嵌入式液位檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

I SHANDONG 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 嵌入式液位檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣與電子工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 許昌龍 學(xué) 號(hào)： 0812106210 指導(dǎo)教師： 趙洪山 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 近年來(lái)微型計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也迅 速的發(fā)展，從而對(duì)液位檢測(cè)的要求也越來(lái)越高，出現(xiàn)了高精度的傳感器和各種 各樣的測(cè)量手段，其功能越來(lái)越完善，而且正朝著精確化、智能化的方向發(fā)展。 本設(shè)計(jì)采用 DSP2812 芯片，通過(guò)前端 AD 轉(zhuǎn)換借口，實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)?chǔ)液罐液位 的壓力傳感器的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳輸給 2812 單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi) 運(yùn)行程序，計(jì)算得到實(shí)際液位值并判斷當(dāng)前液位是否在安全范圍內(nèi)，若超出或 低于設(shè)定值則向上位機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。 硬件包括 2812 及其最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、AD 采集模塊、程序下載模 塊、串口通訊模塊等。而且采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)，可靠性高。軟件包括 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理程序、AD 采集程序、串口通訊程序、上位機(jī)串口顯示程序等。 設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)電路具有通用性，可適用于其它液位測(cè)量系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：儲(chǔ)液罐、單片機(jī)、液位、檢測(cè) Abstract II Abstract In recent years， microcomputer and electronic technology has been widely applied， the digital signal processing technology has developed rapidly， thus the liquid level detection requirements are also getting higher and higher， appeared of high precision sensor and various measuring means， its function more and more perfect， and are moving towards precision， intelligent direction. This design uses the DSP2812chip， through the AD conversion excuse， for measuring the fluid level in the reservoir pressure sensor to convert analog signals to digital signals， transmitted to the 2812MCU， MCU internal operating procedures， calculated the actual level and judge the current level is not within the safety range， if it exceeds or is lower than the set value to a PC to send alarm signal. Hardware consists of2812and the minimum system module， power supply module， AD module， download the module， serial communication module. The software includes data conversion and processing procedures， AD acquisition program， serial communication program， the PC serial display program. The design of the circuit of the system is general， can be applied to other liquid level measuring system. Key words：Liquid storage tank；Single chip microcomputer；Liquid level； Testing 目 錄 III 目 錄 摘 要I ABSTRACTII 目 錄 .III 第一章 緒論 .1 1.1 課題背景和研究意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及展望2 1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)4 1.3 本課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容4 第二章 系統(tǒng)原理概要 .6 2.1 嵌入式簡(jiǎn)介6 2.2 DSP 簡(jiǎn)介7 2.3 芯片簡(jiǎn)介8 2.4 原理概述10 第三章 總體方案擬定 .12 3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與參數(shù)12 3.2 關(guān)鍵器件選型 12 3.2.1 單片機(jī)選型.12 3.2.2 傳感器的選型13 3.2.3 通信器件選型16 3.3 系統(tǒng)原理概述 18 目 錄 IV 3.4 總體方案與框圖19 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .20 4.1 電源電路設(shè)計(jì)20 4.