嵌入式壓力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

*******************實(shí)踐教學(xué)*******************蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2023年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)開發(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)：摘要以單片機(jī)為控制核心，采用壓力傳感器和高精度A/D轉(zhuǎn)換器等器件對(duì)外界壓力信息進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。將壓力進(jìn)行物理采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示和打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)方面那么采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思想；鍵盤模數(shù)轉(zhuǎn)換等采用中斷方式來實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了單片機(jī)的效率以及實(shí)時(shí)處理能力。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力傳感器采集控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的根本原理，系統(tǒng)分析，詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程圖，并重點(diǎn)介紹了串口數(shù)據(jù)收集的原理，通過嵌入式設(shè)備完成室內(nèi)環(huán)境信息的采集至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)終端嵌入式設(shè)備的信息收集及相關(guān)設(shè)備的控制。關(guān)鍵詞：嵌入式，壓力，數(shù)據(jù)采集，精度目錄一前言1二基于ＡＲＭ的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想2三根本原理33.1硬件系統(tǒng)概述33.2CC2530結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理33.3壓力模塊6四系統(tǒng)分析74.1系統(tǒng)的硬件組成及工作原理74.2程序流程圖74.3軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)8五總結(jié)9六參考文獻(xiàn)10七附錄11一前言傳統(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)的高速開展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛開展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低本錢、高可靠性、操作方便的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。而現(xiàn)在的ARM處理器不但廉價(jià)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)行全球的理由所在。壓力與人們的生活息息相關(guān)，因此，開發(fā)一種高精度的壓力采集檢測(cè)系統(tǒng)是適應(yīng)現(xiàn)代開展必不可少的。壓力，垂直作用于物體外表上的力。界面可以是指流體內(nèi)部任意劃分的別離面，也可以流體與固體之間的接觸面。任意流體元外表都受到來自外界的作用力，稱外表力。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)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)。一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)?；蛟谝欢芜B續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。二基于ＡＲＭ的嵌入式系統(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]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、三根本原理3.1硬件系統(tǒng)概述在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，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，然后全部連接起來統(tǒng)調(diào)。3.2CC2530結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理CC2530是一個(gè)兼容IEEE802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場(chǎng)以及ZigBee、ZigBeePRO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?！睷emoTI,Z-Stack,或SimpliciTI〕來簡(jiǎn)化開發(fā)，使你更快的獲得市場(chǎng)。CC2530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提供了改良的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ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE。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，無線模塊。CC2530是基于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。其特點(diǎn)是以極低的總材料本錢建立較為強(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8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KBRAM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)一步降低能源消下列圖是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，以及無線電相關(guān)的模塊。圖1CC2530方框圖圖2CC2530引腳圖利益：支持Zigbee/ZigbeePRO,ZigbeeRF4CE,6LoWPAN,WirelessHART及其他所有基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案；卓越的接收機(jī)靈敏度和可編程輸出功率；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；一流的選擇和阻斷性能〔50-dBACR〕應(yīng)用：智能能源/自動(dòng)化儀表讀取遠(yuǎn)程控制居家及樓宇自動(dòng)化消費(fèi)類電子產(chǎn)品工業(yè)控制及監(jiān)測(cè)主要特點(diǎn)：高達(dá)256kB的閃存和20kB的擦除周期，以支持無線更新和大型應(yīng)用程序8kBRAM用于更為復(fù)雜的應(yīng)用和Zigbee應(yīng)用可編程輸出功率達(dá)+4dBm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IEEE802.15.4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ZigbeePRO協(xié)議棧以及我們的支持，到目前為止成為業(yè)界最正確的市場(chǎng)解決方案概念。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壓力模塊、圖3壓力模塊硬件圖壓力傳感器模塊采用橋上輕觸傳感器，能檢測(cè)出0‐1500g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)格廉價(jià)。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，無放大、無補(bǔ)償?shù)幕菟诡D電橋電路設(shè)計(jì)可在力范圍內(nèi)。力傳感器根據(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)接線的連接器，印刷電路板安裝和外表安裝。獨(dú)特的傳感器設(shè)計(jì)還可提供包括安裝架在內(nèi)的各種安裝形式選項(xiàng)，以及可滿足應(yīng)用時(shí)的各種具體安裝要求。四系統(tǒng)分析4.1系統(tǒng)的硬件組成及工作原理圖4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)過標(biāo)定，運(yùn)算及零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚?，在液晶顯示模塊上顯示出來，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程序流程圖圖5程序流程圖4.3軟件子系統(tǒng)設(shè)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、I／O初始化、外同初始化、地址重映射等操作。系統(tǒng)的初始化流程如下圖。圖6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USB線〔A型轉(zhuǎn)B型〕連接到PC機(jī)，另一端通過10Pin下載線連接到智能主板的CC2530JTAG口〔J203〕。將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。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。使用IAR7.51翻開“…\OURS_CC2530LIB\lib10(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)練和考察過程.隨著網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的運(yùn)用越來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)生來說既是一種挑戰(zhàn)，又是一個(gè)難得的時(shí)機(jī)。通過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)過程和工作原理，掌握了一些編程能力。對(duì)我們的網(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)的時(shí)機(jī)。也是我們大家向老師提出疑問和學(xué)以致用的時(shí)機(jī)，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)踐中去的書呆子。我覺得課程設(shè)計(jì)就是一個(gè)復(fù)習(xí)課堂上學(xué)到知識(shí)的時(shí)機(jī)，也是一個(gè)加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力設(shè)計(jì)的時(shí)機(jī)。更是一個(gè)讓學(xué)習(xí)得到升華的過程。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，在一開始我們就遇到了一些問題，解決問題的方法是跑到圖書館查看有關(guān)書籍，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，解決問題的能力?？傮w上看，我覺得這次課程設(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)了自己的缺乏之處。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)用開發(fā)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2023[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.FedoraCore3Linux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.RedHatLinux(FedoraCore3)實(shí)用培訓(xùn)教程.北京：清華大學(xué)出版社,2005[5]周立功.《ARM嵌入式系統(tǒng)根底教程》北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2023[6]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;2023年.[7]汪明虎.《ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)叢書》北京：中國(guó)電力出版社;2023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;2023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)根底及應(yīng)用》北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023年七附錄程序代碼壓力處理與轉(zhuǎn)換子程序如下：//存放讀取到的當(dāng)前壓力值，未轉(zhuǎn)換StaticU16a-pres-now[8]={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)局部，低8位小數(shù)局部staticU16b-pres-now[8]={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staticU8pres-convent-all[32]={32*0};////壓力處理與轉(zhuǎn)換子程序//voidpres-change(void){U8negtive=0x00;

//存放數(shù)的符號(hào)，假設(shè)為正=0；假設(shè)為負(fù)，=0xffU8j=0;U8*pt=pres-convent-all;U16*p1=a-pres-now;U16*p3=b-pres-now;U16pres=0;

for(j=0;j<8;j++){

negative=0x00;

pres=*p1;

//假設(shè)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

negative=0xff；//同時(shí)置符號(hào)為0xff

}//根據(jù)精度消除無關(guān)數(shù)據(jù)switch(a-pres-prec