嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

1、C H A P T E R嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例(shl)-遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)共二十八頁(yè)本章(bn zhn)提要13254嵌入式系統(tǒng)(xtng)的開發(fā)過(guò)程系統(tǒng)定義階段系統(tǒng)集成階段總體設(shè)計(jì)階段構(gòu)建設(shè)計(jì)階段共二十八頁(yè)系統(tǒng)定義設(shè)計(jì)要求可行性分析需求分析規(guī)格說(shuō)明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方案的確定軟硬件功能劃分硬件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)選擇開發(fā)環(huán)境選擇選擇軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件詳細(xì)(xingx)設(shè)計(jì)引導(dǎo)與操作系統(tǒng)(co zu x tn)移植驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與調(diào)試系統(tǒng)集成與測(cè)試元器件選擇線路板設(shè)計(jì)與制做線路板測(cè)試一、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階

2、段 系統(tǒng)定義階段需要確定系統(tǒng)開發(fā)最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)(mbio)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)(mbio)的可行性、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)(mbio)應(yīng)采用的策略、估計(jì)完成系統(tǒng)開發(fā)所需的資源和成本、制定工程進(jìn)度安排計(jì)劃。這一階段的工作主要包括：系統(tǒng)定義、可行性分析、需求分析和規(guī)格說(shuō)明 共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階段 1、系統(tǒng)定義示例：遠(yuǎn)程(yunchng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求（注：設(shè)計(jì)要求一般由用戶提出，形成文檔。這是項(xiàng)目的來(lái)源。設(shè)計(jì)要求盡可能詳細(xì)，盡量不要有歧義。） 在某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，需控制廠房?jī)?nèi)的溫度。要求采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)，可通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)的排氣扇或加熱器進(jìn)行溫度的控制。具體要求如下：（1）現(xiàn)場(chǎng)溫度可控范圍為10-60，具

3、體溫度可設(shè)。（2）排氣扇功率為500w，加熱器功率為3kw，均為交流220V供電。（3）要求具備遠(yuǎn)程通信接口，可與微機(jī)相連。（4）可在微機(jī)上觀察現(xiàn)場(chǎng)溫度、排氣扇及加熱器的工作狀況。（5）可通過(guò)微機(jī)設(shè)定需要的溫度。（6）儀表可顯示當(dāng)前溫度，并能通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵設(shè)定需要的溫度。共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階段1. 引言1.1 編寫目的1.2 背景1.3 定義1.4 參考資料2. 可行性研究的前提2.1 要求2.2 目標(biāo)2.3 條件、假定和限制2.4 進(jìn)行可行性研究的方法2.5 評(píng)價(jià)方法與尺度3. 對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的分析3.1 處理流程和數(shù)據(jù)(shj)流程3.2 所需的人員3.3 設(shè)備3.4 局限性4

4、. 所建議的系統(tǒng)4.1 對(duì)所建議系統(tǒng)的說(shuō)明4.2 處理流程和數(shù)據(jù)流程4.3 改進(jìn)之處4.4 影響4.5 技術(shù)條件方面的可能性5. 可選擇的其他系統(tǒng)方案6. 投資及效益分析6.1 項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算6.2 收益分析7. 社會(huì)因素方面的可能性8. 結(jié)論2、可行性分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的可行性分析共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階段 3、需求分析(fnx)示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng) 需求分析是針對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，以確定各項(xiàng)要求的可行性，以及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)需求分析，可以確定要實(shí)現(xiàn)哪種功能、實(shí)現(xiàn)到什么程度、技術(shù)指標(biāo)等。 需求可分為功能部分和非功能部分。非功能性需求包括了性能、價(jià)格、物理尺寸和重量、功