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)21 4.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)21 4.4 通信電路設(shè)計(jì)22 4.5 下載電路設(shè)計(jì) 23 4.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)24 4.7 傳送器流程圖25 第五章 軟件流程圖設(shè)計(jì).27 5.1 串口通訊程序圖27 5.2 上位機(jī)的軟件設(shè)置29 結(jié) 論 .32 參考文獻(xiàn) .33 致 謝 .34 附 錄 .35 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1.1 課題背景和研究意義 現(xiàn)代國(guó)民生產(chǎn)生活中儲(chǔ)液罐液位測(cè)量已經(jīng)變得不可或缺，液位檢測(cè)的應(yīng)用 遍及各個(gè)領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性不言而喻。液位檢測(cè)是針對(duì)儲(chǔ)液 罐中的液體液位等指標(biāo)給予直接，亦或是間接的檢測(cè)，包括檢測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)對(duì) 象和檢測(cè)方法的研究，以至于保證管理和生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。特別是在儲(chǔ)液 罐中液位的準(zhǔn)確測(cè)量和智能控制環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到化工石油生產(chǎn)過(guò)程中安全 管理，節(jié)能生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。目前液位檢測(cè)技術(shù)是集物理學(xué)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)、測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)于一體的多門(mén)學(xué)科的綜合應(yīng)用技術(shù)。 隨著生產(chǎn)的高度智能化和自動(dòng)化，針對(duì)液位檢測(cè)有了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、在線的更加 嚴(yán)格的要求。這些先進(jìn)技術(shù)知識(shí)的應(yīng)用和新的測(cè)量原理的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)檢測(cè) 中開(kāi)始滲透了微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，在總體設(shè)計(jì)上和功能實(shí)現(xiàn)上都 有很大提高。從前液位檢測(cè)多數(shù)采用機(jī)械器具，現(xiàn)在由于微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字電 子技術(shù)的飛速發(fā)展和快速應(yīng)用，液位檢測(cè)正朝著微型化，智能化和一體化的方 向發(fā)展?，F(xiàn)代儲(chǔ)液罐液位的檢測(cè)手段已經(jīng)變得越來(lái)越多，功能也變得更加豐富， 而且能適應(yīng)施生產(chǎn)車(chē)間的惡劣環(huán)境，包括強(qiáng)溫、高壓、腐蝕性、放射性的場(chǎng)合， 甚至長(zhǎng)距離傳輸和在密封高壓儲(chǔ)液罐內(nèi)的使用。當(dāng)今我國(guó)儲(chǔ)液罐液位檢測(cè)技術(shù) 相對(duì)落后，儲(chǔ)液罐液位檢測(cè)方法存在很多缺陷和問(wèn)題，盡管有些安裝了自動(dòng)化 檢測(cè)系統(tǒng)，但它的精度很差，如果進(jìn)口精度液位儀，價(jià)格會(huì)很高。因此鑒于落 后的儲(chǔ)液罐液位檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和亟需大力發(fā)展提高的情況下，探索適合本國(guó) 國(guó)情的儲(chǔ)液罐液位檢測(cè)技術(shù)就顯得尤為緊迫和重要。 研究?jī)?chǔ)液罐液位檢測(cè)的意義重大，目的是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)的自 動(dòng)檢測(cè)與測(cè)量。作為一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，其任務(wù)是生產(chǎn)設(shè)備及工藝參數(shù) 的質(zhì)量。模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)量（處理）系統(tǒng)，有大量的工藝參數(shù)和模 擬轉(zhuǎn)換。問(wèn)題是該系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于檢測(cè)裝置精密的程度。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和高精度傳感器參數(shù)檢測(cè)的自動(dòng)化，給儲(chǔ)液罐液位檢測(cè)帶來(lái) 了新的生機(jī)。由于技術(shù)發(fā)展的歷史原因，高精度的測(cè)量和自動(dòng)化水平直接關(guān)系 最為密切。液位檢測(cè)包括在液體表面和氣體表面的檢測(cè)。檢測(cè)技術(shù)遍及幾乎整 個(gè)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的過(guò)程中，不但要求精度高， 第一章 緒論 2 而且要很好地適應(yīng)特殊環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。它對(duì)測(cè)量精度的高度要求，推動(dòng)了對(duì) 測(cè)量?jī)x器技術(shù)研究的積極探索和快速進(jìn)步，反過(guò)來(lái)它又促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)和生活 中儲(chǔ)液罐液位測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，有著極其現(xiàn)實(shí)的實(shí)用價(jià)值和意義，并且在眾多 生產(chǎn)環(huán)節(jié)中起著不可替代的作用。