室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、研究生課程考試成績(jī)單（試卷封面） 院 系專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)課程名稱嵌入式 Linux 系統(tǒng)及應(yīng)用課程編號(hào)授課時(shí)間周學(xué)時(shí)學(xué)分簡(jiǎn)要評(píng)語(yǔ)總評(píng)成績(jī)（含平時(shí)成績(jī)）備注 任課教師簽名： 日期： 注：1. 以論文或大作業(yè)為考核方式的課程必須填此表，綜合考試可不填?！昂?jiǎn)要評(píng)語(yǔ)缺填無(wú)效。2. 任課教師填寫后與試卷一起送院系研究生教務(wù)員處。3. 學(xué)位課總評(píng)成績(jī)以百分制計(jì)分。摘要摘要 目前，人們大約 90%的時(shí)間在室內(nèi)環(huán)境度過(guò)；因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到人體健康。但是，現(xiàn)在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴、測(cè)量種類單一、不具有無(wú)線傳輸功能。本課題針對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)在最為熱門的嵌入式 Linu

2、x 系統(tǒng)和 ARM 處理器，設(shè)計(jì)了一種集監(jiān)測(cè)有害氣體和可燃性氣體為一體的基于嵌入式 Linux 的室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 本文以室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)象，首先介紹了室內(nèi)空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題；其次論述了嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、處理器以及本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案；最后重點(diǎn)介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。硬件設(shè)計(jì)方面，選用三星公司的 32 位的S3C2440A 微處理芯片作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件核心；軟件設(shè)計(jì)方面，采用了嵌入式Linux 操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)。 在室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，首先實(shí)現(xiàn)了 LCD、PCF8591、SHT71 以及 nRF24L01 等硬件模塊的 Linux 驅(qū)動(dòng)程序

3、設(shè)計(jì)；其次，設(shè)計(jì)了 Linux 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試和驗(yàn)證；最后，設(shè)計(jì)了基于 Qtopia 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作界面。 在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用嵌入式 Linux 系統(tǒng)，方便用戶對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)、移植和裁剪，而且 Linux 系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和可靠性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用觸摸屏技術(shù)，減少了按鍵方面的設(shè)計(jì)，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加便攜。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有無(wú)線傳輸?shù)墓δ?，方便用戶在遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境的情況下進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的測(cè)試；同時(shí)解決了用戶對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試時(shí)布線困難的問(wèn)題。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：嵌入式； S3C2440A； Linux 系統(tǒng)； 氣體監(jiān)測(cè)目錄目錄摘要摘要.2目錄目錄.31 緒論緒論.51.1 研究背景與意義研究背景

4、與意義.51.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況與發(fā)展方向國(guó)內(nèi)外研究狀況與發(fā)展方向.61.2.1 國(guó)內(nèi)外研究狀況.61.2.2 發(fā)展方向.62 嵌入式系統(tǒng)介紹與整體方案設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)介紹與整體方案設(shè)計(jì).72.1 嵌入式系統(tǒng)介紹嵌入式系統(tǒng)介紹.72.2 常見嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介常見嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介.82.2.1 VXWORKS系統(tǒng)簡(jiǎn)介.92.2.2 WINCE 系統(tǒng)簡(jiǎn)介.92.2.3 嵌入式 LINUX系統(tǒng)簡(jiǎn)介.102.3 嵌入式嵌入式 ARM 微處理器簡(jiǎn)介微處理器簡(jiǎn)介.112.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì).123 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì).143.1 主

5、控芯片主控芯片 S3C2440A 模塊設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì) .143.2 觸摸屏及觸摸屏及 LCD 模塊設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì).153.3 氣體采集模塊設(shè)計(jì)氣體采集模塊設(shè)計(jì).173.3.1 MQ-138 氣體傳感器.183.3.2 TGS2611 傳感器.193.3.3 PCF8591A/D 轉(zhuǎn)換芯片 .193.4 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)溫濕度采集模塊設(shè)計(jì).203.5 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì).213.6 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)報(bào)警模塊設(shè)計(jì).224 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).244.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).244.1.1 GPIO 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).244.1.2 氣

6、體采集模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).274.1.3 溫濕度采集模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì).294.1.4 無(wú)線傳輸模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).314.1.5 觸摸屏及 LCD 模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).344.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 LINUX應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì).364.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 QTOPIA用戶界面程序設(shè)計(jì)用戶界面程序設(shè)計(jì).384.3.1 QTOPIA簡(jiǎn)介與 QTOPIA開發(fā)平臺(tái)的搭建.384.3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開機(jī)界面設(shè)計(jì).404.3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì).415 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析.465.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果.465.1.1

7、傳感器 MQ-138 和 TGS2611 的測(cè)試結(jié)果.465.1.2 溫濕度傳感器溫濕度傳感器 SHT71 的測(cè)試結(jié)果的測(cè)試結(jié)果.485.1.1 無(wú)線傳輸模塊NRF24L01 的測(cè)試結(jié)果 .485. 2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析 .496 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.506.1 總結(jié)總結(jié).506.2 展望展望.501 緒論緒論1.1 研究背景與意義研究背景與意義 近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)裝修已成為人們改善生活條件、提高生活質(zhì)量的重要組成部分，而由于裝修引發(fā)的室內(nèi)空氣污染問(wèn)題也相繼產(chǎn)生，并日益受到人們的關(guān)注和重視。除此之外，我們大部分時(shí)間都是生活在室內(nèi)環(huán)境，如辦公室、學(xué)校以

8、及家庭；因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到人體健康。大量研究表明，室內(nèi)空氣中已經(jīng)監(jiān)測(cè)到的有毒有害物質(zhì)達(dá)數(shù)百種，常見的也有十多種，其中絕大部分為有機(jī)物。加拿大環(huán)境衛(wèi)生組織的研究發(fā)現(xiàn)，人類約 70%的疾病是由于室內(nèi)環(huán)境的空氣污染造成的。目前我國(guó)每年由于室內(nèi)空氣污染引起的死亡人數(shù)已經(jīng)達(dá)到 100 多萬(wàn)人，由此所造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 200 多億美元。目前，世界衛(wèi)生組織已經(jīng)把室內(nèi)的空氣污染列為影響人類健康的十大威脅之一，全球每年因此而導(dǎo)致死亡的人數(shù)達(dá) 1000 多萬(wàn)人。因此對(duì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究具有重大的實(shí)際意義。 2003 年 3 月 1 日正式實(shí)施的“室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”中是我國(guó)第一步關(guān)

