嵌入式壓力采集系統(tǒng)解讀

1、 * 實(shí)踐教學(xué)*甘肅工業(yè)大學(xué)蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院 年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目：嵌入式壓力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 摘要隨著生產(chǎn)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)毫Σ杉木葧?huì)越來(lái)越高，為此，本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種壓力采集檢測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性高、精度高，具有極好的抗干擾能力，能夠方便地?cái)U(kuò)展處理多點(diǎn)壓力信息，并能實(shí)現(xiàn)控制功能。總之，壓力的采集與調(diào)節(jié)儀器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有非常大的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值本文討論了基于嵌入式技術(shù)作為主處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。以壓力數(shù)據(jù)采集為例，利用ARM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)了智能化的壓

2、力數(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。關(guān)鍵詞：嵌入式 壓力 數(shù)據(jù)采集 精度目錄摘要1一 前言3二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想5三 基本原理63.1 硬件概述63.2 CC2530 結(jié)構(gòu)及原理63.3 壓力采集模塊10四 系統(tǒng)分析134.1系統(tǒng)的硬件組成及工作原理134.2程序設(shè)計(jì)流程圖144.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)14五 總結(jié)16六 參考文獻(xiàn)17代碼清單：18一 前言傳統(tǒng)的壓力數(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，已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成

3、為當(dāng)務(wù)之急。而現(xiàn)在的ARM處理器不但便宜而且性能較傳統(tǒng)的51單片機(jī)高得多，集成度也大大提高，為單芯片解決方案提供了非常方便的平臺(tái)，在很多場(chǎng)合都可以用一個(gè)芯片就包容了你所需要的全部資源，根本不用擴(kuò)展其他資源了。不但電路簡(jiǎn)單易行風(fēng)險(xiǎn)減小而且產(chǎn)品價(jià)格也能控制在最理想狀態(tài)。這些優(yōu)勢(shì)也正是ARM處理器風(fēng)靡全球的理由所在。 壓力，垂直作用于物體表面上的力。界面可以是指流體內(nèi)部任意劃分的分離面，也可以流體與固體之間的接觸面。任意流體元表面都受到來(lái)自外界的作用力，稱表面力。不少學(xué)科常常把壓強(qiáng)叫做壓力，同時(shí)把壓力叫做總壓力。這時(shí)的壓力不表示力，而是表示垂直作用于物體單位面積上的力。在工程上壓力和壓強(qiáng)叫法有時(shí)不嚴(yán)

4、格區(qū)分。壓力傳感器是是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，是一種將壓力轉(zhuǎn)換成電流、電壓的器件，可用于測(cè)量壓力，位移等物理量。其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想有許多客觀需求促進(jìn)了ARM處理器的設(shè)計(jì)改進(jìn)。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。由于成本問(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

5、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、成本較低的存儲(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)性能和功能。三 基本原理3.1 硬件概述在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的基本設(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若干功能模塊分別設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后全部連接起

6、來(lái)統(tǒng)調(diào)。3.2 CC2530 結(jié)構(gòu)及原理CC2530是一個(gè)兼容的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的市場(chǎng)以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設(shè)集包括2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO，以及更多。除了通過(guò)優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)8051MCU內(nèi)核，支持一般的低功耗無(wú)線通信，CC2530還可以配備TI的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI）來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，使你更快的獲得市場(chǎng)。CC253

7、0可以用于的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計(jì)量和智能能源、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。根據(jù)芯片內(nèi)置內(nèi)存的不同容量，CC2530擁有三種不同的版本：CC2530-F32/F64/F128/F256，編號(hào)后綴分別代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的閃存。 比起第一代CC2430，CC2530提供了改進(jìn)的RF性能，多達(dá)256KB的閃存以支持更大的應(yīng)用，強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎， 能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，IR一代電路，以及支持ZigBee PRO 和ZigBee RF4CE。 圖3.1框圖顯示了 CC2530 器件系列不同的構(gòu)造模塊。可大致分為 3 類模