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及展望 1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前儲(chǔ)罐液位檢測(cè)涉及到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，隨著工作環(huán)境的不同，對(duì)檢測(cè)設(shè) 備提出了不同的要求。國(guó)內(nèi)外在儲(chǔ)罐液位檢測(cè)方面所采用的方法和儀器很多， 目前被廣泛使用的測(cè)量?jī)x器按照液位敏感元件與被測(cè)液體的接觸形式又可以分 為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?lèi)。 一、接觸方式測(cè)量 1、浮子式液位測(cè)量?jī)x 上世紀(jì)八十年代初，國(guó)外主要開(kāi)發(fā)和利用各種浮子式液位測(cè)量?jī)x。國(guó)內(nèi)在 20 世紀(jì) 80 年代初，大連第五儀表廠研制成功了浮子鋼帶式液位計(jì)。此類(lèi)儀表 曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到過(guò)廣泛的應(yīng)用，但因其一次儀表安裝要求較高，液位突然移 動(dòng)跟蹤不及時(shí)，易磨損，加之機(jī)械摩擦影響計(jì)量精度的缺點(diǎn)，給使用帶來(lái)諸多 不便。 2、差壓式液位測(cè)量?jī)x 差壓式液位測(cè)量?jī)x表利用液體底部壓強(qiáng)和罐頂大氣壓的壓差，使半導(dǎo)體擴(kuò) 散硅薄膜產(chǎn)生形變，引起電橋不平衡，由電路輸出與液位高度相對(duì)應(yīng)的電壓， 而獲取液位信號(hào)。該類(lèi)儀表能滿足大多數(shù)工藝對(duì)象的要求，因而在國(guó)內(nèi)外得到 較為廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)都有生產(chǎn)。而國(guó)外的某些產(chǎn)品具有更 好的性能，如精度高，漂移小，抗過(guò)載能力強(qiáng)等。 3、電容式液位測(cè)量?jī)x 電容式液位計(jì)兩電極問(wèn)的介質(zhì)為液體積 I 氣體。由于液體的介電常數(shù)和液 面上的介電常數(shù)不同，隨著液位發(fā)生變化，電容也將發(fā)生變化。電容式液位測(cè) 第一章 緒論 3 量?jī)x表就是利用被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的 一種液位計(jì)。與其它液傳感器相比，它具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小和 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，適于強(qiáng)腐蝕性和高壓介質(zhì)的液位測(cè)量。 4、磁致伸縮液位儀 磁致伸縮式液位計(jì)利用磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行液位測(cè)量，液位計(jì)頭 部產(chǎn)生一低電流詢問(wèn)脈沖，電流脈沖周?chē)a(chǎn)生的電磁場(chǎng)與浮子內(nèi)置磁鋼的磁場(chǎng) 相遇，產(chǎn)生“波導(dǎo)扭曲”脈沖，從發(fā)出詢問(wèn)脈沖到接收返回脈沖的時(shí)間差，與 浮子的位置相對(duì)應(yīng)，即可知道液位高度。磁致伸縮液位變送器的典型產(chǎn)品有美 國(guó) MTS 系統(tǒng)公司的磁致伸縮液位計(jì)，測(cè)量精度達(dá)到 0.749mm，但其價(jià)格昂貴。 二、非接觸式測(cè)量 1、超聲波液位測(cè)量計(jì) 超聲波頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，最明顯的特征是方向性好，能成為 射線而定向傳播，且衰減小，碰到分界面就會(huì)發(fā)生明顯的反射。超聲波液位測(cè) 量?jī)x利用了超聲波的這些物理性質(zhì)，采剛脈沖回波法來(lái)檢測(cè)液位。其工作原理 是：由脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波到達(dá)液面后被液面反 射回到超聲波接收器，通過(guò)檢測(cè)超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，再根據(jù)超聲 波在介質(zhì)中傳播的速度及儀器安裝高度，即可得出液位高度。 2、雷達(dá)液位計(jì) 雷達(dá)液位儀依據(jù)發(fā)射脈沖一接收回波方式工作，雷達(dá)系統(tǒng)不斷地向被測(cè)對(duì) 象發(fā)射以光速 C 傳播的高頻電磁波，當(dāng)電磁波發(fā)射到物料表面時(shí)就會(huì)反射回來(lái)， 而雷達(dá)系統(tǒng)與物料之間的距離正比于電磁波的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。如果希望高精度測(cè)量， 則需要應(yīng)用頻差原理，應(yīng)用復(fù)合脈沖雷達(dá)技術(shù)，用頻差代替所測(cè)距離，從而測(cè) 得物位高度。 3、光纖液位測(cè)量計(jì) 光纖液位測(cè)量?jī)x根據(jù)光導(dǎo)光纖中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn) 行檢測(cè)。其結(jié)構(gòu)一般由輸入光纖、輸出光纖、光電轉(zhuǎn)換裝置、殼體組成。這類(lèi) 第一章 緒論 4 儀表安裝方便，特別適用于易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)的液體的檢測(cè)，精度高。綜 觀現(xiàn)有的儲(chǔ)罐液位檢測(cè)技術(shù)，各種檢測(cè)方法各具優(yōu)缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛 發(fā)展，儲(chǔ)罐液位測(cè)量正向著高精度、高可靠性、多功能方向發(fā)展。 1.2.2 發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，液位檢測(cè)技術(shù)發(fā)生了 根本性交化。新的檢測(cè)原理與電子部件的應(yīng)用使得液位測(cè)量?jī)x更趨向于微型化： 與此同時(shí)，朝智能化、虛擬化方向發(fā)展將成為這一領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)。微處 理器技術(shù)廣泛應(yīng)用于液位測(cè)量領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷和報(bào)警，提高測(cè)量的精 確度、可靠性、安全性和多功能化以及檢測(cè)儀表的虛擬化，這將為液位檢測(cè)技 術(shù)提供一個(gè)操作更加靈活、功能更加齊全、人機(jī)界面更加友好、信息處理能力 更加強(qiáng)大的操作平臺(tái)。 