9、于室內(nèi)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把室內(nèi)的化學(xué)污染、物理污染和生物污染列為室內(nèi)空氣中的三項(xiàng)主要控制指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施一方面說(shuō)明了室內(nèi)空氣污染對(duì)人類健康的重要影響，另一方面也說(shuō)明了國(guó)家對(duì)室內(nèi)空氣污染問(wèn)題的極度重視。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)委員會(huì)于 2004年從北京地區(qū)抽取一千戶新裝修家庭進(jìn)行室內(nèi)空氣的監(jiān)測(cè)，其抽檢結(jié)果顯示甲醛超標(biāo)的占 60%；另外，深圳市的計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院也于 2004 年 1-7 月份，對(duì)全市的500 多套房子進(jìn)行了室內(nèi)空氣的監(jiān)測(cè)，其結(jié)果表明 90%的房子的甲醛濃度超標(biāo)。上述數(shù)據(jù)和行動(dòng)充分說(shuō)明室內(nèi)空氣的污染開始引起人們的普遍關(guān)注和重視；同時(shí)也需要采取相關(guān)措施來(lái)監(jiān)測(cè)和減少室內(nèi)空氣的污染，提高室內(nèi)

10、空氣質(zhì)量，為人們提供一個(gè)健康的生活環(huán)境。 由以上的論述可以得出，室內(nèi)空氣污染問(wèn)題已經(jīng)引起全球的廣泛關(guān)注，也給用于室內(nèi)空氣的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控的儀器儀表帶來(lái)了巨大市場(chǎng)。因此對(duì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況與發(fā)展方向國(guó)內(nèi)外研究狀況與發(fā)展方向1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究狀況國(guó)內(nèi)外研究狀況根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資源，針對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)設(shè)備的現(xiàn)狀如下：在檢測(cè)甲醛等有害氣體方面，國(guó)外比較出名的公司及產(chǎn)品為：美國(guó) ESC 公司的ES300 手持式甲醛檢測(cè)儀、英國(guó)的 PPM400ST 甲醛檢測(cè)儀等。國(guó)內(nèi)比較出名的公司及產(chǎn)品為：深圳市吉順安科技有限公司的 JSAB-CH20 便攜式甲醛測(cè)試

11、儀、中國(guó)江蘇的興科儀器 XK 系列甲醛測(cè)試儀、南京鼎頂電子科技有限公司的 DDJT-100 家用甲醛檢測(cè)儀等。 在檢測(cè)可燃性氣體方面，國(guó)外比較出名的公司及產(chǎn)品為：加拿大的 MC2-W 可燃性氣體檢測(cè)儀可燃?xì)怏w檢測(cè)儀、美國(guó)的霍尼韋爾 X4-FL 可燃性氣體檢測(cè)器等。國(guó)內(nèi)比較出名的公司及產(chǎn)品為：鄭州迪凱科技有限公司的 GA-10 系列可燃性氣體報(bào)警器、南京波騰科技工程有限公司 GD-2000W 可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀等。 雖然國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)設(shè)備的公司以及相關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)很多，但是上面的相關(guān)設(shè)備也存在如下的一些不足之處： （1）上述儀器設(shè)備昂貴，如 TSI 公司生產(chǎn)的 PPM400TM 的價(jià)格約為

12、一萬(wàn)多元人民幣。另外，儀器測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，每隔一段時(shí)間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測(cè)定。一種儀器只能采集一種氣體，如果需要采集室內(nèi)空氣的多個(gè)空氣參數(shù)，需要利用多種儀器進(jìn)行采集，這種做法增加了室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)的費(fèi)用；由于儀器自身的誤差，這種做法還有可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差增大。 （2）上述儀器的操作均是基于按鍵進(jìn)行操作，比如，實(shí)現(xiàn) LCD 背光亮度的調(diào)節(jié)、儀器自身的調(diào)零、校準(zhǔn)等。使用按鍵增加了儀器面板的面積和面板的制作難度，從而增加了儀器的結(jié)構(gòu)成本；使用按鍵也增加了儀器的硬件成本和組裝整個(gè)儀器的難度，從而增加了儀器的成本，不利于監(jiān)測(cè)設(shè)備向著便攜式方面的發(fā)展。（3）上述儀器不具有無(wú)線數(shù)

13、據(jù)傳輸?shù)墓δ埽槐阌谌藗冊(cè)谶h(yuǎn)離惡劣環(huán)境的情況下進(jìn)行室內(nèi)空氣的監(jiān)測(cè)等。1.2.2 發(fā)展方向發(fā)展方向隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，以及嵌入式處理器和嵌入式系統(tǒng)逐步普及的趨勢(shì)，使得室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始向著智能化、小型化、便攜性等的方向發(fā)展。使其具有如下的特點(diǎn)： （1）具有智能處理數(shù)據(jù)的功能，智能儀器由于應(yīng)用了嵌入式微處理器，不僅能進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量，而且還具有對(duì)該測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諸如調(diào)零、中值濾波等比較復(fù)雜的處理功能。 （2）具有友好人機(jī)交互的功能，智能儀器使用觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的按鍵，操作人員可以根據(jù)需要通過(guò)觸摸屏輸入相關(guān)命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某種特定的測(cè)量功能，同時(shí)也減小了智能儀器所占的空間，便于實(shí)現(xiàn)儀

14、器的便攜式發(fā)展。 （3）具有在線可編程的功能，智能監(jiān)測(cè)儀器一般都配有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如USB,UART， RS485 等?？梢耘c臺(tái)式機(jī)或其他的監(jiān)測(cè)設(shè)備一起組成用戶所需要的測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。 （4）具有用戶可擴(kuò)展的功能，智能儀器一般采用微處理器作為主控制器，其內(nèi)部集成較多的功能，方便用戶在智能儀器的使用過(guò)程中，根據(jù)自己的需求對(duì)智能儀器相關(guān)功能的進(jìn)行擴(kuò)展。 （5）規(guī)范化、通用性、可靠性和安全性設(shè)計(jì)也必將成為未來(lái)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)追逐的目標(biāo)。2 嵌入式系統(tǒng)介紹與整體方案設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)介紹與整體方案設(shè)計(jì)2.1 嵌入式系統(tǒng)介紹嵌入式系統(tǒng)介紹所謂嵌入式系統(tǒng)是指以實(shí)際應(yīng)用為中心，以嵌入式計(jì)算

