基于ARM的嵌入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

1、畢業(yè)設(shè)計說明書基于arm的嵌入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)摘 要隨著科技的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展也異常迅速，同時，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于各個方面，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利。目前嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到了嵌入式處理器與操作系統(tǒng)相結(jié)合的階段，本設(shè)計就是將arm處理器與linux操作系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)的。嵌入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)由溫度監(jiān)測硬件系統(tǒng)和溫度監(jiān)測軟件兩部分組成。其中硬件系統(tǒng)包括sbc2410開發(fā)套件，溫度檢測電路、信號放大電路及信號顯示終端，論文中按模塊對各部分硬件的設(shè)計進行了詳細的介紹。溫度監(jiān)測軟件系統(tǒng)的設(shè)計過程如下，本設(shè)計首先為溫度監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建linux環(huán)境，其次在linux下編寫并加載系統(tǒng)驅(qū)動程序

2、，然后編寫應(yīng)用程序，編譯并下載到arm開發(fā)板中。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，實現(xiàn)了溫度監(jiān)測的功能。關(guān)鍵詞： arm；linux；內(nèi)核；驅(qū)動；溫度監(jiān)測 embedded system of temperature testing based on armabstractwith the development of science, embedded system develops at a fast speed. embedded system has been applied to all aspects, which has brought great convenience to peoples pr

3、oduction and daily life. at present, the application of embedded system have been developed to the stage of combining embedded processor with operating system, and the design comes true based on combining the arm processor with linux operating system. embedded temperature measurement system includes

4、 temperature monitoring hardware and software systems. hardware system includes sbc2410 system development kit, temperature detection circuit, signal amplifier circuit and signal display terminal. this paper, in detail, introduces the hardware design according to modules. the process of the design o

5、f temperature measurement software system is as follows: first，the design construct linux environment for temperature measurement the system .secondly, the design compiles and loads driver program in linux; at last, the design writes, compiles and downloads the application program to arm development

6、 board. after repeated debugging, the design achieves the purpose of the temperature measurement.key words: linux ; arm ; kernel ; drivert ; emperature measurement目 錄摘 要iabstractii第一章 嵌入式系統(tǒng)簡介11.1 嵌入式系統(tǒng)的概念11.2 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)11.3 嵌入式系統(tǒng)與普通單片機開發(fā)的不同之處21.3.1 交叉編譯21.3.2 交叉調(diào)試3第二章 設(shè)計用嵌入式模塊52.1 arm處理器52.2 flash模塊52

7、.3 sdram模塊62.4 jtag調(diào)試器8第三章 溫度監(jiān)測電路設(shè)計103.1 ad590的室溫補償電路103.1.1 性能103.1.2 誤差校正103.1.3 ad590的補償電路設(shè)計113.2 熱電偶的測溫電路123.2.1 熱電偶的測溫原理123.2.2 熱電偶的測溫電路設(shè)計14第四章 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的linux構(gòu)建174.1 構(gòu)建交叉編譯器174.1.1 交叉編譯器174.1.2 設(shè)置共享文件夾，并解壓linux開發(fā)包174.1.3 安裝交叉編譯器184.2 linux操作系統(tǒng)194.2.1 引導(dǎo)加載程序204.2.2 內(nèi)核214.2.3 文件系統(tǒng)234.3 燒寫244.3.1 wi

8、ndows下燒寫vivi244.3.2 分區(qū)格式化flash及重新下載vivi254.3.3 燒寫linux內(nèi)核274.3.4 下載文件系統(tǒng)27第五章 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的軟件編程285.1 編寫linux下的adc驅(qū)動程序285.1.1 linux設(shè)備295.1.2 驅(qū)動程序的編寫說明325.1.3 驅(qū)動程序編寫的具體內(nèi)容345.1.4 adc驅(qū)動程序具體函數(shù)的分析365.1.5 adc驅(qū)動程序的加載和刪除395.2 編寫應(yīng)用程序415.2.1 線性化部分415.2.2 a/d轉(zhuǎn)換速率的計算445.2.3 主程序的編寫45第六章 溫度監(jiān)測的調(diào)試476.1 編譯ad驅(qū)動程序476.2 運行應(yīng)用程序4