1.3 本課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)儲(chǔ)液罐液位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的需要，探討了儲(chǔ)液罐液位測(cè)量與控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)方法，著重闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)方法。使用該系統(tǒng)可 實(shí)現(xiàn)連續(xù)液液體儲(chǔ)水箱液位、溫度、流量控制，提高管理水平，保證使用安全。 根據(jù)反應(yīng)箱、液液面水庫(kù)中要求的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，探討了液態(tài)儲(chǔ)水箱液位測(cè)量 和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，著重闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)方法。使用該 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)液艙液位檢測(cè)，提高管理水平，保證使用安全。液體儲(chǔ)水箱液 位測(cè)量和控制系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)和主機(jī)，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控 制，軟件系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單。 本設(shè)計(jì)是一個(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)液罐液位的監(jiān)控。通過(guò)上位機(jī) 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液罐內(nèi)液位的實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)液位超出或低于設(shè)定值時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 通過(guò)前端 AD 轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)測(cè)量液位的壓力傳感器的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的 轉(zhuǎn)換，傳輸給 2812 單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行程序，計(jì)算得到實(shí)際液位值并判斷 當(dāng)前液位值是否在安全范圍內(nèi)，若超出或低于設(shè)定值則向上位機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。 通過(guò) RS232 接口將測(cè)量值實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值。 預(yù)期目標(biāo)： 第一章 緒論 5 完成硬件電路設(shè)計(jì)：2812 及其最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、AD 采集模塊、 串口通訊模塊等。 完成軟件設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理程序、AD 采集程序、串口通訊程序、上 位機(jī)串口顯示程序等。程序調(diào)試，用 Protel99 繪制總體電路圖。 第二章 系統(tǒng)原理概要 6 第二章 系統(tǒng)原理概要 2.1 嵌入式簡(jiǎn)介 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)。因此可以這樣理解上述三個(gè)面向的含義， 即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專(zhuān)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。 一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入 輸出（I/O）和軟件（由于多數(shù)嵌入式設(shè)備 的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié) 合的，在這里我們對(duì)其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和 Windows 系統(tǒng)的最大區(qū) 別） 。它的系統(tǒng)內(nèi)核小，專(zhuān)用性強(qiáng)，系統(tǒng)精簡(jiǎn)。 嵌入式系統(tǒng)一般沒(méi)有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì) 及實(shí)現(xiàn)上過(guò)于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。 高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)， 以提高速度；軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)想走向標(biāo)準(zhǔn) 化，因此有必要使用多個(gè)任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序不能直接在芯 片上的操作系統(tǒng)的操作；但是為了正確調(diào)度的任務(wù)，使用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)功能 和專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)的界面，用戶必須自己相匹配(操作系統(tǒng) RTOS 實(shí)時(shí))開(kāi)發(fā)平臺(tái)， 以保證程序?qū)崿F(xiàn)的實(shí)時(shí)、可靠性和減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，軟件質(zhì)量保證。