15、機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件均可剪裁的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從 20 世紀(jì) 70 年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近 40 年的發(fā)展歷史，并且在各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。如平常所廣泛使用的手機(jī)、IPAD、網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒等都屬于嵌入式設(shè)備。隨著信息數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。圖 2.1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖嵌入式系統(tǒng)作為一類比較特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它一般包括如下的四個(gè)方面：嵌入式處理器、外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，其關(guān)系如圖 2-1 所示。首先，嵌入式處理器和外圍設(shè)備兩個(gè)部分共同組成了嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備部分。其中，嵌入式處理器是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心部分；外圍設(shè)備是整個(gè)

16、嵌入式系統(tǒng)中輔助嵌入式處理器完成 LCD 顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能的其他部件。其次，嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有操作系統(tǒng)一般功能；同時(shí)在操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、應(yīng)用專用性等方面具有非常突出的特點(diǎn)。最后，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是針對(duì)某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一特定的硬件設(shè)備平臺(tái)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。嵌入式系統(tǒng)擁有廣闊的發(fā)展前景，嵌入式處理器的自主設(shè)計(jì)已經(jīng)成為未來(lái)嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。綜上所述，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)大生命力的系統(tǒng)。2.2 常見嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介常見嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其程序的編寫和設(shè)計(jì)也逐漸變的復(fù)雜，因此需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的程序進(jìn)行控制和

17、管理。嵌入式操作系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。而常見的嵌入式操作系統(tǒng)如下：2.2.1 vxWorks 系統(tǒng)簡(jiǎn)介系統(tǒng)簡(jiǎn)介 vxWorks 是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是本世紀(jì)八十年代由美國(guó)的 Wind River 公司推出的一種為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 32 位操作系統(tǒng)。并且于 1996 年被引進(jìn)中國(guó)。vxWorks 具有可靠性、實(shí)時(shí)性、裁剪性的突出特點(diǎn)，以及友好的用戶開發(fā)界面使其在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域特別是軍事、航空航天和通信等高精尖技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)了巨大的份額。 在 vxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，用戶可根據(jù)項(xiàng)目需要選擇相關(guān)模塊來(lái)裁剪和配置系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。其次，vxWorks 獨(dú)特的中斷機(jī)制大大提

18、高了操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，vxWorks 采用中斷處理與普通任務(wù)分別在不同的棧中處理的中斷處理機(jī)制。另外，vxWorks 支持多任務(wù)多優(yōu)先級(jí)，以及優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等調(diào)度算法。最后，vxWorks 提供了非常豐富的 AP 工接口，使應(yīng)用程序編寫簡(jiǎn)單，直觀。 然而 vxWorks 操作系統(tǒng)也存在著許多不足，具體表現(xiàn)在 vxWorks 操作系統(tǒng)沒(méi)有分開內(nèi)核空間和用戶空間，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序都運(yùn)行于同一空間，這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大打折扣。另外，vxWorks 操作系統(tǒng)的費(fèi)用比較昂貴，通常要花費(fèi) 10 多萬(wàn)元人民幣才能建起一個(gè)可用的開發(fā)環(huán)境，并且對(duì)每一個(gè)應(yīng)用還要另外收取版稅費(fèi)。也不提供源代碼

19、，只提供二進(jìn)制代碼。由于其代碼并不是開源的，這就造成了其資源十分有限，加大了開發(fā)者的掌握難度和解決問(wèn)題的速度。2.2.2 WinCE 系統(tǒng)簡(jiǎn)介系統(tǒng)簡(jiǎn)介 WinCE 是微軟公司開發(fā)的嵌入式和移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可進(jìn)行升級(jí)的 32 位嵌入式操作系統(tǒng)。其系統(tǒng)核心部分由 C 語(yǔ)言開發(fā)完成。1996 年，微軟發(fā)布了第一版的 WinCE 系統(tǒng) WinCE1.0，目前已經(jīng)逐步發(fā)展到 WinCE6.0 版本。 WinCE 要更好的發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，也離不開外圍硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支持。例如通用的硬盤驅(qū)動(dòng)，WinCE 已經(jīng)定義了一套 I/O 操作和對(duì)應(yīng)的 TOCTL，只需按照各類設(shè)備已經(jīng)定義

20、的內(nèi)容去實(shí)現(xiàn)所有的 IO 操作即可。 WinCE 與 PC 上的 Windows 操作系統(tǒng)相通，開發(fā)、調(diào)試工具使用方便，但是其源代碼沒(méi)有開源，開發(fā)人員很難根據(jù)自己的需求進(jìn)行細(xì)致的定制。2.2.3 嵌入式嵌入式 Linux 系統(tǒng)簡(jiǎn)介系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式 Linux 系統(tǒng)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn) Linux 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)裁剪處理，能夠固化在容量很小的存儲(chǔ)器芯片中，針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的操作系統(tǒng)。其程序結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。圖 2-2 Linux 程序結(jié)構(gòu)圖在所有操作系統(tǒng)中，Linux 系統(tǒng)是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的。從 1991 年問(wèn)世到現(xiàn)在，不僅在 PC 平臺(tái)有著廣泛的應(yīng)用，而且在嵌入式應(yīng)用方面中占據(jù)重要地位。通過(guò)其不斷的發(fā)

21、展，逐漸形成了與其它商業(yè)嵌入式系統(tǒng)相抗衡的局面，Linux 系統(tǒng)本身的各種特性使其成為嵌入式開發(fā)的首選。隨著嵌入式 Linux 系統(tǒng)的逐步成熟，支持更多平臺(tái)的應(yīng)用，并成為了嵌入式市場(chǎng)的主流。因此，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也選擇了嵌入式 Linux系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)。 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇嵌入式 Linux 系統(tǒng)的依據(jù)如下：（1）嵌入式 Linux 系統(tǒng)是源代碼開放的免費(fèi)操作系統(tǒng)。只要遵守 GPL 的規(guī)定，就可以免費(fèi)獲得嵌入式 Linux 內(nèi)核和及其自由軟件的源代碼，剛好滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要開發(fā)嵌入式 Linux 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的需求。采用嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，更加方面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。