5、耗等方面的因素。 建議采用UML建立模型，進(jìn)行準(zhǔn)確描述。 共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)(xtng)定義階段 3、需求分析示例：遠(yuǎn)程(yunchng)溫度監(jiān)控系統(tǒng) （1）溫度的檢測(cè)：溫度的可控范圍為10-60，因此其檢測(cè)范圍也比較小，可確定為0100，采用普通的熱電阻即可實(shí)現(xiàn)該測(cè)量范圍。測(cè)量精度在要求中沒有提到，可與用戶具體商定。假定控制精度要求在1之內(nèi)，則測(cè)量精度至少應(yīng)該比控制精度高1倍，即0.5。因此，測(cè)量范圍為0100，測(cè)量精度為0.5?？梢圆捎?位的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階段 3、需求(xqi)分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng) （2）溫度控制的實(shí)現(xiàn)：降溫措施是排氣扇；升

6、溫措施是加熱器。排氣扇或加熱器的控制方法比較簡(jiǎn)單，只要控制上電或斷電即可。這可通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。繼電器的輸出功率應(yīng)該超出被控對(duì)象功率1倍，這樣比較安全：排氣扇控制繼電器1kw；加熱器控制繼電器6kw。即繼電器輸出參數(shù)為：排氣扇控制繼電器（AC220V，5A）；加熱器控制繼電器（AC220V，30A）。 從控制角度來(lái)看，被控對(duì)象是房間的溫度。根據(jù)房間的大小不同，控制對(duì)象有較大的時(shí)間滯后及較大的時(shí)間常數(shù)，因而，需要通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)確定控制周期，從而確定信號(hào)的測(cè)量周期。在此省略這一步。 假定測(cè)量與控制周期為1分鐘。共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)(xtng)定義階段 3、需求(xqi)分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng) （

7、3）通信方式的確定：在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可用的通訊方式有多種，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面考慮，可采用RS485通訊方式，這樣，與微機(jī)的連接也比較方便，在微機(jī)端，選用RS485/232轉(zhuǎn)換器即可。通訊速率可采用較低的速率，如9600bps，這是因?yàn)橥ㄐ艛?shù)據(jù)較少，而且并不頻繁。共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階段 3、需求分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng) （4）存儲(chǔ)要求：在用戶的設(shè)計(jì)要求中，沒有明確提出存儲(chǔ)要求。但從使用角度考慮，設(shè)定的溫度應(yīng)該需要存儲(chǔ)。該數(shù)值可存儲(chǔ)在微機(jī)中，也可以存儲(chǔ)在儀表中。從設(shè)計(jì)角度考慮，為簡(jiǎn)化儀表的設(shè)計(jì)，通常儀表可以沒有存儲(chǔ)功能。因此數(shù)值應(yīng)該存放在微機(jī)上。而且，考慮到溫度曲線

8、也可以保存，而溫度曲線的數(shù)據(jù)量非常大，不適合在儀表內(nèi)保存，因而也需要在微機(jī)中保存。共二十八頁(yè)二、系統(tǒng)定義(dngy)階段 3、需求(xqi)分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng) （5）其他接口要求：要求具備顯示溫度的功能。因?yàn)橹灰箫@示數(shù)字信息，而且用兩位十進(jìn)制數(shù)即可顯示，因此，采用兩位LED數(shù)碼管即可。按鍵的設(shè)計(jì)：需要對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定，為簡(jiǎn)化按鍵，可只設(shè)+-兩個(gè)按鍵，對(duì)設(shè)定的溫度加1或減1。注意，可設(shè)定的溫度范圍要控制在10-60。 共二十八頁(yè)三、總體設(shè)計(jì)階段(jidun) 總體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的第一步，其目的是描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)定義規(guī)定的那些功能。它需要解決嵌入式系統(tǒng)的總體構(gòu)架，從功能實(shí)現(xiàn)上對(duì)軟硬件進(jìn)行