9、86.2.1 為arm開發(fā)板更新內(nèi)核和文件系統(tǒng)486.2.2 編譯main.c應(yīng)用程序486.2.3 運行main 主程序49總結(jié)51參考文獻52附錄54附錄a：程序源代碼54附錄b：測溫原理圖68附錄c：arm板電路圖69致謝70第一章 嵌入式系統(tǒng)簡介1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)是不同于常見計算機系統(tǒng)的一種計算機系統(tǒng)，它不以獨立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn)，即它沒有一個統(tǒng)一的外觀，它的部件根據(jù)主體設(shè)備以及應(yīng)用需要嵌入在設(shè)備的內(nèi)部，發(fā)揮著運算、存儲、以及控制的作用。從體系結(jié)構(gòu)上看，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。其中嵌入式處理器常是單片機或微控制器；支撐硬件主要包括存儲介質(zhì)

10、、通信部件和顯示部件；嵌入式軟件則包括支撐硬件的驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)、支撐軟件以及應(yīng)用中間件等。1.2 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)一般由3個部分組成，如圖1.1所示：嵌入式系統(tǒng)硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。其中，嵌入式系統(tǒng)硬件平臺指各種嵌入式器件、設(shè)備，嵌入式操作系統(tǒng)是指在嵌入式硬件平臺上運行的操作系統(tǒng)，目前主流的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式linux、c/os-ii等，具體應(yīng)用那種嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)視具體情況而定。嵌入式linux提供了完善的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，c/os-ii操作系統(tǒng)也成為實時操作系統(tǒng)或rtos，使用它作為開發(fā)工具將會使實時應(yīng)用程序變得相對容易。 圖1.1 嵌入式系統(tǒng)嵌入式芯片需

11、要必要的外圍芯片給它提供基本的工作條件。一個嵌入式芯片供電系統(tǒng)為其供電；必須有時鐘信號系統(tǒng)提供時鐘信號；必須有復(fù)位系統(tǒng)。嵌入式芯片還需要有存儲系統(tǒng)。如果芯片內(nèi)部沒有存儲器或存儲器容量不足以滿足需求，則需要外擴存儲芯片。調(diào)試接口也是嵌入式系統(tǒng)不可缺少的一部分。這些嵌入式處理器運行的必要條件的電路或者芯片與嵌入式處理器一起構(gòu)成了嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2： 圖1.2 最小嵌入式系統(tǒng)1.3 嵌入式系統(tǒng)與普通單片機開發(fā)的不同之處按照軟件工程的原理，嵌入式開發(fā)軟件的一般流程為需求分析、軟件概要設(shè)計、軟件詳細設(shè)計、軟件實現(xiàn)和軟件測試。與一般軟件開發(fā)的區(qū)別在于軟件實現(xiàn)的編譯和調(diào)試兩部

12、分。1.3.1 交叉編譯 由于宿主機和目標機的體系結(jié)構(gòu)不同，在宿主機x86平臺上可以運行的程序在目標機arm平臺上無法運行，因此嵌入式軟件開發(fā)采用交叉編譯方式在一個平臺上生成可以在另一個平臺上執(zhí)行的代碼。編譯的主要工作就是將程序轉(zhuǎn)化成該程序的cpu所能識別的機器代碼。進行交叉編譯的主機稱為宿主機，也就是普通的通用計算機，宿主機系統(tǒng)資源豐富，使用的方便地集成開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具。 程序?qū)嶋H運行的環(huán)境稱為目標機，也就是嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)資源緊缺，存儲空間、處理器運行速度等很有限，并且沒有相關(guān)的編譯工具，因此，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要借助宿主機來編譯出目標機的執(zhí)行代碼。由于編譯的過程包括編譯

13、、鏈接等幾個階段，因此，嵌入式的交叉編譯也包括交叉編譯和交叉鏈接等過程，通常，arm的交叉編譯器為arm-elf-gcc，交叉鏈接器為arm-elf-ld，一般可執(zhí)行文件是elf格式。如圖1.3所示。1.3.2 交叉調(diào)試嵌入式軟件編譯和鏈接完成后即進入調(diào)試階段。調(diào)試器與被調(diào)試的程序一般運行在同一臺計算機上，調(diào)試器是一個單獨運行著的進程，它通過操作系統(tǒng)提供的調(diào)試接口來控制被調(diào)試的進程。在嵌入式軟件開發(fā)中的調(diào)試方式采用的是交叉調(diào)試，調(diào)試器運行在宿主機上的通用操作系統(tǒng)之上，被調(diào)試的進程運行在基于特定硬件平臺的嵌入式操作系統(tǒng)中。宿主機與目標機通過串口或者網(wǎng)絡(luò)進行通信。調(diào)試器可以控制、訪問被調(diào)試進程，讀

