嵌入式系統(tǒng)-溫度傳感器

安徽工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱：嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)指導(dǎo)教師：鮑廣喜專業(yè)班級(jí)：計(jì)算機(jī)102學(xué)生姓名：劉斌學(xué)號(hào)：3090701206起止日期：成績(jī)：設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)嵌入式技術(shù)作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0xARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)步驟和根本要求：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路〔要求利用實(shí)驗(yàn)儀的硬件資源〕分析實(shí)驗(yàn)原理列出實(shí)驗(yàn)接線表采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證功能的實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等技術(shù)的開(kāi)展，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理顯得越發(fā)重要，數(shù)據(jù)采集的速度和精度是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)展的兩個(gè)主要方向。單片機(jī)、ARM、DSP

等各種微處理器的廣泛應(yīng)用，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的平臺(tái)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速和高精度的采集以及對(duì)采集數(shù)據(jù)處理的研究和設(shè)計(jì)是本課題的主要任務(wù)。本設(shè)計(jì)是基于嵌入式技術(shù)作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0xARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實(shí)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(kuò)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(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速開(kāi)展。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)ARMS3C44B0溫度采集數(shù)據(jù)處理一、緒論1.1設(shè)計(jì)目的〔1〕了解所選擇的ARM芯片各個(gè)引腳功能，工作方式，計(jì)數(shù)/定時(shí)，I/O口，中斷等的相關(guān)原理，并穩(wěn)固學(xué)習(xí)嵌入式的相關(guān)內(nèi)容知識(shí)?！?〕通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用ARM芯片對(duì)周圍環(huán)境溫度信號(hào)的采集及顯示。1.2設(shè)計(jì)背景嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，且軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、本錢、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由以下幾局部組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)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(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。因此嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、本錢、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件根底，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比擬好的開(kāi)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)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(shí)間〔稱采樣周期〕對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，也可是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量測(cè)是數(shù)據(jù)采集的根底。數(shù)據(jù)量測(cè)方法有接觸式和非接觸式，檢測(cè)元件多種多樣。不管哪種方法和元件，均以不影響被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和測(cè)量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)由于存在響應(yīng)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(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速開(kāi)展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛開(kāi)展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低本錢、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)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。二、設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求〔1〕查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉所選ARM芯片及溫度傳感器〔2〕總體設(shè)計(jì)方案規(guī)劃〔3〕系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，熟悉AD轉(zhuǎn)換原理及過(guò)程，溫度傳感器與ARM芯片的硬件接口實(shí)現(xiàn)及溫度顯示?！?〕系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括溫度的AD轉(zhuǎn)換及顯示的軟件實(shí)現(xiàn)，用匯編語(yǔ)言編程〔5〕設(shè)計(jì)心得體會(huì)及總結(jié)2.2方案論證有許多客觀需求促進(jìn)了ARM處理器的設(shè)計(jì)改良。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(shè)計(jì)成較小的核，從而延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。高的代碼密度是嵌入式系統(tǒng)的又一個(gè)重要需求。由于本錢問(wèn)題和物理尺寸的限制，嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器是很有限的。所以，高的代碼密度對(duì)于那些只限于在板存儲(chǔ)器的應(yīng)用是非常有幫助的。另外，嵌入式系統(tǒng)通常都是價(jià)格敏感的，因此一般都使用速度不高、本錢較低的存儲(chǔ)器。ARM內(nèi)核不是一個(gè)純粹的RISC體系結(jié)構(gòu)，這是為了使它能夠更好的適應(yīng)其主要應(yīng)用領(lǐng)域－－嵌入式系統(tǒng)。在某種意義上，甚至可以認(rèn)為ARM內(nèi)核的成功，正是因?yàn)樗鼪](méi)有在RISC的概念上沉入太深?，F(xiàn)在系統(tǒng)的關(guān)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。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的根本設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)遵循自上而下、由大到小、由粗到細(xì)的設(shè)計(jì)思想，按照系統(tǒng)的功能層次，在設(shè)計(jì)中把硬件和軟件分成假設(shè)干功能模塊分別設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后全部連接起來(lái)統(tǒng)調(diào)。三、硬件設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)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(jiàn)，本系統(tǒng)采用“電源局部＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊〞實(shí)現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從CPU協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機(jī)交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(jiàn)，本系統(tǒng)采用“電源局部＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊〞實(shí)現(xiàn)所需功能。ARM處理器LCD顯示器鍵盤(pán)RS-232協(xié)控制器多路溫度傳感器ARM處理器LCD顯示器鍵盤(pán)RS-232協(xié)控制器多路溫度傳感器ARM核心控制模塊溫度采集模塊電源電路電源局部ARM核心控制模塊溫度采集模塊電源電路FlashROMFlashROM存儲(chǔ)器SDRAMSDRAM存儲(chǔ)器圖3-1