嵌入式系統(tǒng) 開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以 后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序更改。 嵌入式操作系統(tǒng)(嵌入式操作系統(tǒng)，EOS)是一種廣泛使用的系統(tǒng)軟件，過(guò) 去其主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制和防御系統(tǒng)。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)想走向標(biāo)準(zhǔn)化，因 此有必要使用多個(gè)任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序不能直接在芯片上的 操作系統(tǒng)的操作，但是為了正確調(diào)度的任務(wù)，使用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)功能和專(zhuān)家 庫(kù)函數(shù)的界面，用戶必須自己相匹配(操作系統(tǒng) RTOS 實(shí)時(shí))開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以保證 程序?qū)崿F(xiàn)的實(shí)時(shí)、可靠性和減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：可裝卸性、 強(qiáng)實(shí)時(shí)、統(tǒng)一的接口、操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)、弱相互作用、固化代碼、更好的 第二章 系統(tǒng)原理概要 7 硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。提供一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持 TCP 協(xié)議和其他 協(xié)議，提供 TCP / UDP / IP / PPP 協(xié)議并支持一個(gè)統(tǒng)一的 MAC 訪問(wèn)層接口，用 于各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備和界面。 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用程序可以包括:工業(yè) 控制、交通管理、信息家電、智能家庭管理系統(tǒng)、POS 網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)、環(huán)境 工程與自然，機(jī)器人。信息時(shí)代，數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展 契機(jī)，對(duì)于嵌入式市場(chǎng)顯示了良好的前景，但也對(duì)嵌入式制造商提出了新的挑 戰(zhàn)，從中我們可以看到未來(lái)的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì):嵌入式開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工 程，因此需要一個(gè)嵌入式系統(tǒng)供應(yīng)商不僅提供了內(nèi)置的軟件和硬件系統(tǒng)本身， 還需要提供一個(gè)強(qiáng)大的硬件和軟件開(kāi)發(fā)工具的支持。 2.2 DSP 簡(jiǎn)介 DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處 理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號(hào)。 再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回 模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每 秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日 益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩 大特色。采用哈佛結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)字存儲(chǔ)空間分開(kāi)，采用不同的總線。特有的 乘法指令。具備排隊(duì)處理功能。取指令、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。具 有特殊的適合數(shù)字處理算法的 DSP 指令。例如設(shè)置循環(huán)尋址及倒位序?qū)ぶ分噶睿?使得尋址、排序的速度大大提高，從而能方便的快速地實(shí)現(xiàn)的 FFT 算法。片內(nèi) 具有快速 RAM。具有單周期操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。快速地中斷處理和 硬件 I/O 支持。Motorola 公司 1986 年推出了定點(diǎn) DSP 芯片 MC56001。1990 年 推出了與 IEEE 浮點(diǎn)格式兼容 DSPMC96002。美國(guó)模擬器件公司在 DSP 芯片市 場(chǎng)也占有一定的份額，其定點(diǎn) DSP 芯片有 ADSP2101/2105、ADSP2111/2115、ADSP2161/2164 以及 ADSP2171/2181，浮 點(diǎn) DSP 芯片有 ADSP21000、ADSP21062 等。 自 1980 年代以來(lái)，DSP 芯片不斷發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從運(yùn)算速度來(lái) 第二章 系統(tǒng)原理概要 8 看，MAC9（一次成分和加法）時(shí)間已經(jīng)從 400ns 降低到 10ns 以下，處理能力 提高了幾十倍。片內(nèi) RAM 數(shù)量增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。DSP 芯片的引腳數(shù)量 從 1980 年的最多 64 個(gè)增加到現(xiàn)在的 200 個(gè)以上。DSP 芯片的發(fā)展使 DSP 系統(tǒng) 的成本、體積、重量和功耗都大大下降。 DSP 芯片的重要發(fā)展方向之一是片上系統(tǒng)。TI C2000 系列 TMS320F28xDSP 控制器是一種集成大量芯片上外設(shè)，應(yīng)用于控制域是 32 位 DSP 芯片，被稱為數(shù)字信號(hào)控制器，稱為 DSP，實(shí)際上是一個(gè)處理能力 DSP 高性能單片機(jī)微控制單元 MCU。 