容中包含最終地址的識別符和處理這條消息的服務中心號碼，然后請求傳遞。短 消息業(yè)務的基本網絡結構如圖 2示。 圖 2網絡體系結構 其中，短消息業(yè)務網絡體系結構中的各部分具體功能如下： 1） 消息實體（ 它可以接收或改善短消息，位于固定電話系統(tǒng)、移動基站或其他服務中心內。 2） 消息服務中心（ 它實質上是運行在服務器上的一個數(shù)據(jù)庫應用程序，其核心進程擔負著通過 7 號信令與移動交換機連接并發(fā)送、接收短消息底層編碼的任務，它收到一條數(shù)據(jù)后將其放入數(shù)據(jù)庫中， 同時另一個進程試圖把這條數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊列將其發(fā)送出去，如果成功，這條信息將被刪除以釋放數(shù)據(jù)庫空間，但統(tǒng)計信息被保存。如果不成功，則根據(jù)設置的時間間隔重發(fā)，直到發(fā)送成功或過了有效期為止。 3） 關（ 接收由送的短消息，向 詢路由信息，并將短消息傳送給接收者所在基站的交換中心。 4） 屬位置寄存器（ 用于永久存儲由 關與 間的協(xié)議使前者可以要求 索可找到的用戶地址。它與移動交換中心（ 間的協(xié)議一起，能在移動臺因超出覆蓋區(qū)而丟失報文、隨后又找到時，加以提示。 5） 動交換中心（ 負責系統(tǒng)切換管理并控制來自或發(fā)向其他電話或數(shù)據(jù)系統(tǒng)的撥叫。 6） 問位置寄存器（ 含有用戶臨時信息的數(shù)據(jù)庫。交換中心服務訪問用戶時需要這些信息。 7） 7 號信令系統(tǒng)。 統(tǒng)中采用的是 完成必要的交換和控制。交換和控制子系統(tǒng)包括 用的 令系統(tǒng)是由公共信令網提供的，完成必要的控制功能。 9 短消息（ 優(yōu)點很明顯，主要有以下幾點： 1）收費低廉。對與消費者而言，資費始終是首要關心的問題。不管是長途還是市內，每發(fā)送一條短信息僅 ，接收免費，而在移動目標監(jiān)控服務中，包月短消息費用還不足 10 元人民幣； 2）隨時隨地。短消息和電話不一樣，打電話要求接聽方同時在另一端，而短消息用戶可以隨時隨地發(fā)送短消息，不用擔心對方有沒有開機，也不用擔心對方是不是在 服務區(qū)，因為短信息是采用存儲 旦對方開機，短消息就會自動發(fā)送； 3）能夠承載多種數(shù)據(jù)。短消息有 3 種模式：塊模式、 式和文本模式。其中支持塊模式的手機廠商十分少，基本上支持 式和文本模式； 4）能夠保障傳輸中的安全。如果用戶使用 ，那么短消息在發(fā)送之前，可以通過 將信息加密后進行傳輸。在到達目的地后由接收者將信息解密，實現(xiàn)了點到點的信息安全保障。 9， 令集是從終端設備 (數(shù)據(jù)終端設備 (終端適配器 (A)或數(shù)據(jù)電路終端設備 (送的。通過送 令來控制移動臺 (功能，與 絡業(yè)務進行交互。用戶可以通過 令進行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務、傳真等方面的控制。 90 年代初， 令僅被用于 作。沒有控制移動電話文本消息的先例，只開發(fā)了一種叫 協(xié)議，通過終端設備 (電腦來完全控制 年后，主要的移動電話生產廠商諾基亞、愛立信、摩托羅拉和 同為 制了一整套 令，其中就包括對 控制。令在此基礎上演化并被加入 05 標準以及現(xiàn)在的 07 標準，完全標準化和比較健全的標準。如：對 控制共有 3 種實現(xiàn)途徑：最初的于 令的 于 令的 現(xiàn)在經取代 者逐漸淡出。 塊與計算機之間的通信協(xié)議是一些 令集， 令是以 首，字符結束的字符串， 令的響應數(shù)據(jù)包在中 間 。每個指令執(zhí)行成功與否都有相應的返回 ， 其他的一些非預期的信息 (如有人撥號進來、線路無信號等 )，模塊將有對應的一些信息提示，接收端可做相應的處理。 