8、塊：CPU和相關(guān)存儲(chǔ)器模塊，外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理模塊，無(wú)線模塊。CC2530 是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。其特點(diǎn)是以極低的總材料成本建立較為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 芯片結(jié)合了RF 收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他模塊的強(qiáng)大的功能。如今CC2530 主要有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。其具有多種運(yùn)行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時(shí)CC2530運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，使其進(jìn)一步降低

9、能源消下圖是CC2530 的方框圖，圖中模塊大致可以分為三類：CPU 和內(nèi)存相關(guān)的模塊；外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊，以及無(wú)線電相關(guān)的模塊。圖1 CC2530方框圖圖2 CC2530引腳圖利益：l 支持Zigbee / Zigbee PRO , Zigbee RF4CE, 6LoWPAN, WirelessHART 及其他所有基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案；l 卓越的接收機(jī)靈敏度和可編程輸出功率；l 在接收、發(fā)射和多種低功耗的模式下具有極低的電流消耗，能保證較長(zhǎng)的電池使用時(shí)間；l 一流的選擇和阻斷性能（50-dB ACR）應(yīng)用：l 智能能源/自動(dòng)化儀表讀取l 遠(yuǎn)程控制l 居家及樓宇自動(dòng)化

10、l 消費(fèi)類電子產(chǎn)品工業(yè)控制及監(jiān)測(cè)主要特點(diǎn)：l 高達(dá)256kB的閃存和20kB的擦除周期，以支持無(wú)線更新和大型應(yīng)用程序l 8kB RAM用于更為復(fù)雜的應(yīng)用和Zigbee應(yīng)用l 可編程輸出功率達(dá)+4dBml 掉電模式下，在睡眠定時(shí)器運(yùn)行時(shí)，僅有不到1uA的電流損耗CC2530前瞻及應(yīng)用CC2530實(shí)施了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，因此它是一款通用性極強(qiáng)的芯片高級(jí)計(jì)量與Zigbee智能能源、家庭與適用于包括消費(fèi)類電子與RF4CE遠(yuǎn)程控制、樓宇自動(dòng)化、照明、工業(yè)控制與監(jiān)控、保健與醫(yī)療等在內(nèi)的許多市場(chǎng)。CC2530搭配最新的Zigbee PRO協(xié)議棧以及我們的支持，到目前為止成為業(yè)界最佳的市場(chǎng)解決

11、方案概念。另一種基于IEEE的標(biāo)準(zhǔn)被稱為RF4CE，最近在國(guó)外人氣急升，由于擁有非視距操作，全球多家大型消費(fèi)類電子公司合力推動(dòng)RF遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)入普通家庭。更大的遙控范圍、雙向確認(rèn)通信等功能，因此RF4CE將會(huì)徹底改變您的家庭影院體驗(yàn)。3.3 壓力采集模塊、圖3 壓力傳感器模塊壓力傳感器模塊采用橋上輕觸傳感器，能檢測(cè)出01500g的正壓力。 FSS小型力傳感器：FS系列傳感器具有精密可靠的力傳感性能，它封裝在小型商品等級(jí)的包裝中，其價(jià)格便宜。該傳感器的特色是采用了已被證明可靠的傳感技術(shù)，即使用專門設(shè)計(jì)的精制壓敏電阻硅傳感元件。小功率，無(wú)放大、無(wú)補(bǔ)償?shù)幕菟诡D電橋電路設(shè)計(jì)可在力范圍內(nèi)。 壓力傳感器