在 DSP 芯片向高性能、高速、低功耗方向發(fā)展的同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理理論 也得到發(fā)展。自適應(yīng)濾波、卡爾曼濾波、同態(tài)濾波、自適應(yīng)控制理論的逐步成 熟和應(yīng)用、算法、聲音和圖像壓縮編碼、標(biāo)識(shí)和身份驗(yàn)證、加密和解密、調(diào)制 和解調(diào)，通道識(shí)別和均衡、頻譜分析算法已成為一個(gè)熱門(mén)研究課題，已經(jīng)取得 了很大的進(jìn)步，為各種各樣的實(shí)時(shí)處理提供了一種實(shí)用的算法。 2.3 芯片簡(jiǎn)介 TMS320C2000 系列是美國(guó) TI 公司推出的最佳測(cè)控應(yīng)用的定點(diǎn) DSP 芯片， 其主流產(chǎn)品分為四個(gè)系列：C20x、C24x、C27x 和 C28x。C20x 可用于通信設(shè) 備、數(shù)字相機(jī)、嵌入式家電設(shè)備等；C24x 主要用于數(shù)字馬達(dá)控制、電機(jī)控制、 工業(yè)自動(dòng)化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。近年來(lái)，TI 公司又推出了具有更高性能的改進(jìn) 型 C27x 和 C28x 系列芯片，進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的接口能力和嵌入功能，從而拓 寬了數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用領(lǐng)域。 TMS320C28x 系列是 TI 公司最新推出的 DSP 芯片，是目前國(guó)際市場(chǎng)上最 先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的 32 位定點(diǎn) DSP 芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具 有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè) 控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬 達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。本章將介紹 TMS320C28x 系列芯片的結(jié)構(gòu)、性能及特點(diǎn)， 并給出該系列芯片的引腳分布及引腳功能。 C28x 系列的主要片種為 TMS320F2810 和 TMS320F2812。兩種芯片的差別 第二章 系統(tǒng)原理概要 9 是：F2812 內(nèi)含 128K16 位的片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器，有外部存儲(chǔ)器接口，而 F2810 僅有 64K16 位的片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器。其硬件特征如表 1-1 所示。 表1-1 硬件特征 特 征 F2810F2812 指令周期（150MHz） 6.67ns6.67ns SRAM（16位/字） 18K18K 3.3V片內(nèi)Flash（16位/字） 64K128K 片內(nèi)Flash/SRAM的密鑰有有 存儲(chǔ)管腳有有 掩膜ROM有有 外圍儲(chǔ)存連接無(wú)有 事情處理器有有 *常用定時(shí)儀 44 *類(lèi)比存儲(chǔ)儀/脈寬調(diào)制 1616 *捕獲/垂直破譯硬件電路 6/26/2 定時(shí)器存在存在 模數(shù)轉(zhuǎn)換器存在存在 特 征 F2810F2812 第二章 系統(tǒng)原理概要 10 圖2-1 C28x功能框圖 2.4 原理概述 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：本設(shè)計(jì)是一個(gè)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)液罐液位的監(jiān)控。 通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液罐內(nèi)液位的實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)液位超出或低于設(shè)定值時(shí)能夠發(fā) 出報(bào)警信號(hào)。通過(guò)前端 AD 轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)測(cè)量液位的壓力傳感器的模擬信號(hào) 到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳輸給 2812 單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行程序，計(jì)算得到實(shí)際 液位值并判斷當(dāng)前液位值是否在安全范圍內(nèi)，若超出或低于設(shè)定值則向上位機(jī) 發(fā)送報(bào)警信號(hào)。通過(guò) RS232 接口將測(cè)量值實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量 值。完成硬件電路設(shè)計(jì)：2812 及其最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、AD 采集模塊、 第二章 系統(tǒng)原理概要 11 串口通訊模塊等。完成軟件設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理程序、AD 采集程序、串口 通訊程序、上位機(jī)串口顯示程序等。程序調(diào)試，用 Protel99 繪制總體電路圖。 信號(hào)采集轉(zhuǎn)換過(guò)程是當(dāng)液位以相應(yīng)壓力的形式作用于壓力傳感器時(shí)，壓力 傳感器將檢測(cè)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大和輸出放大器放大，最 后經(jīng) V/A 電壓電流轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的 4- 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)，得到的電流信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)信號(hào) 變換模塊輸出符合 RS-232 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)供后級(jí)的 DSP 處理。 