令集分為十三類： 1）一般命令 2）呼叫控制命令 10 3）網絡服務命令 4）安全命令 5）電話本命令 6）短消息命令 7）追加服務命令 8）數(shù)據(jù)命令 9）傳真命令 10）第二類傳真命令 11） 令 12）特殊 令 13） 工具箱命令 本設計中用到以下幾條 令： 試）、 否關閉回顯）、擇信息格式）、 認接收到的手機號碼）、 取未讀信息）。當然還可以選用其它的指令進行信息的收發(fā)。 程溫控系統(tǒng)結構 在現(xiàn)代信息技術飛速發(fā)展的今天，報警系統(tǒng)已進入一個高科技、智能化的時代。 統(tǒng)是目前基于時分多址技術的移動通信體制中比較成熟、完善、應用最廣泛的一種系統(tǒng)，主要提供話音、短信息、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務。 短消息是目前利用最 廣泛的通信方案之一， 基于 消息的業(yè)務不需要建立撥號連接，只需把待發(fā)的消息加上目的地址發(fā)送至短消息中心，再由短消息中心轉發(fā)到最終目標 ，具有實現(xiàn)簡單、通信成本低、頻譜利用率高、保密性好等特點。 基于 控數(shù)據(jù)信號和控制命令的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，能廣泛用于遠程監(jiān)控、定位導航、個人通信終端等。由于公眾 絡在全球范圍內實現(xiàn)了聯(lián)網和漫游，建立上述系統(tǒng)不需要再組建專用通信網絡，所以具有實時傳輸數(shù)據(jù)功能的短消息應用將得到迅速普及。 作為一個遠程溫度的監(jiān)測和控制裝置，應該可以在任何時刻 對現(xiàn)場溫度信號進行數(shù)據(jù)采樣，能夠準確地實現(xiàn)遠程的監(jiān)控。但實際的溫度信號并不適合微電子電路系統(tǒng)直接對其進行信號分析和處理，所以首先需要將其變換成適合信號處理系統(tǒng)分析的電信號，這就需要傳感器電路，然后將變換后的模擬信號轉換成數(shù)字信號，送給以后的信號處理分析模塊。本設計中對溫度信號的采樣點數(shù)并沒有太嚴格的要求，故采用簡單的定時采樣即可，如果需要對溫度信號的頻率進行跟蹤，可以使用硬件鎖相環(huán)來產生精準的采樣脈沖。為了滿足實時和精確的信號處理和分析，加上現(xiàn)在 片在信號處理領域內的明顯優(yōu)勢，和最近時期它性能的增加成 本的下降，使用 片具有較好的性價比。 11 短消息服務是 動通信系統(tǒng)的補充業(yè)務之一，它具有主動發(fā)送功能，并且傳送的字符內容支持 符全集。短消息具有收費低廉、隨時隨地發(fā)送、不占用話務信道、用戶量大、信息量短等優(yōu)點，正好適合本系統(tǒng)中發(fā)送數(shù)據(jù)量少的特點。 系統(tǒng)設計中需要考慮的技術要求有： 1：本系統(tǒng)采集的對象是溫度參數(shù)，就應該有相應的硬件信號處理部分； 2：本系統(tǒng)設計用于解決有線傳輸?shù)膯栴}，所以選擇 線傳輸模塊； 3：本系統(tǒng)要求對溫度信號實時監(jiān)控，并且發(fā)送報警信息，故要選用高速的A/D 和 片。 根據(jù)以上的討論，本論文所設計的無線溫控單元電路的總體結構如圖 2 圖 2系統(tǒng)框圖 在本系統(tǒng)中，利用 大的數(shù)據(jù)處理功能進行數(shù)據(jù)采集和運算， 圍的程序空間和數(shù)據(jù)存儲空間， 儲 序代碼。在實際的工作環(huán)境中，可以通過 真口運行燒寫程序，向 寫進啟動代碼，由 動加載 的程序代碼，完成自啟動。 為整個系統(tǒng)提供邏輯功能。 整個系統(tǒng)的設計思路如下：使用 塊上的模擬溫箱進行控制現(xiàn)場的溫度， 塊上的熱敏電 阻作為傳感器，將溫度信號轉換為電壓信號后送入 A/A/D 實現(xiàn)實時采樣，轉換為適合于 理的數(shù)字信號， 該電壓值換算為實際溫度值后定時顯示在 ； 現(xiàn)遠程控制命令的接收和反饋溫度值的發(fā)送， 據(jù)收到的控制命令執(zhí)行相應的操作，包括反饋當前的溫度值，升高、降低現(xiàn)場溫度等。