12、根據(jù)埋入硅片的壓電電阻，在其受到任何外力而撓曲時(shí)，其電阻會(huì)增加的原理工作。該傳感器通過(guò)不銹鋼球，將施加的力直接集中到硅傳感元件上，電阻值的變化是隨施加力的大小而成比例的變化。電路電阻的變化致使mV輸出電平也作相應(yīng)的變化。 傳感器的封裝設(shè)計(jì)結(jié)合了獲專利的模塊結(jié)構(gòu)。采用創(chuàng)新的彈性技術(shù)工藝和模制的工程塑料，使過(guò)力大小可達(dá)4.5/5.5kg。不銹鋼球提供了極佳的機(jī)械穩(wěn)定性，它適應(yīng)于各種應(yīng)用。FSS傳感器在50°C(122°F)時(shí)，故障平均周期（MCTF）的可靠性測(cè)試中可提供2千萬(wàn)次操作?？煽啃詼y(cè)試確定了傳感器在出故障前，在滿量程情況下可能的工作次數(shù)。各種電氣互連接頭，可接受預(yù)接線的

13、連接器，印刷電路板安裝和表面安裝。圖4 工作特性無(wú)補(bǔ)償?shù)牧鞲衅?，用恒電?1.5mA)勵(lì)磁，而不是電壓勵(lì)磁，顯示有量程范圍內(nèi)的部分溫度補(bǔ)償。圖5 環(huán)境技術(shù)要求注：所有與技術(shù)要求相關(guān)的力都要采用靜負(fù)載或順力來(lái)確定。 四 系統(tǒng)分析4.1系統(tǒng)的硬件組成及工作原理 圖6 高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如上所示，壓力傳感器輸出的模擬信號(hào)被放大調(diào)理后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)標(biāo)定，運(yùn)算及零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚恚谝壕э@示模塊上顯示出來(lái)，同時(shí)可經(jīng)串行接口傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換，鍵盤提供人機(jī)交換的的手段。4.2程序設(shè)計(jì)流程圖 圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖4.3 軟件系統(tǒng)設(shè)

14、計(jì)為了能夠進(jìn)行系統(tǒng)初始化采用一個(gè)匯編文件做肩動(dòng)代碼，用它實(shí)現(xiàn)向量表的定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、IO初始化、外同初始化、地址重映射等操作。系統(tǒng)的初始化流程如圖所示。圖8 系統(tǒng)的初始化流程給智能主板供電（USB外接電源或2節(jié)干電池）。將一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊插入到帶LCD的智能主板的相應(yīng)位置。將壓力傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴(kuò)展口位置。將CC2530仿真器的一端通過(guò)USB線（A型轉(zhuǎn)B型）連接到PC機(jī)，另一端通過(guò)10Pin下載線連接到智能主板的CC2530 JTAG口（J203）。將智能主板上電源開(kāi)關(guān)撥至開(kāi)位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時(shí)，表示連接成功。

15、使用IAR7.51打開(kāi)“OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight) IAR_files”下的HumiTempLight.eww文件，下載運(yùn)行程序。觀察LCD上壓力強(qiáng)度的變化。五 總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程. 隨著網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛和嵌入式技術(shù)在日常生活中的地位日益凸顯，這對(duì)我們這些學(xué)習(xí)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)既是一種挑戰(zhàn)，又是一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。通過(guò)這次嵌入式的課程設(shè)計(jì)讓我們初步了解了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和工作原理，掌握了一些編程能力。對(duì)我們

16、的網(wǎng)絡(luò)編程有了很大的提高，與此同時(shí)，我們還學(xué)到了一些專業(yè)知識(shí)之外的東西。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解到課程設(shè)計(jì)不光光是埋頭做設(shè)計(jì)，也是同學(xué)之間互相學(xué)習(xí)和互相交流經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的機(jī)會(huì)。也是我們大家向老師提出疑問(wèn)和學(xué)以致用的機(jī)會(huì)，這讓我們不會(huì)成為只知道理論而不會(huì)將理論化為實(shí)踐中去的書(shū)呆子。我覺(jué)得課程設(shè)計(jì)就是一個(gè)復(fù)習(xí)課堂上學(xué)到知識(shí)的機(jī)會(huì)，也是一個(gè)加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。更是一個(gè)讓學(xué)習(xí)得到升華的過(guò)程。在該次課程設(shè)計(jì)的初期，我們將任務(wù)分配好，每個(gè)人各就其職，各盡所能。當(dāng)然，在一開(kāi)始我們就遇到了一些問(wèn)題，解決問(wèn)題的方法是跑到圖書(shū)館查看有關(guān)書(shū)籍，或上網(wǎng)查閱有關(guān)信息，或請(qǐng)教老師。終于在大家的相互幫組和大家的齊心