9、劃分；在此基礎(chǔ)上，選定處理器和基本接口器件；根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度確定是否使用操作系統(tǒng)，以及選擇(xunz)哪種操作系統(tǒng)；此外，還需要選擇(xunz)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、軟件系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)等。 共二十八頁(yè)三、總體設(shè)計(jì)階段(jidun) 1、遠(yuǎn)程(yunchng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)上述分析，現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能比較簡(jiǎn)單，用單片機(jī)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，而且比較經(jīng)濟(jì)。建議采用89C51單片機(jī)來(lái)完成上述功能。 從學(xué)習(xí)的角度以及可擴(kuò)展性方面考慮，采用ARM+ uC/OS的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣可以很方面地對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)展，以便實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。 共二十八頁(yè)三、總體設(shè)計(jì)階段(jidun) 2、遠(yuǎn)程溫度(w

10、nd)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案 采用ARM進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)一般采用核心板+擴(kuò)展板的方式實(shí)現(xiàn)。這樣，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，可靠性也較高。選用SC2410 ARM9核心板，外圍只需擴(kuò)展出如下部分電路即可：（1）溫度傳感器信息的調(diào)理放大以及A/D輸入：因?yàn)镾C2410已經(jīng)具備A/D轉(zhuǎn)換器，只需將溫度信號(hào)放大到05V，送給A/D轉(zhuǎn)換器即可。（2）繼電器輸出電路：用兩個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)可以分別控制兩個(gè)繼電器?？紤]到SC2410的GPIO口的帶負(fù)載能力有限，需要使用三極管放大來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。另外，加熱繼電器的輸出電流較大，可能需要采用中間繼電器做進(jìn)一步放大。共二十八頁(yè)三、總體設(shè)計(jì)階段(jidun) 2、遠(yuǎn)程(yunch

11、ng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案（3）采用通信接口：核心板已經(jīng)具備了UART接口，只要在該接口基礎(chǔ)上，增加RS485驅(qū)動(dòng)器即可。RS485的驅(qū)動(dòng)器選用MAX485芯片。為提高可靠性，可以考慮采用光電耦合器進(jìn)行隔離。（4）LED接口：采用兩個(gè)7段數(shù)碼管即可。因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)LED，直接用GPIO口，采用靜態(tài)顯示的方式進(jìn)行連接即可。（5）按鍵：只有兩個(gè)按鍵，可直接接兩個(gè)GPIO的輸入引腳即可。（6）電源：計(jì)算整機(jī)的耗電量，設(shè)計(jì)電源。核心板：5V，500mALED:5V,200mA繼電器輸出：200mA(估計(jì)值)其他：300mA因此，總體需要5V，1.2A。通常，保證電源工作在滿負(fù)荷的70%左右較為合理

12、，因此，選用5V,2A的直流電源。共二十八頁(yè)三、總體設(shè)計(jì)階段(jidun) 3、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 采用uCOS嵌入式操作系統(tǒng)。采用多任務(wù)的編程方法。 根據(jù)需求分析，在系統(tǒng)中要完成的任務(wù)可分為：（1）溫度定時(shí)采樣：每間隔一定的時(shí)間就要采集溫度值。時(shí)間為1min。通常，采集到的信號(hào)需要濾波，因此可以采?。哼B續(xù)采樣10次，去掉最大值和最小值，其余取平均。這10次采樣的間隔可以確定為100ms。（2）控制動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)：需要獲得當(dāng)前溫度值與設(shè)定值。根據(jù)兩者的差，來(lái)確定是應(yīng)該升溫還是應(yīng)該降溫?？紤]到溫度控制的時(shí)間延時(shí)較長(zhǎng)，需要采用一定的延時(shí)處理。這與控制理論相關(guān)，可參考相關(guān)