由于時間所限，本論文僅僅編寫了測試程序來驗證硬件電路設計的正確性和合理性。 本文提出一種基于 消息的新型遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了線移動通信網絡平臺，可以實時、自動、方便、可靠地實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的遠程通信報警和監(jiān)控，同時也適合于其他遠程數(shù)據(jù)傳輸和無人值守的場合。 12 3 遠程溫控的硬件平臺 數(shù)字信號處理器（ 一種特別適用于實時數(shù)字信號處理的微處理器。其主要應用是實時、快速地實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法。實時處理是指必須在規(guī)定的時間內完成對外部輸入信號的處理運算。為了快速、 實時完成數(shù)字信號處理， 片一般具有下述一些特點 10： 1） 接口方便： 統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多； 2） 編程方便： 統(tǒng)中的可編程 片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級； 3） 穩(wěn)定性好： 統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，因此具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高； 4） 精度高：早期 長為 8 位，后來逐步提高到 16 位， 24 位、 32 位，為防止運算過程 中數(shù)據(jù)溢出，有的累加器長度達到 40 位。 16 位數(shù)字系統(tǒng)可以達到 10精度； 5） 可重復性好：模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受此影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調試和大規(guī)模生產； 6） 集成方便 ： 統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成； 7） 硬件配置強：新一代的 口功能愈來愈強，片內具有串口、主機接口 （ 制器、鎖相環(huán)時鐘電路產生器等，更易于完成系統(tǒng)設計； 8） 特殊的 令：在 令系統(tǒng)中，設計了一些的特殊指令。如的 令，專門用于系數(shù)對稱的 波器和 當然，數(shù)字信號處理也存在一定的缺點。例如，對于簡單的信號處理任務，如與模擬交換線的電話接口，若采用 會使成本增加。 統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且 統(tǒng)消耗的功率也較大。此外， 術更新的速度快，數(shù)學知識要求多，開發(fā)和調試工具還不盡完善。 雖然 統(tǒng)存在著一些缺點，但其突出的優(yōu)點已經使之在通信、語音、圖像、雷達、生物醫(yī)學、 工業(yè) 控制、儀器儀表等許多領域得到越來越廣泛的應用。 可編程 片是一種具有特 殊結構的微處理器，為了達到快速數(shù)字信號處理的目的，一般都具有 10程序和數(shù)據(jù)分開的總線結構、流水線操作功能、單周期 13 完成乘法的硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號處理的指令集，和在片外圍電路等硬件，使其可滿足電信、測量等眾多領域信號實時處理的要求。 線結構 許多 片內部采用多總線結構，這樣保證了在一個機器周期內可多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間。