17、協(xié)力下，我們最終完成了該次的課程設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)不僅考察了我們對(duì)課堂上所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解程度，也鍛煉了我們的動(dòng)手能力。提高了我們獨(dú)立思考文理，解決問(wèn)題的能力?？傮w上看，我覺(jué)得這次課程設(shè)計(jì)是我自身的知識(shí)豐富了不少，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處。例如在動(dòng)手方面，和知識(shí)融合方面，不能與實(shí)踐相結(jié)合。軟件操作不夠熟練，不能靈活運(yùn)用。是我了解要先學(xué)好理論知識(shí)才能很好地與實(shí)踐相結(jié)合，才能熟練地運(yùn)用到生活中。六 參考文獻(xiàn)1 譚會(huì)生ARM嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用開(kāi)發(fā)M西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012 2 何文華，梁競(jìng)敏. Linux操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn). 北京：人民郵電出版社,2006. 3 李蔚澤. Fed

18、ora Core 3 Linux安裝與系統(tǒng)管理. 北京：中國(guó)鐵道出版社,2006. 4 朱居正，高冰. Red Hat Linux(Fedora Core 3)實(shí)用培訓(xùn)教程. 北京：清華大學(xué)出版社,20055 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程北京：北京航天航空大學(xué)出版社，20086 陳麗蓉等.嵌入式微處理器系統(tǒng)及應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社;2010年.7 汪明虎. ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)叢書(shū) 北京：中國(guó)電力出版社;2008年8孟祥蓮.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教程北京：清華大學(xué)出版社;2010年.9 馬維華.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006年10 孫媛.嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及

19、應(yīng)用北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009年代碼清單： 壓力處理與轉(zhuǎn)換子程序如下： /存放讀取到的當(dāng)前壓力值，未轉(zhuǎn)換 Static U16 a-pres-now8=8*0 /存放經(jīng)精度計(jì)算后的實(shí)際壓力值，高8位整數(shù)部分，低8位小數(shù)部分 static U16 b- pres -now8=8*0; /存放8路轉(zhuǎn)換后壓力值,分別為百位,十位,個(gè)位,小數(shù)位 static U8 pres -convent-all32=32*0; /- /壓力處理與轉(zhuǎn)換子程序/- void pres-change(void) U8 negtive=0x00;     /存放數(shù)的符號(hào)，若為正

20、=0；若為負(fù)，=0xff U8 j=0; U8 *pt= pres-convent-all; U16 *p1=a- pres-now; U16 *p3=b- pres-now;U16 pres=0;  for(j=0;j<8;j+)   negative =0x00; pres=*p1;  /若壓力為負(fù)值，進(jìn)行相應(yīng)處理  if(pres&0xf80) ！=0)        pres =( pres)+1；/轉(zhuǎn)為正的原碼     

21、negative=0xff； / 同時(shí)置符號(hào)為0xff   /根據(jù)精度消除無(wú)關(guān)數(shù)據(jù) switch(a- pres-prec) case 0x1f:    /精度為9位,則清除最低3位無(wú)效位       pres= pres&0xfff8;break; case 0x3f:    /精度為10位,則清除最低2位無(wú)效位       pres= pres&0xfffc;break;case 0x5f:

22、60;   /精度為11位,則清除最低1位無(wú)效位       pres= pres&0xfffe;break; case 0x7f:    /精度為12位       break;    /換算成實(shí)際壓力,并擴(kuò)大10倍,去掉小數(shù)部分pres=(U16)(float)(pres)*0.625);/折算放入b- pres-now  數(shù)組中/高8位放整數(shù)部分，低8位放小數(shù)部分，最高位放符號(hào)位if(negtive= 0xff) /若為負(fù)值