嵌入式系統(tǒng)-溫度傳感器

安徽工程大學課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱：嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)指導教師：鮑廣喜專業(yè)班級：計算機102學生姓名：劉斌學號：3090701206起止日期：成績：設(shè)計任務書設(shè)計題目：基于ARM的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容：設(shè)計嵌入式技術(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，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(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、可靠性和可擴展性。設(shè)計步驟和根本要求：設(shè)計實驗電路〔要求利用實驗儀的硬件資源〕分析實驗原理列出實驗接線表采用匯編語言編寫實驗程序通過實驗驗證功能的實現(xiàn)編寫課程設(shè)計說明書摘要近年來，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)等技術(shù)的開展，如何對數(shù)據(jù)進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)開展的兩個主要方向。單片機、ARM、DSP

等各種微處理器的廣泛應用，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個有效的平臺。對信號進行高速和高精度的采集以及對采集數(shù)據(jù)處理的研究和設(shè)計是本課題的主要任務。本設(shè)計是基于嵌入式技術(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，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(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)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速開展。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)計目的〔1〕了解所選擇的ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數(shù)/定時，I/O口，中斷等的相關(guān)原理，并穩(wěn)固學習嵌入式的相關(guān)內(nèi)容知識。〔2〕通過軟硬件設(shè)計實現(xiàn)利用ARM芯片對周圍環(huán)境溫度信號的采集及顯示。1.2設(shè)計背景嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為根底，且軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(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、面向應用的，它必須與具體應用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、本錢、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件根底，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比擬好的開展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、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，即隔一定時間〔稱采樣周期〕對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內(nèi)的一個特征值。準確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的根底。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不管哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(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)成為當務之急?；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)計方案2.1設(shè)計要求〔1〕查閱相關(guān)文獻資料，熟悉所選ARM芯片及溫度傳感器〔2〕總體設(shè)計方案規(guī)劃〔3〕系統(tǒng)硬件設(shè)計，熟悉AD轉(zhuǎn)換原理及過程，溫度傳感器與ARM芯片的硬件接口實現(xiàn)及溫度顯示。〔4〕系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括溫度的AD轉(zhuǎn)換及顯示的軟件實現(xiàn)，用匯編語言編程〔5〕設(shè)計心得體會及總結(jié)2.2方案論證有許多客觀需求促進了ARM處理器的設(shè)計改良。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)計成較小的核，從而延長了電池的使用時間。高的代碼密度是嵌入式系統(tǒng)的又一個重要需求。由于本錢問題和物理尺寸的限制，嵌入式系統(tǒng)的存儲器是很有限的。所以，高的代碼密度對于那些只限于在板存儲器的應用是非常有幫助的。另外，嵌入式系統(tǒng)通常都是價格敏感的，因此一般都使用速度不高、本錢較低的存儲器。ARM內(nèi)核不是一個純粹的RISC體系結(jié)構(gòu)，這是為了使它能夠更好的適應其主要應用領(lǐng)域－－嵌入式系統(tǒng)。在某種意義上，甚至可以認為ARM內(nèi)核的成功，正是因為它沒有在RISC的概念上沉入太深。現(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)計過程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的根本設(shè)計思想，系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計方法，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)指標，系統(tǒng)遵循自上而下、由大到小、由粗到細的設(shè)計思想，按照系統(tǒng)的功能層次，在設(shè)計中把硬件和軟件分成假設(shè)干功能模塊分別設(shè)計和調(diào)試，然后全部連接起來統(tǒng)調(diào)。三、硬件設(shè)計3.1設(shè)計思路本設(shè)計的基于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，本系統(tǒng)采用“電源局部＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊〞實現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從CPU協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴展性好等優(yōu)點。本設(shè)計的基于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，本系統(tǒng)采用“電源局部＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊〞實現(xiàn)所需功能。ARM處理器LCD顯示器鍵盤RS-232協(xié)控制器多路溫度傳感器ARM處理器LCD顯示器鍵盤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存儲器SDRAMSDRAM存儲器圖3-1

系統(tǒng)原理框圖3.2系統(tǒng)電路設(shè)計電源電路設(shè)計本系統(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，到達了可靠性電源設(shè)計目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時均應在7809和7805上加散熱片散熱。由圖可見，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設(shè)計，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)計的。溫度采集電路設(shè)計溫度采集模塊電路采用AT89S52單片機作為模塊的協(xié)控制器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，因為DS18B20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，大大提高了電路的效率。由于現(xiàn)場溫度直接以“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4.1設(shè)計思路本系統(tǒng)軟件設(shè)計是在CodeWarriorforADS開發(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模塊來編寫的。而又由于系統(tǒng)采用了S3C44Box和AT89S52兩個CPU協(xié)同工作，所以軟件的編寫需要對這兩個CPU分別編寫，以實現(xiàn)所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。開始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化開始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化鍵盤初始化掃描鍵盤有鍵按下處理數(shù)值相應顯示數(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，S3C44B0x要先進行ARM內(nèi)部的初始化，以使ARM進入相應的狀態(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UART復位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進入正常溫度數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；然后初始化LCD顯示和鍵盤，在LCD上顯示相應的菜單列表，供用戶通過鍵盤選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤，以快速的響應用戶的按鍵操作；假設(shè)沒有鍵值按下，那么ARM立即進行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實現(xiàn)實時數(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ARM處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進行相應的溫度數(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)的開始地址后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，隨后檢測標志位狀態(tài)。標志位被清零，標志著本通道的A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，在修改通道號和數(shù)據(jù)存放地址后，對下一通道繼續(xù)檢測。當8個通道的檢測工作完成后，判斷5次采樣是否全部完成，假設(shè)沒完成，那么對8個通道繼續(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。定時器中斷流程框圖5.2

LED顯示程序設(shè)計

LED顯示程序的設(shè)計：

動態(tài)顯示程序流程圖如下圖

五、心得體會在這次ARM嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計中，我對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)有了更進一步的了解，同時知識面也進一步得到了擴展和加深。本次課程設(shè)計的任務主要是對基于傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)的使用環(huán)節(jié)中遇到的一些問題提出的一種改良方法，有助于溫度采集系統(tǒng)更好的開展與使用，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)，就是通過溫度傳感器對被采集物體進行溫度數(shù)據(jù)的收集與處理，最后得到所需要的有用的數(shù)字信號并送入系統(tǒng)的下一環(huán)節(jié)進行其他操作。目前，由于傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)存在響應慢、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)成為當務之急。所以，學習和應用溫度采集系統(tǒng)及其應用技術(shù)對我們以后的學習和工作有著十分重要的意義。通過本次課程設(shè)計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體工程、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計產(chǎn)品的能力。既讓我懂得了怎樣將理論應用于實際，又讓我懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在設(shè)計過程中，總是會遇到這樣或那樣的問題。有時一個問題可能會需要去查閱資料，做大量的工作，花大量的時間才能解決。通過不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，我的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力便在其中建立起來了。這都為以后的工作積累了經(jīng)驗，同時也增強了我解決問題的能力參考文獻[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：北京航空航天大學出版社2006[4]王田苗，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)[M].北京:清華大學出版社,2003[5]