在方案論證中已經(jīng)闡述過(guò)，此次設(shè)計(jì)不再采用單獨(dú)的壓力傳感器、A/D、 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，而是選擇了目前市場(chǎng)上比較流行的被廣泛應(yīng)用于液位檢測(cè)的壓 力變送器，它內(nèi)部集成了以上的信號(hào)采集轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。壓力變送器由高集成電路 制作而成，能夠?qū)⒁何坏任⑷跄M信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)異步串行 口發(fā)送給其它中央控制單元（如計(jì)算機(jī)、PLC、DSP 等） 。使得現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)能夠高 精度解析，并無(wú)損耗傳送。 第三章 總體方案擬定 12 第三章 總體方案擬定 3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與參數(shù) 此次設(shè)計(jì)沒(méi)有適應(yīng)特殊環(huán)境的苛刻要求，例如強(qiáng)酸強(qiáng)堿，高溫和高輻射等 惡劣的情形，只是對(duì)嵌入式數(shù)字處理控制器的一種可行方案的探索研究。對(duì)于 一些指標(biāo)和參數(shù)沒(méi)有過(guò)多的限制，只要求在一般環(huán)境下能夠正常穩(wěn)定可靠的運(yùn) 行。設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)要求如下所示： 1.環(huán)境溫度：050； 2.液位測(cè)量精度：5% ； 3.液位測(cè)量顯示延時(shí)：AppendMenu(MF_SEPARATOR); pSysMenu-AppendMenu(MF_STRING, IDM_ABOUTBOX, strAboutMenu); 附 錄 36 / Set the icon for this dialog. The framework does this automatically / when the applications main window is not a dialog SetIcon(m_hIcon, TRUE);/ Set big icon SetIcon(m_hIcon, FALSE);/ Set small icon / TODO: Add extra initialization here / 與傳感器連接的串口 1 hCom=CreateFile(“COM1“,/COM1 口 GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, /允許讀和寫(xiě) 0, /獨(dú)占方式 NULL, OPEN_EXISTING, /打開(kāi)而不是創(chuàng)建 0, /同步方式 NULL); if(hCom=(HANDLE)-1) AfxMessageBox(“打開(kāi) COM 失敗!“); return FALSE; SetupComm(hCom,SENSOR_RECEIVE_BUFFER_LEN,100); /輸入緩沖區(qū) 和輸出緩沖區(qū)的大小都是 1024 附 錄 37 COMMTIMEOUTS TimeOuts; /設(shè)定讀超時(shí) TimeOuts.ReadIntervalTimeout=MAXDWORD; TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier=0; TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant=0; /在讀一次輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容后讀操作就立即返回， /而不管是否讀入了要求的字符。 /設(shè)定寫(xiě)超時(shí) TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier=100; TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant=500; SetCommTimeouts(hCom, /設(shè)置超時(shí) DCB dcb; GetCommState(hCom, dcb.BaudRate=9600; /波特率為 9600 dcb.ByteSize=8; /每個(gè)字節(jié)有 8 位 dcb.Parity=NOPARITY; /無(wú)奇偶校驗(yàn)位 dcb.StopBits=ONESTOPBIT; /1 個(gè)停止位 SetCommState(hCom, PurgeComm(hCom,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR); 附 錄 38 / 與變頻器連接的串口 3 hCom3=CreateFile(“COM3“,/COM3 口 GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, /允許讀和寫(xiě) 0, /獨(dú)占方式 NULL, OPEN_EXISTING, /打開(kāi)而不是創(chuàng)建 0, /同步方式 NULL); if(hCom3=(HANDLE)-1) AfxMessageBox(“打開(kāi) COM 失敗!“); return FALSE; SetupComm(hCom3,3000,100); /輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)的大小都是 1024 COMMTIMEOUTS TimeOuts3; /設(shè)定讀超時(shí) TimeOuts3.ReadIntervalTimeout=MAXDWORD; TimeOuts3.ReadTotalTimeoutMultiplier=0; TimeOuts3.ReadTotalTimeoutConstant=0; /在讀一次輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容后讀操作就立即返回， /而不管是否讀入了要求的字符。 附 錄 39 /設(shè)定寫(xiě)超時(shí) TimeOuts3.WriteTotalTimeoutMultiplier=100; TimeOuts3.WriteTotalTimeoutConstant=500; SetCommTimeouts(hCom3, /設(shè)置超時(shí) DCB dcb3; GetCommState(hCom3, dcb3.BaudRate=19200; /波特率為 19200 dcb3.ByteSize=8; /每個(gè)字節(jié)有 8 位 dcb3.Parity=EVENPARITY; /偶校驗(yàn)位 dcb3.StopBits=TWOSTOPBITS; /2 個(gè)停止位 Se