14、取被調(diào)試進程的當前狀態(tài)，并能夠改變被調(diào)試的運行狀態(tài)。嵌入式系統(tǒng)的交叉調(diào)試方法主要有兩種：硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，它們共同的特點如下：調(diào)試器運行在宿主機上，而被調(diào)試的進程運行在目標機上。調(diào)試器通過串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、jtag等控制被調(diào)試進程。在目標機上，一般會具備某種形式的調(diào)試代理與調(diào)試器共同配合對目標機上的進程進行調(diào)試。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備，也可能是某些專門的調(diào)試軟件。目標機可能是某種形式的系統(tǒng)仿真器，通過在宿主機上運行目標機的仿真軟件，整個調(diào)試過程可以在一臺計算機上運行。此時物理上雖然只有一臺計算機，但是邏輯上仍然存在這宿主機和目標機的區(qū)別22。第二章 設(shè)計用嵌入式模塊2.

15、1 arm處理器 arm處理器當前有6個產(chǎn)品系列：arm7、arm9、arm9e、arm10e、arm11和securcore，其中arm11是最近推出的產(chǎn)品。arm7、arm9、arm9e、arm10e是4個通用處理器系列。每個系列提供一套特定的性能來滿足設(shè)計者對功耗、性能、體積的需求。securcore是第5個產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計的。在本設(shè)計中，我們用的是arm9處理器。下面對arm9進行相應(yīng)的介紹。arm9系列于1997年問世。由于采用了5級指令流水線，arm9處理器能夠運行在比arm7更高的時鐘頻率上，改善了處理器的整體性能；存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)空間獨立的

16、體系結(jié)構(gòu)）重新設(shè)計，區(qū)分了數(shù)據(jù)總線和指令總線。arm9系列的第一個處理器是arm920t，包含獨立的數(shù)據(jù)指令cache和mmu。次處理器能夠被用在要求有虛擬存儲器支持的操作系統(tǒng)上。此系列的arm922t是arm922t的變種，只有一半大小的數(shù)據(jù)指令cache。arm940t包含一個更小的數(shù)據(jù)指令cache和一個mpu。它是針對不要求運行操作系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計的。arm920t、arm940t都執(zhí)型v4t架構(gòu)指令13。2.2 flash模塊flash存儲器是一種可在的系統(tǒng)的（in-system）進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程（燒寫）

17、、擦除等特點，在體積、抗震性方面都有很大的優(yōu)勢，并且可有內(nèi)部嵌入式算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲器，flash在系統(tǒng)中用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3v。flash閃存是非易失性存儲器，可以對存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件進行寫入操作前必須先進行擦除。flash按結(jié)構(gòu)分為nor和nand兩大類。nand器件執(zhí)行擦除操作十分簡單，而nor則要求在進行擦出前，現(xiàn)將目標塊內(nèi)所有的地址都寫0。擦除nor器件時是以64128kb的塊進行的，執(zhí)

18、行一個寫入/擦除操作的時間為15s；擦除nand器件是以832kb的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。執(zhí)行擦除時，塊尺寸的不同進一步拉大了nand和nor之間的差距。nor的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)arm中。nor的傳輸速率很高，在14mb的小容量時具有極高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大降低了它的性能。nand結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度的都很快，應(yīng)用nand的難點在于flash的管理和需要特殊的接口。nor主要用在代碼存儲介質(zhì)中，nand適合于數(shù)據(jù)存儲22。2.3 sdram模塊

19、sdram與flash不同，它不具有掉電保護數(shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于flash存儲器，且有讀/寫的屬性，因此sdram在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當系統(tǒng)初始化后，cpu首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入sdram中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都放在sdram中。sdram具有單位空間存儲容量大和價格便宜的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。sdram的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為不免數(shù)據(jù)丟失，必須定時刷新（充電）。因此要在系統(tǒng)中使用sdram，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，

20、或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。sdram是高速的動態(tài)隨機存取存儲器，它的同步接口和完全流水線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其擁有極大的數(shù)據(jù)速率，目前sdram時鐘頻率已經(jīng)達到100mhz以上。另外，它們的行列地址線共用，有行地址選通（cas），列地址選通（ras）信號分時控制。基本存儲單元是內(nèi)存芯片中存儲信息的最小單位，每個存儲單元可以存儲1bit的信息，并且有一個由行地址和列地址共同定義的唯一的地址。我們知道8bit可以組成1byte，而字節(jié)是內(nèi)存中最小的尋址單元。雖然內(nèi)存基本存儲單元具有唯一的地址，但是并不能進行獨立的尋址，這將要求內(nèi)存芯片有數(shù)以百計的引腳同計算機通信，顯然這是不可能的?，F(xiàn)在內(nèi)存架構(gòu)是

