嵌入式壓力采集系統(tǒng)

1、 * 實踐教學*甘肅工業(yè)大學蘭州理工大學計算機與通信學院 年春季學期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術課程設計題 目：嵌入式壓力采集系統(tǒng)設計 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 成 績： 摘要隨著生產(chǎn)的發(fā)展，各個領域對壓力采集的精度會越來越高，為此，本設計開發(fā)了一種壓力采集檢測系統(tǒng)，其實時性高、精度高，具有極好的抗干擾能力，能夠方便地擴展處理多點壓力信息，并能實現(xiàn)控制功能。總之，壓力的采集與調(diào)節(jié)儀器的設計和開發(fā)具有非常大的市場前景和實用價值本文討論了基于嵌入式技術作為主處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(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，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(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、可靠性和可擴展性。關鍵詞：嵌入式 壓力 數(shù)據(jù)采集 精度2目錄摘要1一 前言3二 系統(tǒng)設計思想5三 基本原理63.1 硬件概述63.2 CC2530 結構及原理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程序設計流程圖144.3 軟件系統(tǒng)設計14五 總結16六 參考文獻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)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3、成為當務之急。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，在很多場合都可以用一個芯片就包容了你所需要的全部資源，根本不用擴展其他資源了。不但電路簡單易行風險減小而且產(chǎn)品價格也能控制在最理想狀態(tài)。這些優(yōu)勢也正是ARM處理器風靡全球的理由所在。 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自外界的作用力，稱表面力。不少學科常常把壓強叫做壓力，同時把壓力叫做總壓力。這時的壓力不表示力，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叫法有時不

4、嚴格區(qū)分。壓力傳感器是是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，是一種將壓力轉換成電流、電壓的器件，可用于測量壓力，位移等物理量。其廣泛應用于各種工業(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、機床、管道等眾多行業(yè)。二 系統(tǒng)設計思想有許多客觀需求促進了ARM處理器的設計改進。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。由于成本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。

5、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、成本較低的存儲器。ARM內(nèi)核不是一個純粹的RISC體系結構，這是為了使它能夠更好的適應其主要應用領域嵌入式系統(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?，F(xiàn)在系統(tǒng)的關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)的設計過程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的基本設計思想，系統(tǒng)采用了模塊化的設計方法；并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術指標，系統(tǒng)遵循自上而下、由大到小、由粗到細的設計思想；按照系統(tǒng)的功能層次，在設計中把硬件和軟件分成若干功能模塊分別設計和調(diào)試，然后全部連接

6、起來統(tǒng)調(diào)。3.2 CC2530 結構及原理CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準。CC2530提供了101dB的鏈路質量，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集包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO，以及更多。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可以配備TI的一個標準兼容或專有的網(wǎng)絡協(xié)議棧（RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI

7、）來簡化開發(fā)，使你更快的獲得市場。CC2530可以用于的應用包括遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領域。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提供了改進的RF性能，多達256KB的閃存以支持更大的應用，強大的地址識別和數(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

8、器件系列不同的構造模塊?？纱笾路譃?3 類模塊：CPU和相關存儲器模塊，外設、時鐘和電源管理模塊，無線模塊。CC2530 是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一個片上系統(tǒng)解決方案。其特點是以極低的總材料成本建立較為強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 芯片結合了RF 收發(fā)器，增強型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。其具有多種運行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時CC253

9、0運行模式之間的轉換時間很短，使其進一步降低能源消下圖是CC2530 的方框圖，圖中模塊大致可以分為三類：CPU 和內(nèi)存相關的模塊；外設、時鐘和電源管理相關的模塊，以及無線電相關的模塊。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標準的解決方案；l 卓越的接收機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，能保證較長的電池使用時間；l 一流的選擇和阻斷性能（50-dB ACR）應用：l 智能能源/自

10、動化儀表讀取l 遠程控制l 居家及樓宇自動化l 消費類電子產(chǎn)品工業(yè)控制及監(jiān)測主要特點：l 高達256kB的閃存和20kB的擦除周期，以支持無線更新和大型應用程序l 8kB RAM用于更為復雜的應用和Zigbee應用l 可編程輸出功率達+4dBml 掉電模式下，在睡眠定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗CC2530前瞻及應用CC2530實施了IEEE 802.15.4 標準，因此它是一款通用性極強的芯片高級計量與Zigbee智能能源、家庭與適用于包括消費類電子與RF4CE遠程控制、樓宇自動化、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。CC2530搭配最新的Zigbee PRO協(xié)議棧以及

11、我們的支持，到目前為止成為業(yè)界最佳的市場解決方案概念。另一種基于IEEE的標準被稱為RF4CE，最近在國外人氣急升，由于擁有非視距操作，全球多家大型消費類電子公司合力推動RF遠程控制技術進入普通家庭。更大的遙控范圍、雙向確認通信等功能，因此RF4CE將會徹底改變您的家庭影院體驗。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的包裝中，其價格便宜。該傳感器的特色是采用了已被證明可靠的傳感技術，即使用專門設計的精制壓敏電阻硅傳感元件。小功率，無放大、無補償?shù)?/p>

12、惠斯頓電橋電路設計可在力范圍內(nèi)。 壓力傳感器根據(jù)埋入硅片的壓電電阻，在其受到任何外力而撓曲時，其電阻會增加的原理工作。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輸出電平也作相應的變化。 傳感器的封裝設計結合了獲專利的模塊結構。采用創(chuàng)新的彈性技術工藝和模制的工程塑料，使過力大小可達4.5/5.5kg。不銹鋼球提供了極佳的機械穩(wěn)定性，它適應于各種應用。FSS傳感器在50°C(122°F)時，故障平均周期（MCTF）的可靠性測試中可提供2千萬次操作?？煽啃詼y試確定了傳感器在出故障前，在滿量程情況下可能