22、（2）嵌入式 Linux 系統(tǒng)內(nèi)核功能強(qiáng)大、性能高效、穩(wěn)定。嵌入式 Linux 內(nèi)核具有對(duì)大部分常用設(shè)備的驅(qū)動(dòng)支持。為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前期的系統(tǒng)平臺(tái)的搭建提供了便利條件。（3）嵌入式 Linux 系統(tǒng)的內(nèi)核非常穩(wěn)定，同時(shí)也支持嵌入式 Linux 內(nèi)核的裁剪，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要設(shè)計(jì)具有專用屬性的內(nèi)核。（4）嵌入式 Linux 系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，隨著嵌入式 Linux 系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式 Linux 系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合變得非常緊密。除此之外，嵌入式 Linux 系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面還有一些特殊的地方，那就是所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和接口都可以在嵌入式 Linux 系統(tǒng)上找到。而且可以通過(guò)對(duì)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)

23、與嵌入式平臺(tái)的聯(lián)合開發(fā)，非常方便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ??；谏厦鎸?duì)嵌入式 Linux 系統(tǒng)的分析，我們選擇了在嵌入式 Linux2 .6 內(nèi)核、RedHat 的 Fedora9.0 平臺(tái)上進(jìn)行室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。2.3 嵌入式嵌入式 ARM 微處理器簡(jiǎn)介微處理器簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，現(xiàn)在全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)了 1000 種，流行的體系結(jié)構(gòu)約有 30 多個(gè)系列。嵌入式 ARM (Advanced RISC Machines)微處理器以其完整的體系結(jié)構(gòu)和低功耗、低成本、高性能等的特性，及時(shí)根據(jù)嵌入的對(duì)象的不同進(jìn)行功能上的擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，在眾多種類的嵌

24、入式微處理器中脫穎而出。此外，ARM 還代表一個(gè)公司的名字，該公司于 1990 年 11 月在英國(guó)劍橋成立。ARM 公司是一家專門從事 16/32 位的 RISC 微處理器 IP ( Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán))設(shè)計(jì)的供應(yīng)商。確切地說(shuō)，嵌入式 ARM 微處理器是 ARM 公司設(shè)計(jì)開發(fā)出的基于 RISC 架構(gòu)的微處理器 IP 核，具體的芯片是由各半導(dǎo)體廠商購(gòu)買了 ARM 公司的 IP 核后根據(jù)自己公司不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入不同的外圍電路，封裝后形成自己的ARM 微處理器芯片。嵌入式 ARM 微處理器與傳統(tǒng)微處理器相比具有如下特點(diǎn)：（1）嵌入式 ARM 微處理器的體積小、功

25、耗低、成本低、性能高。（2）嵌入式 ARM 微處理器的大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作都是在寄存器中完成，減少了對(duì)外部數(shù)據(jù)總線的訪問(wèn)，從而使得微處理器的總體速度加快。（3）嵌入式 ARM 微處理器的尋址方式相對(duì)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。（4）嵌入式 ARM 微處理器的指令長(zhǎng)度固定，提高了代碼的執(zhí)行速度。 嵌入式 ARM 微處理器主要類型有 ARM、Strong-Arm 系列、PowerPc、MIP S 系列四。目前市場(chǎng)上具有的嵌入式 ARM 微處理器的芯片主要為：ARM7 , ARM9 ,ARM 11, Intel 的 Strong-Arm 和 Xscale 等多個(gè)系列。除 7 具有嵌入式 ARM 體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)外

26、，不同系列的嵌入式 ARM 微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。如 ARM7 系列適用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)電話等應(yīng)用領(lǐng)域；ARM9 系列則適合于無(wú)線設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；Intel 的 Strong-Arm 處理器則適合于便攜通信產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域等。 鑒于嵌入式 ARM 微處理器的眾多優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，本室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是結(jié)合了嵌入式技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，采用了三星公司的 S3C2440A 微控制器來(lái)構(gòu)建室內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)如圖 2-3 所示，氣體采集模塊主要選擇了 MQ-138

27、 和 TGS2611 兩種氣體傳感器；其輸出量為模擬量，所以需要經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換芯片PCF8591； PCF8591 與 S3C2440A 之間通過(guò) I2C 接口進(jìn)行通信。溫濕度采集模塊與S3C2440A 之間通過(guò)仿 I2C 進(jìn)行通信。無(wú)線傳輸模塊與 S3C2440A 之間通過(guò) SPI 接口進(jìn)行通信。S3C2440A 通過(guò)相應(yīng)的 GPIO 對(duì)報(bào)警模塊進(jìn)行控制。S3C2440A 利用自帶的 LCD 控制器和觸摸屏控制模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示模塊設(shè)計(jì)。電源模塊為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的 SV/3.3V/1.8V 的電壓值。調(diào)試模塊提供了通過(guò)串口、JTAG、USB、網(wǎng)口四種接口對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。室內(nèi)空氣

28、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括：基于嵌入式 Linux 的底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，主要是系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊的 Linux 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；基于嵌入式 Linux 的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)，主要是為了測(cè)試了系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊的 Linux 的驅(qū)動(dòng)程序的功能；在模塊驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于 Qtopia 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面程序設(shè)計(jì)，界面程序設(shè)計(jì)主要包括開機(jī)界面程序設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)置界面的設(shè)計(jì)。圖 2-3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案示意圖3 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 主控芯片主控芯片 S3C2440A 模塊設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì) 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片采用三星公司

29、推出的 16/32 位 RISC 微處理器S3C2440A。S3C2440A 采用 ARM920T 的內(nèi)核，采用 0.13um 工藝的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。該處理器具有功耗低、簡(jiǎn)單、優(yōu)雅的特點(diǎn)。且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率有一定要求的應(yīng)用。它采用全新的總線架構(gòu) Advanced Micro controller Bus Architecture(AMBA)。加強(qiáng)的 ARM 體系結(jié)構(gòu) MMU 由于支持 Linux、 WinCE 等嵌入式系統(tǒng)。S3C2440A 的突出特點(diǎn)是其核心處理器(CPU)，是一個(gè)由ARM(Advanced RISC Machines)有限公司設(shè)計(jì)的支持精

30、簡(jiǎn)指令 16/32 位的 ARM920T的 RISC 處理器。ARM920T 實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存管理單元，高級(jí)微控制總線結(jié)構(gòu)和哈佛高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。 其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示：圖 3-1 S3C2440A 內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)S3C2440A 采用 ARM920T 內(nèi)核，自身集成了如下片上功能：（1）1.2 V 內(nèi)核工作電壓，1.8 V/2.5 V/3.3 V 儲(chǔ)存器工作電壓，3.3 V 擴(kuò)展輸入輸出接口，外部 16 KB 指令緩存/16 KB 數(shù)據(jù)緩存/MMU 微處理器（2）集成了外部?jī)?chǔ)存控制器(SDRAM 控制以及片選邏輯)（3）集成了 LCD 專用 DMA 的 LCD 控制器，支持 4K 色 S