如 內有 8 條 16 位主總線： 4 條程序 /數(shù)據(jù)總線和 4 條地址總線，這些總線的功能如下： 1） 程序總線（ 送取自程序存儲器的指令代碼 和操作數(shù)； 2） 3 條數(shù)據(jù)總線將內部各單元（如 據(jù)地址生成器、程序地址生成器、在片外圍電路及數(shù)據(jù)存儲器）連在一起。其中， 送讀自數(shù)據(jù)存儲 器的操作數(shù)， 送寫到存儲器的數(shù)據(jù)； 3） 4 條地址總線（ 送執(zhí)行指令所需的地址。 以利用兩個輔助寄存器算術運算單元 (每個周期內產生兩個數(shù)據(jù)存儲器的地址。 佛結構 早期的微處理器內部大多采用馮 諾伊曼結構，其片內程序空間和數(shù)據(jù)空間是結合在一起的，取指令和取操作數(shù)是通過一條總 線進行的，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分時復用。而 片內部采用的是程序空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結構，允許同時取指令和取操作數(shù) 。 哈佛結構是不同于傳統(tǒng)的馮 諾伊曼結構的并行體系結構，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩種總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍 ，但其硬件設計比較復雜 。而馮 諾伊曼結構則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計數(shù)器提供的地址來 區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址 ， 取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲器，數(shù)據(jù)吞吐率低 ，但其硬件設計比較簡單，例如世界上第一臺電子管計算機和 80是使用 馮 諾伊曼 結構 。 在哈佛結構中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間中，因此取指令和執(zhí)行指令能完全重疊運行。為了進一步提高運行速度和靈活性， 列片在基 本 哈佛結構的基礎上作了改進，即改進的哈佛結構：一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性；二是指令存儲在高速緩沖器 (，當執(zhí)行此指令時，不需要 再從存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個指令周期的時間。 水線 與哈佛結構相關， 片廣泛采用流水線技術以減少指令執(zhí)行時間，從而 14 增強了處理器的處理能力。 列處理器的流水線深度從 2不等。也就是說，處理器可以并行處理 2指令，每條指令處于流水線上的不同階段。 例如，在三級流水線操作中，取指、譯碼和執(zhí)行操作可以獨立地處理，這可使指令執(zhí)行能完全重疊。在每個指令周期內，三個不同的指令處于激活狀態(tài)，每個指令處于不同的階段。例如，在第（ N）個指令取指時，前一個指令即第（ 指令正 在譯碼，而第（ 指令則正在執(zhí)行。一般來說，流水線對用戶是透明的。 用的硬件乘法器 乘法速度越快， 片的性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來實現(xiàn)的，故需多個指令周期完成。相比而言， 片的特征就是有一個專用的硬件乘法器。乘法器能夠執(zhí)行無符號乘法（每個 16 操作數(shù)前面加 0），有符號乘法 (每個 16 位操作數(shù)都 和 符號位擴展成 17 位有符號數(shù) )以及有符號數(shù)與無符號數(shù)相乘運算。 乘法器單元中的加法器還包括一個零檢測器、舍入器以及溢出 /飽和邏輯電路。