13、的工作次數(shù)。各種電氣互連接頭，可接受預接線的連接器，印刷電路板安裝和表面安裝。圖4 工作特性無補償?shù)牧鞲衅鳎煤汶娏?1.5mA)勵磁，而不是電壓勵磁，顯示有量程范圍內(nèi)的部分溫度補償。圖5 環(huán)境技術要求注：所有與技術要求相關的力都要采用靜負載或順力來確定。 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被放大調(diào)理后經(jīng)模數(shù)轉換模塊轉換為數(shù)字量，傳送給單片機，經(jīng)過標定，運算及零點補償?shù)忍幚恚谝壕э@示模塊上顯示出來，同時可經(jīng)串行接口傳送到上位機，實現(xiàn)良好的人機交換，鍵盤提供人機交換的的手段。4.2程序設計流

14、程圖 圖7 程序設計流程圖4.3 軟件系統(tǒng)設計為了能夠進行系統(tǒng)初始化采用一個匯編文件做肩動代碼，用它實現(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）。將一個無線節(jié)點模塊插入到帶LCD的智能主板的相應位置。將壓力傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位置。將CC2530仿真器的一端通過USB線（A型轉B型）連接到PC機，另一端通過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關撥至開位置。按下仿真器上的按

15、鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功。使用IAR7.51打開“OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight) IAR_files”下的HumiTempLight.eww文件，下載運行程序。觀察LCD上壓力強度的變化。五 總結課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程. 隨著網(wǎng)絡在人們生活中的運用越來越廣泛和嵌入式技術在日常生活中的地位日益凸顯，這對我們這些學習有關網(wǎng)絡以及計算機專業(yè)的學生來說既是一種挑戰(zhàn)，又是一個難得的機會。通過這次嵌入式的課程設計讓我們初步了解了嵌入式系統(tǒng)的設

16、計過程和工作原理，掌握了一些編程能力。對我們的網(wǎng)絡編程有了很大的提高，與此同時，我們還學到了一些專業(yè)知識之外的東西。在課程設計過程中，我們了解到課程設計不光光是埋頭做設計，也是同學之間互相學習和互相交流經(jīng)驗和知識的機會。也是我們大家向老師提出疑問和學以致用的機會，這讓我們不會成為只知道理論而不會將理論化為實踐中去的書呆子。我覺得課程設計就是一個復習課堂上學到知識的機會，也是一個加強學生動手能力設計的機會。更是一個讓學習得到升華的過程。在該次課程設計的初期，我們將任務分配好，每個人各就其職，各盡所能。當然，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書籍，或上網(wǎng)查閱有關信息，

17、或請教老師。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計。這次課程設計不僅考察了我們對課堂上所學專業(yè)知識的理解程度，也鍛煉了我們的動手能力。提高了我們獨立思考文理，解決問題的能力。總體上看，我覺得這次課程設計是我自身的知識豐富了不少，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處。例如在動手方面，和知識融合方面，不能與實踐相結合。軟件操作不夠熟練，不能靈活運用。是我了解要先學好理論知識才能很好地與實踐相結合，才能熟練地運用到生活中。六 參考文獻1 譚會生ARM嵌入式系統(tǒng)原理與應用開發(fā)M西安：西安電子科技大學出版社，2012 2 何文華，梁競敏. Linux操作系統(tǒng)實驗與實訓. 北京：人民

18、郵電出版社,2006. 3 李蔚澤. Fedora Core 3 Linux安裝與系統(tǒng)管理. 北京：中國鐵道出版社,2006. 4 朱居正，高冰. Red Hat Linux(Fedora Core 3)實用培訓教程. 北京：清華大學出版社,20055 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程北京：北京航天航空大學出版社，20086 陳麗蓉等.嵌入式微處理器系統(tǒng)及應用北京：清華大學出版社;2010年.7 汪明虎. ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)叢書 北京：中國電力出版社;2008年8孟祥蓮.嵌入式系統(tǒng)原理及應用教程北京：清華大學出版社;2010年.9 馬維華.嵌入式系統(tǒng)原理及應用北京：北京郵電大學出

19、版社，2006年10 孫媛.嵌入式系統(tǒng)基礎及應用北京：機械工業(yè)出版社，2009年代碼清單： 壓力處理與轉換子程序如下： /存放讀取到的當前壓力值，未轉換 Static U16 a-pres-now8=8*0 /存放經(jīng)精度計算后的實際壓力值，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路轉換后壓力值,分別為百位,十位,個位,小數(shù)位 static U8 pres -convent-all32=32*0; /- /壓力處理與轉換子程序/- void pres-change(void) U8 negtive=0x00;  &#

20、160;  /存放數(shù)的符號，若為正=0；若為負，=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;  /若壓力為負值，進行相應處理  if(pres&0xf80) ！=0)        pres =( pres)+1；/轉為正的原碼

21、60;    negative=0xff； / 同時置符號為0xff   /根據(jù)精度消除無關數(shù)據(jù) switch(a- pres-prec) case 0x1f:    /精度為9位,則清除最低3位無效位       pres= pres&0xfff8;break; case 0x3f:    /精度為10位,則清除最低2位無效位       pres= pres&0xfffc;brea