31、TN 和 256K 色 TFT 顯示（4）擁有 4 路支持外部請(qǐng)求引腳的 DMA 控制器（5）擁有 3 路通用異步接收器傳輸總線(DART)（6）擁有兩路串行外設(shè)接口(SPI)（7）擁有雙線同步串行總線(I2C)接口(支持多主機(jī)模式)（8）擁有兼容 1.0 版 SD 主接口和 2.11 版 MMC 接口（9）擁有兩路 USB 主機(jī)控制/1 路 USB 設(shè)備控制（10）擁有四路脈寬調(diào)值定時(shí)器和 1 路內(nèi)部的定時(shí)器(看門狗定時(shí)器)（11）集成了 8 通道 10 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和觸摸屏接口（12）擁有實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制(RTC)（13）擁有 130 個(gè)通用輸入輸出口，24 個(gè)外部中斷源在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，S3

32、C2440A 的主頻時(shí)鐘為 400MHz，其主頻最高可達(dá)533MHz；其封裝格式為 289-FBGA；核心板帶有 64M 的 Nand Flash 和 2M 的 Nor Flash，64M 的 SDRAM；支持 Nor Flash 和 Nand Flash 啟動(dòng)。3.2 觸摸屏及觸摸屏及 LCD 模塊設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中結(jié)合現(xiàn)在比較盛行的觸摸屏技術(shù)，選擇了觸摸屏和 720X480 的 7寸 TFT-LCD 作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示部分。采用觸摸屏使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能更加完善和人性化。采用 TFT-LCD 顯示屏不但提高了其顯示的速度，而且提高了 LCD的對(duì)比度和亮度。除此之外，也提高其分辨

33、率。這對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 Qtopia 操作界面的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，觸摸屏接口采用了 S3C2440A 內(nèi)部集成的接口如圖 3-2 所示，其中 XP 表示 X 軸正極坐標(biāo)輸入通道，XM 表示 X 軸負(fù)極坐標(biāo)輸入通道；YP 表示 Y軸正極坐標(biāo)輸入通道，YM 表示 Y 軸負(fù)極坐標(biāo)輸入通道。該接口是四線制的電阻式觸摸屏接口，觸點(diǎn)坐標(biāo)的檢測(cè)是通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖 3-2 S3C2440 的觸摸屏控制接口模塊圖 S3C2440A 一共有 4 種觸摸屏接口模式，分別為正常轉(zhuǎn)換模式、分離 XY 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式、自動(dòng)(連續(xù))XY 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式和等待中斷模式，其中，自動(dòng)(連續(xù))XY 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

34、模式和等待中斷模式是應(yīng)用中比較常用的模式。等待中斷模式是在觸筆落下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在這種模式下，A/D 觸摸屏控制寄存器 ADCTSC 的值應(yīng)為 OxD3,在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，XY 坐標(biāo)的測(cè)量模式必須為無(wú)操作模式，即寄存器 ADCTSC 的低兩位必須清零。自動(dòng)(連續(xù))XY 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式是系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)的 X 軸坐標(biāo)和 Y 軸坐標(biāo)，其中 X 軸坐標(biāo)值寫入寄存器 ADCDAT1 的低 10 位中，Y 軸坐標(biāo)寫入寄存器ADCDATI 的低 10 位中，在這種模式下，系統(tǒng)同樣會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)。在一般情況下，為實(shí)現(xiàn)觸摸屏功能，先是設(shè)置為等待中斷模式，在產(chǎn)生中斷后，再設(shè)置為自動(dòng)(連續(xù))XY 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式，依

35、次讀取觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。 在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，LCD 接口采用 S3C2440A 自帶的控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-3 所示。圖 3-3 S3C2440 的 LCD 控制器模塊圖 為了能夠使 LCD 正常工作，需要對(duì) LCD 的時(shí)序和顯示緩存區(qū)進(jìn)行正確的設(shè)置。LCD 的時(shí)序主要包括 VSYNC. HSYNC 和 VCLK；其中 VSYNC 確定了 LCD 的場(chǎng)頻，即每秒屏幕刷新的次數(shù)；HSYNC 確定了 LCD 的行頻，即每秒屏幕從左到右掃描一行的次數(shù)。顯示緩存區(qū)是編程時(shí)開辟的一段內(nèi)存區(qū)，一般通過(guò)定義一個(gè)與屏幕尺寸大小相同的二維數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)，如 720X480 的 7 寸 TFT-LCD，可以定義 LC

36、D_ BUFFER720480。把要顯示的數(shù)據(jù)寫入顯示緩沖區(qū)就可以在屏幕上顯示。 根據(jù)上面觸摸屏和 LCD 接口的描述，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觸摸屏和 LCD 模塊電路如圖 3-4 所示。在該模塊中通過(guò) LCD PWR 2440 信號(hào)控制 LCD 的背光。圖 3-4 觸摸屏和 LCD 模塊電路3.3 氣體采集模塊設(shè)計(jì)氣體采集模塊設(shè)計(jì) 在本課題中，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，選擇了對(duì)有害氣體敏感的傳感器 MQ-138 和對(duì)可燃性氣體敏感的傳感器 TGS2611 作為氣體采集模塊的采集對(duì)象。并且由于二者的輸出量為模擬量，所以選擇了 PCF8591 作為 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。3.3.1 MQ-138 氣體傳感器氣體

37、傳感器 MQ-138 氣體傳感器的敏感材料是活性很高的二氧化錫(SnO2)。二氧化錫(SnO2)在空氣中由于加熱而達(dá)到一定的溫度時(shí)，二氧化錫中的氧原子就被吸附到帶有負(fù)電荷的半導(dǎo)體的表面，同時(shí)半導(dǎo)體的表面的電子也會(huì)被吸附到二氧化錫中的氧原子上，因此二氧化錫中的氧原子就便成了帶負(fù)電荷的氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體的表面形成了帶正電荷的空間電荷層，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體的表面勢(shì)壘電壓逐步升高，從而阻止了帶負(fù)電荷的電子的流動(dòng)。另外，在二氧化錫內(nèi)部，自由移動(dòng)的電子必須穿過(guò)二氧化錫微晶粒的晶界才能夠形成電流，但是晶界中還同時(shí)存在著由二氧化錫中的氧原子產(chǎn)生的勢(shì)壘電壓來(lái)阻礙自由電子的流動(dòng)，所以 MQ-138 的電阻就是有這