系統(tǒng)原理框圖3.2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的電源電路由兩局部組成：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(jìn)入7809和7805穩(wěn)壓，得到+9V和+5V的穩(wěn)定電壓輸出后分別供應(yīng)ARM核心控制模塊和其余電路局部使用。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(shè)計(jì)，到達(dá)了可靠性電源設(shè)計(jì)目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時(shí)均應(yīng)在7809和7805上加散熱片散熱。由圖可見(jiàn)，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。圖3-2

系統(tǒng)電源電路原理圖如圖3-2：I/O口提供了相應(yīng)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(shè)計(jì)的。由于S3C44B0x采用2.5V作為ARM內(nèi)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(dú)設(shè)計(jì)，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5.0V、3.3V和2.5V恒定電源，為RAM內(nèi)核和I/O口提供了相應(yīng)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(shè)計(jì)的。溫度采集電路設(shè)計(jì)溫度采集模塊電路采用AT89S52單片機(jī)作為模塊的協(xié)控制器。對(duì)于溫度傳感器的選用DS18B20，因?yàn)镈S18B20是Dallas公司最新單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器集溫度變換、A/D轉(zhuǎn)換于同一芯片，輸出直接為數(shù)字信號(hào)，大大提高了電路的效率。由于現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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，到達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。溫度采集模塊電路原理圖如圖3-3。圖3-3

溫度采集電路原理圖四、軟件設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在CodeWarriorforADS開(kāi)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(gòu)成，所以系統(tǒng)軟件也是圍繞這兩個(gè)模塊來(lái)編寫(xiě)的。而又由于系統(tǒng)采用了S3C44Box和AT89S52兩個(gè)CPU協(xié)同工作，所以軟件的編寫(xiě)需要對(duì)這兩個(gè)CPU分別編寫(xiě)，以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。開(kāi)始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化開(kāi)始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化鍵盤(pán)初始化掃描鍵盤(pán)有鍵按下處理數(shù)值相應(yīng)顯示數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示YN圖4-1程序流程圖由該流程圖可看出，剛上電時(shí)，S3C44B0x要先進(jìn)行ARM內(nèi)部的初始化，以使ARM進(jìn)入相應(yīng)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(guò)UART復(fù)位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進(jìn)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(pán)，在LCD上顯示相應(yīng)的菜單列表，供用戶通過(guò)鍵盤(pán)選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進(jìn)入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤(pán)，以快速的響應(yīng)用戶的按鍵操作；假設(shè)沒(méi)有鍵值按下，那么ARM立即進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示等功能。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(zhuǎn)換子程序。當(dāng)ARM處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，變成可被LCD直接顯示的正確溫度值。在設(shè)置通道初值、通道數(shù)、采樣次數(shù)和存放數(shù)據(jù)的開(kāi)始地址后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，隨后檢測(cè)標(biāo)志位狀態(tài)。標(biāo)志位被清零，標(biāo)志著本通道的A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，在修改通道號(hào)和數(shù)據(jù)存放地址后，對(duì)下一通道繼續(xù)檢測(cè)。當(dāng)8個(gè)通道的檢測(cè)工作完成后，判斷5次采樣是否全部完成，假設(shè)沒(méi)完成，那么對(duì)8個(gè)通道繼續(xù)采樣，直至完成5次采樣工作。數(shù)據(jù)采樣程序流程框圖如下圖。定時(shí)器中斷流程框圖5.2

LED顯示程序設(shè)計(jì)

LED顯示程序的設(shè)計(jì)：

動(dòng)態(tài)顯示程序流程圖如下圖

五、心得體會(huì)在這次ARM嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)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(jìn)一步的了解，同時(shí)知識(shí)面也進(jìn)一步得到了擴(kuò)展和加深。本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是對(duì)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(wèn)題提出的一種改良方法，有助于溫度采集系統(tǒng)更好的開(kāi)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(yīng)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(guò)溫度傳感器對(duì)被采集物體進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的收集與處理，最后得到所需要的有用的數(shù)字信號(hào)并送入系統(tǒng)的下一環(huán)節(jié)進(jìn)行其他操作。目前，由于傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)存在響應(yīng)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(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速開(kāi)展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛開(kāi)展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低本錢、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。所以，學(xué)習(xí)和應(yīng)用溫度采集系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作有著十分重要的意義。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際，與具體工程、課題相結(jié)合開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。既讓我懂得了怎樣將理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我懂得了在實(shí)踐中遇到的問(wèn)題怎樣用理論去解決。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，總是會(huì)遇到這樣或那樣的問(wèn)題。有時(shí)一個(gè)問(wèn)題可能會(huì)需要去查閱資料，做大量的工作，花大量的時(shí)間才能解決。通過(guò)不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，我的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力便在其中建立起來(lái)了。這都為以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也增強(qiáng)了我解決問(wèn)題的能力參考文獻(xiàn)[1]周立功，ARM嵌入式系統(tǒng)根底教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社2023[2]周立功，深入淺出ARM7-LPC213X/214X[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社2006[3]周立功，從51到ARM-32位嵌入式系統(tǒng)入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社2006[4]王田苗，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003[5]