乘法器一個輸入端的數(shù)據(jù) 來自 T 寄存器、累加器 A 的高 16 位、或 線傳送過來的數(shù)據(jù)存儲器操作數(shù)。另一個輸入端的數(shù)據(jù)來自累加器 A 的高 16 位、由 線和 線傳送過來的數(shù)據(jù)存儲器操作數(shù)以及由 線傳送過來的程序存儲器操作數(shù)。乘法器的輸出加到加法器的輸入端，累加器 A 或 B 則是加法器的另一輸入端，最后結果送往目的累加器 A 或 B。 速的指令周期 哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 令再加上集成電路的優(yōu)化設計， 列處理器的指令周期已經從第一代的 200低至現(xiàn)在的 20下 (司新推出 的 列 令周期為 快速的指令周期使得 片適用于許多具有信號實時處理要求的領域。 心芯片 設計中使用的 片為 司的 16 位定點芯片 了用的結構特點以外，它還具有 11： 16K 16 位的片上 32K 16 位的片上雙尋址 序代碼的單指令循環(huán)和塊循環(huán)操作，增強程序和數(shù)據(jù)管理的存儲器塊搬移指令，可以有 32 位長字的操作數(shù)的指令，條件存儲指令，快速中斷返回，并 行存儲和加載的算術指令，擁有豐富的片上外設：軟件可編程等待周期發(fā)生器（ 可編程分區(qū)轉換邏輯電路（ 片上鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器， 3 個多通道緩沖串行口（ 增強的 8 位并行主機接口（ 6 通 15 道的 制器。芯片也可在低功耗情況下工作。 圖 3能框圖 存儲器空間可以分為 3 個可以單獨選擇的空間： 8M 字的程序空間，64K 數(shù)據(jù)空間和 64K I/O 空間。程序存儲器空間存放要執(zhí)行的指令和執(zhí)行中所使用的系數(shù)表；數(shù)據(jù)存儲器空間存放執(zhí)行指令所需要的數(shù) 據(jù)； I/O 存儲空間與存儲器映像外圍設備向接口，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存儲器空間使用。 過位于處理器工作方式狀態(tài)寄存器中（ 3 個狀態(tài)位可以方便地“使能”或“禁止”程序空間和數(shù)據(jù)空間的片內存儲器。這 3 個狀態(tài)位是： C 位（為0，則片內 排到程序空間；為 1，片內 安排到程序空間）， 0，則片內 排到程序和數(shù)據(jù)空間；為 1，則片內 安排到數(shù)據(jù)存儲空間），和 （為 0，則部分片內 排到數(shù)據(jù)空間；為 1，則片內 安排到數(shù)據(jù)空間），具體的存儲器映射如 圖 3示。 16 圖 3儲器映射 17 圖 3心系統(tǒng) 圖 3 了芯片電源和地之外的電路連接圖（芯片的電源和地的連接見附錄），其中 23 根地址線， 16 根數(shù)據(jù)線。 / A/D 的忙信號，當 A/D 轉換完成時，信號變低，連接到 （在 內部， 接到 ），使用中斷方式控制數(shù)據(jù)的讀操作。本 用的是 10M 的晶振，晶振的輸出引腳連接 到 腳， 空。 ， 1， 0都連接到高電平，表示 動時的運行頻率為 1/2 倍的 本設計中即運行在 5M 的時鐘下），這是因為設計初期，首先驗證功能的完整性，待到硬件功能測試完成之后，才花更多的精力考慮運行效率；同時，如果考慮到從 動程序時，剛開始的時候也應該降低 動時的運行頻率，因為剛復位之后需要從外部 18 取啟動代碼到 運行，如果 行速度很快，而 讀寫速度比較慢，這樣兩者之間的速度的不匹配并不會讓系統(tǒng)獲得好的性能，反而有可能 導致程序的錯誤；應該等到啟動代碼完全運行起來之后，再更改 會讓整個系統(tǒng)獲得較為滿意的性能。 /、 /，經過一定的邏輯變換以后作為外部存儲器和 A/D 的片選信號。 C 也接到撥碼開關上，可選擇加載方式。還有 加上拉電阻。