38、種勢(shì)壘產(chǎn)生的。當(dāng) MQ-138遇到室內(nèi)空氣中合有的還原性氣體時(shí)，由于加熱產(chǎn)生的氧負(fù)離子與空氣中的還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致了氧負(fù)離子濃度的降低，其形成的勢(shì)壘也隨之降低，進(jìn)而導(dǎo)致 MQ-138 的阻值發(fā)生了變化。 MQ-138 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形以及測(cè)試電路如圖 3-5 所示，其外部封裝只有 6 個(gè)針狀管腳，其中 4 個(gè)管腳用于取出信號(hào)，2 個(gè)管腳用于提供加熱電流。圖中“1”是氣體敏感層、2”是電極、3”是量電極引線、4”是加熱器、5”是陶瓷管、 “6”是防爆網(wǎng)、“7”是卡環(huán)、8”是基座、9”是針狀管腳。MQ-138 的加熱電壓和回路電壓一樣均為5V。 MQ-138 對(duì)不同種類、不同濃度的氣

39、體有不同的電阻值，因此在使用 MQ-138 時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。當(dāng)精確測(cè)量時(shí)，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定還應(yīng)考慮實(shí)際環(huán)境中的溫濕度的影響。圖 3-5 MQ-138 的結(jié)構(gòu)、外形及測(cè)試電路圖MQ-138 有如下特性：廣泛的探測(cè)范圍、快速的響應(yīng)恢復(fù)及較高的靈敏度、長(zhǎng)期的工作穩(wěn)定性、簡(jiǎn)單的測(cè)試電路。3.3.2 TGS2611 傳感器傳感器 TGS2611 傳感器是費(fèi)加羅( FIGARO)公司生產(chǎn)的可燃性氣體傳感器，由集成的加熱器和金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。 TGS2611 的測(cè)試電路如圖 3-6 所示，在測(cè)試電路中需要給傳感器需加 2 個(gè)電壓：VH 和 VC，其中 VH 為加熱器電壓，VC 為回路電壓。其中

40、VH 主要用于維持傳感器的敏感因子處于某一特定溫度而施加在芯片內(nèi)部的加熱器上的電壓。VC 主要用于測(cè)定測(cè)試電路中串聯(lián)的負(fù)載電阻(RL)兩端的電壓(Vout)。由于 TGS2611 具有極性，所以 VC 一般需要直流電源提供。另外，只要滿足 TGS2611 的電性要求，VC 和 VH 也可以有同一個(gè)電源提供。為了將傳感器的判定值最佳化，并使傳感器的功耗(PS)低于15mW 的極限值，需要選擇合適的 RL 的值。其中 Vout 的計(jì)算公式如下： (3-1)*coutsVRLVRRL其中 Rs-傳感器電阻。圖 3-6 TGS2611 的測(cè)試電路3.3.3 PCF8591A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 PC

41、F8591 為單電源 CMOS 低功耗 8 位 A/D 和 D/A 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它擁有四個(gè)模擬輸入、一個(gè)模擬輸出和一個(gè)串行 12C 總線接口。三個(gè)地址引腳 A0. A1、A2 用于器件的硬件地址編程，因此最多允許將 8 個(gè) PCF8591 器件連接到相同的 I2C 總線。對(duì)PCF8591 的選擇、控制以及數(shù)據(jù)的傳輸都是通過(guò) 12C 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PCF8591 器件內(nèi)部集成了多路復(fù)用的模擬輸入、8 位模數(shù)腳 D)、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換等功能。工作電壓為2.5V6V。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的 PCF8591 的工作電源為 3.3V。 根據(jù) PCF8591 的控制字可以對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，其中控制字的 bit45 可以

42、設(shè)置 AIN 0AIN 3 的模式，00”表示 AIN 0AIN 3 為 4 個(gè)單端輸入；01”表示 AIN 0AIN2 與AIN3 分別構(gòu)成 3 個(gè)差分輸入；“10”表示 AIN 0 和 AIN1 為兩個(gè)單端輸入，AIN 2 與AIN 3 構(gòu)成一個(gè)差分輸入；“11”表示 AIN 0 和 AIN1 構(gòu)成一個(gè)差分輸入，AIN 2 與AIN 3 構(gòu)成另一個(gè)差分輸入?？刂谱值?bit0 1 可以進(jìn)行通道的選擇， 00”“11”分別表示通道 03。 根據(jù) MQ-138、TGS2611 和 PCF8591 的描述，設(shè)計(jì)出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的氣體采集模塊的原理圖如圖 3-7 所示，通過(guò) PCF8591 的 I2C

43、 接口把采集的數(shù)據(jù)傳到主控制器S3C2440A。圖 3-7 氣體采集模塊的電路圖3.4 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)溫濕度采集模塊設(shè)計(jì) 在溫濕度采集模塊中，選擇了 SHT71 芯片。SHT71 是盛世瑞公司生產(chǎn)的采用CMO Sens 技術(shù)、輸出為數(shù)字量的溫濕度傳感器，具有高度的可靠性和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。SHT71 傳感器默認(rèn)的測(cè)量溫度的分辨率為 14 位，測(cè)量相對(duì)濕度的分辨率分別為12 位，通過(guò) SHT71 的內(nèi)部狀態(tài)寄存器可分別設(shè)置為 12 位和 8 位。其濕度測(cè)量的范圍是。0100% RH , 12 位測(cè)量時(shí)的分辨率為 0.05% RH ,溫度測(cè)量范圍為-40123.8oC，14 位測(cè)量時(shí)的分辨率為

44、0.01 oC。 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用 SHT71 采集 12 位的相對(duì)濕度和 14 位的溫度，所以在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了將 SHT71 輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實(shí)際物理量需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。SHT71 的溫度計(jì)算公式為： （3-2）12*TTddSO其中 d1=39.66, d2=0.01，SOT表示 SHT71 讀出的溫度數(shù)據(jù)。SHT71 的相對(duì)濕度的計(jì)算公式為： （3-3）2123*SORHRHRHlinearccSOc其中 c1 = -2.0468, c2 =0.0367 , c3=-1.5955E-6, SORH表示 SHT71 讀出的濕度數(shù)據(jù)。 （3-12(25)*(*)RHRHtureTt