13、文獻(xiàn)。共二十八頁(yè)三、總體設(shè)計(jì)階段(jidun) 3、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（3）通訊任務(wù)：制定相應(yīng)的通信協(xié)議，完成與微機(jī)的通訊。建議參考Modbus協(xié)議。（4）按鍵與顯示任務(wù)：當(dāng)有按鍵時(shí)，顯示設(shè)定值并進(jìn)行加減操作，在5秒內(nèi)沒有按鍵，則恢復(fù)顯示當(dāng)前溫度值。 以上各任務(wù)間需要進(jìn)行一定的通訊，以便傳遞數(shù)據(jù)。如溫度設(shè)定值與任務(wù)2、3、4有關(guān)。請(qǐng)自行分析任務(wù)間的通訊。共二十八頁(yè)四、詳細(xì)(xingx)設(shè)計(jì)階段 1、硬件(yn jin)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)方法:以廠家(實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板)提供的電路為基礎(chǔ),進(jìn) 行裁減或修改。（2）以核心板為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建核心板的外圍電路： 電源系統(tǒng) L

14、ED顯示電路 按鍵接口電路 RS485通訊電路 溫度信號(hào)調(diào)理檢測(cè)電路共二十八頁(yè)四、詳細(xì)(xingx)設(shè)計(jì)階段 1、硬件(yn jin)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（3）電源系統(tǒng)的考慮核心板需要3.3VDC,而有些外圍電路，如RS485通訊、溫度信號(hào)檢測(cè)等需要5VDC，這樣，需要外供5VDC,然后用降壓模塊變出3.3VDC. 共二十八頁(yè)四、詳細(xì)(xingx)設(shè)計(jì)階段 1、硬件系統(tǒng)(xtng)的設(shè)計(jì)（4）RS485電路的考慮因?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱上有相應(yīng)的電路，可以直接使用。考慮到遠(yuǎn)程傳輸，最好使用隔離的485電路，因此，要加光電隔離器。有三個(gè)信號(hào)要隔離：RXD，TXD，RTS 共二十八頁(yè)四、詳細(xì)(xingx)設(shè)計(jì)階段 1、硬

15、件(yn jin)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（5）按鍵與LED數(shù)碼管電路的考慮可以使用GPIO接口。GPF口實(shí)比較簡(jiǎn)單的8位數(shù)字量I/O口，可用來(lái)連接兩個(gè)按鍵。 GPFA-D都是16位的I/O接口，可接2個(gè)LED數(shù)碼管。 數(shù)碼管的每一段要接電阻，控制流過(guò)的電流。共二十八頁(yè)四、詳細(xì)(xingx)設(shè)計(jì)階段 1、硬件系統(tǒng)(xtng)的設(shè)計(jì)（6）溫度檢測(cè)電路參考資料：共二十八頁(yè)課堂練習(xí)及作業(yè)(zuy)課堂(ktng)討論1:整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該分幾部分進(jìn)行設(shè)計(jì)?課堂討論2:完善該系統(tǒng)的功能要求,寫出詳細(xì)的功能流程.課堂討論3:什么是通訊協(xié)議?為什么要用通訊協(xié)議?選擇通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)是什么?作業(yè):按照需求分析規(guī)格說(shuō)明書,寫出本系

16、統(tǒng)的需求分析說(shuō)明書.共二十八頁(yè)任務(wù)(rn wu)安排設(shè)計(jì)任務(wù)（14周要完成的任務(wù)） （1）完成需求分析規(guī)格說(shuō)明書及概要設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （2）完成硬件電路圖的設(shè)計(jì)。 （3）編寫程序，測(cè)試所用接口： A/D轉(zhuǎn)換功能實(shí)驗(yàn)。 串行通訊功能（ModBus協(xié)議(xiy)的制定與實(shí)現(xiàn)）共二十八頁(yè)任務(wù)(rn wu)安排（15周） 完成總體程序的編制。第16周在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行(jnxng)調(diào)試、驗(yàn)收。共二十八頁(yè)考試(kosh)題型一、填空題（20）二、選擇題（10）三、簡(jiǎn)答題（40）四、分析題（15）五、綜合題（15）共二十八頁(yè)內(nèi)容摘要C H A P T E R。開發(fā)環(huán)境選擇選擇。1、系統(tǒng)定義示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。4.2 處理流程和數(shù)據(jù)流程。