將定時器的輸出信號 為 A/D 模塊的時鐘輸入來定時采樣，并使用了一個通用 為 塊上模 擬溫箱的通斷控制信號。 源電路 本設計使用的電源電路是為 2提供的，同時也適合本設計使用的A/D 芯片 需要單一的模擬電壓（ +5V）。 要兩套供電電源，模擬（ 9V， +5V）和數(shù)字（ 5V），并且中間不能有干擾。模擬選擇器3需要 5V 的電源。 5409 核心 11工作在 I/O 口工作在 源電路如圖 3示： 圖 3采集模塊的電源電路 19 圖中 總電源接口，有 12V， 5V 四種電壓。將輸 入 12V 和 +5V 電壓，送到 為模數(shù)轉換器核心的供電電源。其中 +12V 由 7805 變換后的 +512905變換后的 +5V 是數(shù)字部分的 +5V 輸入電壓，經 換成 為 心供電電源。同時，設有一個電源指示燈，當 電正常時， 亮，以幫助硬件調試。D 5V, A 5V,間用磁珠隔離，它們作為 電源。所以模擬地和數(shù)字地在設計時是分開的，通過磁珠將模擬地和數(shù)字地接在一起，如圖中的 L。每個輸出電壓都應 該接有 100 10電解電容和 瓷片電容，以濾除高頻干擾和電壓不穩(wěn)而引起的電源質量問題。 在整個設計中，所有的片選、和比較簡單的邏輯功能都是由 編程邏輯器件 成 14。在本設計中引腳分配如圖 3示： 圖 3引腳分配圖 的 燒寫 口引腳。 2 的 片 選 信 號 ， 是對 20 作信號 ,對 操作信號。它們都由 、/、 /、 /一個 過邏輯組合后生成的。 的讀寫信號線，因為 要單獨的讀寫信號，注意的是 R/W 只是指示方向，而 是真正的讀寫信號。串口 1 所有信號都接到 了，它們有兩種用途，一種 是其中兩信號 1連，構成 串口。另一種是它們中的 5 個信號 (排除 )用作 輸出，控制 A,B,C,_口 2 的兩信號 用作 ，作為 塊的串行數(shù)據(jù)線和時鐘信號。 號或 _們之一可和連，對 行復位。 在 塊中作為74 74使能控 制。而 作 外部中斷 0，它與 連。 定時器輸出。 以和 連，作為 時鐘。 自由腳，可以和其它的任何信號相連。 外部模塊的片選信號，用于選通 塊和溫控模塊。 溫度信號經過溫控模塊上的傳感器電路轉換為電壓信號后為模擬信號，還需要進一步的轉換為適合 理和分析的數(shù)字信號， 一種高速逐次逼近式 A/D 轉換器，具有 8 路輸入，并行 12 位輸出，內部帶 準電壓，轉換時間最大只需 需要單 一 5V 電源 供電，使得系統(tǒng)控制更加簡單。其封裝形式為 32 腳的 中， 8 路模擬輸入， 12 位數(shù)字輸出， 2 為 8 路模擬輸入的地址選擇； 電源電壓， 外接參考電壓，若不用可接 耦電容各一個； 別為模擬地和數(shù)字地， 時鐘輸入（可以從 200 8忙指示輸出， 別為片選信號、讀信號和寫信號。 圖 3設計中的 A/D 轉換電路原理圖，與 用并行接口，由于 12 位并行輸出， 8 位 須分兩次才能讀入。第一次讀低 8 位，同時將高 4 位送入外部鎖存；第二次通過三態(tài)緩沖器將高 4 位讀入。模塊上的孔對應于圖中 腳，模塊上的 孔分別對應于圖中 腳， 孔分別為 74可通過跳線選擇， 孔為兩個模擬電壓輸出端，范圍為 05V，通過電位器 現(xiàn)，電位器 考電壓調節(jié)端。 21 圖 3A/D 轉換電路原 理圖 圖 3 時序圖，其中圖（ a）為啟動與轉換時序，圖（ b）為轉換結果輸出時序，轉換后的數(shù)據(jù)被輸出到并行數(shù)據(jù)總線上， 可以進行輸出電壓信號的讀操作。在 程時需要注意時序的匹配。 圖 3序圖 22 控模塊電路 溫度控制模塊由溫度信號采集電路、模擬溫箱加熱控制電路兩部分組成。其中模擬溫箱加熱控制電路位于鐵殼內， 其 上有 源接口。 本模塊中溫度信號的采集采用熱敏電阻，其阻值隨溫度的升高而減小。經運放 換為 A/D 模塊可以處理的電壓信號。 其原理圖如圖 3示： 如圖 3度采集電路 室溫 (25 )時， 阻值為 10K。當溫度上升到 140時，阻值降為幾歐。我們假設在此范圍內，阻值隨溫度的變化是線性的。第一級 電壓信號放大，