45、tSORHlinear4）其中 T 表示 SHT71 測(cè)得的實(shí)際溫度，。10.01t 20.00008t 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)的電路圖如圖 3-8 所示，SHT71 與 S3C2440A 之間通過(guò)GPF1 和 GPF3 模擬 I2C 通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。并且 SHT71 的 DATA 信號(hào)線上必須接 10K 的上拉電阻。圖 3-8 溫濕度采集模塊電路圖3.5 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì) 考慮到本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用時(shí)，方便用戶在遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境的情況下進(jìn)行測(cè)試；以及在比較寬闊的室內(nèi)時(shí)間進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，方便用戶對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試；所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中考慮了無(wú)線傳輸?shù)墓δ堋?本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用

46、瑞典 Nordic Semiconducto：公司 2005 年推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置鏈路層的超低成本的集無(wú)線收發(fā)于一體的芯片 nRF24L01。該芯片內(nèi)部集成了頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 SchockBurstTM模式控制器、調(diào)制器以及解調(diào)器等模塊。該芯片工作于 2.4GHz-2.5GHz 的 ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，有效通信距離可達(dá) 100m；使用者無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，給開發(fā)者和用戶帶來(lái)了很大的方便。另外，nRF24L01 的功耗比較低，如在以-6dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有 9mA；2Mbps 接收時(shí)，峰值電流12.5mA。 nRF24L01 具有以下主要特點(diǎn)： （1）芯片的無(wú)線傳輸速率

47、高，其速率可以達(dá)到 2Mbps，由于數(shù)據(jù)在空中的傳輸時(shí)間非常短，所以極大的降低了數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸中的相互碰撞的現(xiàn)象，從而減少了數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)恼`碼率。 （2）芯片自身集成了標(biāo)準(zhǔn) SPI 接口電路，對(duì)芯片的頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置等操作都可通過(guò)此 SP 工接口完成。 （3）芯片集成了射頻協(xié)議中的高速信號(hào)處理部分，比如自動(dòng)重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包以及自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)等，減少了外部器件的復(fù)雜性和成本，支持自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)，重發(fā)時(shí)間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制。 nRF24L01 與 S3C2440A 的接口電路如圖 3-9 所示，將 nRF24L01 模塊的主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收(MO SIB、主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送(MISO)、時(shí)

48、鐘信號(hào)(SCK)、片選信號(hào)(CSN)分別連接到 S3C2440A 的 SPI1 口的 SPIMOSII. SPIMISOI. SPICLKI. nSSl，當(dāng)進(jìn)行 SP工通信時(shí)，需要將 CSN 置低；將 nRF24L01 的芯片使能信號(hào)(CE)、可屏蔽中斷引腳(IRQ)分別連接到 S3C2440A 的通用 I/O 口的 F 端口的第三位(GPF3)、第四位(GPF4) , nRF24L01 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送和接收時(shí)，需要將 CE 置低；將 nRF24L01 的電源引腳(VCC)和接地引腳(GND)分別連接到開發(fā)板的預(yù)留的 CON6 的 VDD33V,GND 引腳上，為 nRF24L01 提供

49、3.3V 的工作電壓。圖 3-9 無(wú)線傳輸模塊電路圖3.6 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)報(bào)警模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的報(bào)警模塊用到了發(fā)光 LED 和蜂鳴器。其原理圖如圖 3-10 所示。當(dāng)采集到的氣體濃度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，LED 會(huì)被點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器也會(huì)發(fā)出報(bào)警的蜂鳴聲。圖 3-10 報(bào)警模塊電路圖4 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)程序在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中有著極其重要的作用。Linux 操作系統(tǒng)下，驅(qū)動(dòng)程序作為 Linux 內(nèi)核的一部分，是應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)備之間的一個(gè)軟件層，完全隱藏了各個(gè)設(shè)備工作的具體細(xì)節(jié)，并且為使用它定義了良好

50、的調(diào)用接口。驅(qū)動(dòng)程序主要完成對(duì)底層硬件設(shè)備的初始化、向應(yīng)用程序提供對(duì)底層硬件設(shè)備進(jìn)行操作的接口、讀取底層硬件設(shè)備返回或者產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)傳給上層的應(yīng)用程序、檢測(cè)底層硬件設(shè)備的工作狀態(tài)等工作。 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要分為三種類型：字符設(shè)備(char device)驅(qū)動(dòng)程序、塊設(shè)備(block device)驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)驅(qū)動(dòng)程序。字符設(shè)備主要是指能夠像文件一樣被訪問(wèn)的設(shè)備，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要方法包括 Open、Release 、Read和 Write 等應(yīng)用程序調(diào)用接口。字符設(shè)備可以通過(guò) Linux 系統(tǒng)的文件系統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，例如/dev/tt

51、y0 ；塊設(shè)備主要是指以“塊”為單位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其信息的存取，如常見的光盤、硬盤等，塊長(zhǎng)一般取 512B 或者 1024B 等，在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，也可以像操作字符設(shè)備一樣操作塊設(shè)備，而且塊設(shè)備和字符設(shè)備只在內(nèi)核內(nèi)部管理的上有所區(qū)別。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)在 Linux 系統(tǒng)中是一類特殊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，它不具有字符設(shè)備和塊設(shè)備的 Read 和 Write 等操作，通常是通過(guò) Socket(套接字)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的調(diào)用接口。并且系統(tǒng)中的任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的事務(wù)處理都可以通過(guò)該接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而完成和其他的Linux 系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能在基于嵌入式 Linux 的觸摸式室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，涉及到了 GPI

52、O、I2C 接口、SPI 接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD 接口、定時(shí)器等各項(xiàng)硬件資源的配合應(yīng)用。由于以上接口的 Linux 驅(qū)動(dòng)程序主要是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而且其 Linux 內(nèi)核為 Linux-2.6.29 ,因此本文重點(diǎn)研究 Linux 系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。4.1.1 GPIO 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) GPIO ( General Purpose Input Output，通用輸入/輸出接口)是處理器與外部器件相連的必由接口。在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，在報(bào)警模塊中用到了 GPIO 驅(qū)動(dòng)程序，其功能是當(dāng)室內(nèi)空氣的某一種氣體濃度超過(guò)閾值之后，點(diǎn)亮 LED 和使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。 在 LED 的驅(qū)動(dòng)程序中