21、處于同一列的基本存儲單元共用一條列地址線，而處于同一行的基本存儲單元共用一條行地址線，組成一個基本單元構(gòu)成的矩陣框架。而這些內(nèi)存框架構(gòu)成一個內(nèi)存bank，sdram內(nèi)存以bank為組織，可由行列地址尋址。另外，為了保持內(nèi)部數(shù)據(jù)還必須進行刷新。要知道sdram的結(jié)構(gòu)特點，就必須先了解dram器件的結(jié)構(gòu)特點。dram存儲一個位的消息只需要一只晶體管，但是需要周期性的充電，才能使保存的信息不丟失，dram的一個存儲位單元如圖2.1所示：圖2.1只是dram一個基本單位的結(jié)構(gòu)示意圖，電容器的狀態(tài)決定了這個dram單位邏輯狀態(tài)是1還是0。一個電容可以存儲一定量的電子或者電荷，一個充電的電容器被認為是邏輯

22、上的1，而“空”的電容器則是0。但是電容被利用的這個特性也是它的缺點。因為電容器不能持久的保持存儲的電荷，所以內(nèi)存需要不斷定時刷新，才能保持暫存的數(shù)據(jù)。電容器可以用電流來充電；同時，電容的充放電需要一定的時間，雖然對于內(nèi)存基本單位中的電容來說這個時間很短，大約只有0.180.2s，但這個期間內(nèi)存是不能執(zhí)行存取操作的。 圖2.1 dram的原理圖sdram的存儲單元的基本原理同前面提到的dram基本一樣，但是這些存儲單元的組織和控制與dram就有相當大的差別了。sdram是多bank 結(jié)構(gòu)22。2.4 jtag調(diào)試器jtag是英文“joint test action group（聯(lián)合測試行為組織

23、）”的詞頭字母的簡寫, 是一種國際標準測試協(xié)議（ieee 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持jtag協(xié)議,如dsp、fpga器件等。標準的jtag接口是4線：tms、tck、tdi、tdo,分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 相關(guān)jtag引腳的定義為：tck為測試時鐘輸入；tdi為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過tdi引腳輸入jtag接口；tdo為測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過tdo引腳從jtag接口輸出；tms為測試模式選擇，tms用來設(shè)置jtag接口處于某種特定的測試模式；trst為測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效，gnd。 jtag最初是用來對

24、芯片進行測試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個tap（test access port測試訪問口）通過專用的jtag測試工具對進行內(nèi)部節(jié)點進行測試。jtag測試允許多個器件通過jtag接口串聯(lián)在一起，形成一個jtag鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試?，F(xiàn)在，jtag接口還常用于實現(xiàn)isp（in-system programmable;在線編程），對flash等器件進行編程。 jtag編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預(yù)編程現(xiàn)再裝到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用jtag編程，從而大大加快工程進度。jtag接口可對psd芯片內(nèi)部的所有部件進行編程。在硬件結(jié)構(gòu)上，jtag

25、 接口包括兩部分：jtag 端口和控制器。與jtag 接口兼容的器件可以是微處理器（mpu）、微控制器（mcu）、pld、cpl、fpga、asic 或其它符合ieee1149.1 規(guī)范的芯片。ieee1149.1 標準中規(guī)定對應(yīng)于數(shù)字集成電路芯片的每個引腳都設(shè)有一個移位寄存單元，稱為邊界掃描單元bsc。它將jtag 電路與內(nèi)核邏輯電路聯(lián)系起來，同時隔離內(nèi)核邏輯電路和芯片引腳。由集成電路的所有邊界掃描單元構(gòu)成邊界掃描寄存器bsr。邊界掃描寄存器電路僅在進行jtag 測試時有效，在集成電路正常工作時無效，不影響集成電路的功能。jtag也可以實現(xiàn)對電路版的flash編程。要通過jtag接口對系統(tǒng)板上flash編程，可以利用專用的硬件控制器或獨立的編程器來訪問jtag器件實現(xiàn)，也可以直接用電纜線把pc機并行口與嵌入式系統(tǒng)的微處理器的jtag引腳連接起來，由pc機上的程序模擬jtag時序?qū)崿F(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)的flash芯片的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號線接到嵌入式系統(tǒng)帶jtag接口的微處理器相應(yīng)的引腳上，在對flash編程時，pc機上運行的程序控制p