53、，主要實(shí)現(xiàn) LED 的 I/O 口 GPFO 的置高、置低，當(dāng)氣體傳感器 MQ-138 和 TGS2611 采集的數(shù)據(jù)沒(méi)有超過(guò)相應(yīng)的閾值時(shí)，LED 狀態(tài)的為“滅”，否則其狀態(tài)為“亮”，因此在 LED 的驅(qū)動(dòng)程序中，主要是通過(guò) s3c2440_leds_ioctl 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 的控制。其代碼如下： 在 s3c2440_leds_ioctl 的函數(shù)中調(diào)用了 s3c2410-gpio_setpin(unsigned int pin ,unsigned int value)其中參數(shù) pin 表示要操作的 I/O 口，value 表示對(duì) I/O 口的所設(shè)置的值，0”代表 LED 的“滅”，1”代

54、表 LED 的“亮”。在蜂鳴器(Beep)的驅(qū)動(dòng)程序中，控制蜂鳴器的 I/O 口為 GPBO，主要實(shí)現(xiàn)了蜂鳴器頻率的設(shè)置、蜂鳴器的打開和關(guān)閉。蜂鳴器的頻率計(jì)算公式為： (4-1)/50/16/FrepPCLKcount 其中 PCLK-S3C2440A 的 APB 總線設(shè)備使用的時(shí)鐘信號(hào)，取值為 50MHz ；count-S3C2440A 的 16 位定時(shí)器的值，取值范圍為 165536。 因此蜂鳴器的頻率范圍為 162500Hz，但是人的耳朵比較敏感的頻率范圍為2020000Hz。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和測(cè)試，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中把蜂鳴器的頻率設(shè)置為 1200Hz。 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)程序中，頻率設(shè)置函數(shù)的代碼如下：4.

55、1.2 氣體采集模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)氣體采集模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，氣體采集模塊主要用到了氣體傳感器 MQ-138 和 TGS2611，由于二者的輸出都是模擬量，因此選擇了 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 PCF8591。由于 PCF8591 帶有 I2 C 接口，因此氣體采集模塊的驅(qū)動(dòng)程序主要是嵌入式 Linux 下的 I2C 驅(qū)動(dòng)程序。 I2C ( Inter-Integrated Circuit)是兩線式串行總線。包括串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。串行的 8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)

56、100kbit/s，快速模式下可達(dá) 400kbit/s，高速模式下可達(dá) 3.4Mbit/s。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)時(shí)序圖如圖 4-1 所示。圖 4-1 I2C 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序 由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中僅用到了嵌入式 Linux 的 I2C 驅(qū)動(dòng)程序的適配器接口的調(diào)用，所以本文結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)描述了 I2C 適配器接口的調(diào)用。該系統(tǒng)的 I2C 適配器接口文件即/opt/FriendlyARM/mini2440/linux-2.6.29/drivers/i2c/i2c_dev.c，其在嵌入式 Linux內(nèi)核加載完成以會(huì)產(chǎn)生一個(gè) i2c-0 的主設(shè)備節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)操作該設(shè)備節(jié)點(diǎn) i2c-0 來(lái)間接操作底層硬件設(shè)備(PCF8

57、591)。首先應(yīng)用程序通過(guò)open(/dev/i2c/0,O_ RDWR)”以可讀可寫的方式打開此節(jié)點(diǎn)；其次需要定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) i2c_rdwr_ioctl_data 的并將該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例化。但是該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中還嵌套了一個(gè) i2c_msg 的消息結(jié)構(gòu)體指針msgs，該指針指向一個(gè)長(zhǎng)度為 7 個(gè) Byte 的整數(shù)數(shù)組，另外，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還定義了一個(gè)表示起始信號(hào)數(shù)量的整型變量 nmsgs。i2c_rdwr_ioctl_data 結(jié)構(gòu)體中還定義了一個(gè)指向 i2c_msg 地址的指針變量。所以也需要對(duì)結(jié)構(gòu)體 i2c_msg 進(jìn)行相關(guān)的初始化。在該結(jié)構(gòu)體中，首先需要初始化 PCF8591 的地址(PCF8

58、591 的設(shè)備地址為 0 x48)；其次是設(shè)置對(duì) PCF8591 進(jìn)行相關(guān)操作的標(biāo)志位(Flag)，以及對(duì) PCF8591 發(fā)送或者讀取的消息字節(jié)的長(zhǎng)度(Len )；再次是定義指向?qū)?PCF8591 發(fā)送或者讀取的消息字節(jié)的緩沖區(qū)起始地址的指針(Buffer )；最后是初始化整型變量 nmsgs。根據(jù)芯片 PCF8591 的讀時(shí)序要求，nmsgs 應(yīng)賦值為 2；而根據(jù)其寫時(shí)序的要求，nmsgs 應(yīng)賦值為 1。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，準(zhǔn)備好相關(guān)的消息數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì) PCF8591 的讀寫操作。 在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)設(shè)備 PCF8591 的操作主要用到 ioctl 操作函數(shù)，ioctl 函數(shù)可以重

59、復(fù)在總線上發(fā)出起始信號(hào)，因此可以應(yīng)用于多個(gè) message 的操作。ioctl 這一特性剛好監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要的多通道采集多種氣體濃度的需求相吻合。此外，對(duì)設(shè)備的進(jìn)行操作的函數(shù)還有 i2c_read 和 i2c_write。在 PCF8591 的驅(qū)動(dòng)程序中主要用到的兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體代碼如下：以上兩個(gè)結(jié)構(gòu)體分別在/opt/FriendlyARM/mini2 440/linux-2.6.29/include/ linux 目錄下的 i2c.h 和 i2c-dev.h 中定義，其中 i2c_rdwr_ioctl_data 主要是 PCF8591 的設(shè)備地址、讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、讀、寫模式、四個(gè)通道的模式、選通

60、的通道以及 I2C 通信時(shí)的相關(guān)的標(biāo)志位。在 PCF8591 的驅(qū)動(dòng)程序中主要調(diào)用了 S3C2440A 的內(nèi)核系統(tǒng)中的 ioctl 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)采集到的可燃性氣體濃度和有害氣體濃度的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。其 ioctl 函數(shù)的原型為“int ioctl(struct i2c_ client *client, unsigned int cmd, void *arg)。4.1.3 溫濕度采集模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)溫濕度采集模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的溫濕度采集模塊 SHT71 與 S3 C2440A 之間采用仿 I2C 通信方式進(jìn)行通信，主要是 SHT71 有其特有的開始信號(hào)、復(fù)位信號(hào)，但是其通信的數(shù)據(jù)幀格式