嵌入式大作業(yè)基于s3c2410的ad轉換與電機控制系統(tǒng)

1、嵌入式大作業(yè) _基于 s3c2410 的 ad 轉換與電機控制系統(tǒng)嵌入式實驗報告基于S3C2410的AD轉換與電機控制系統(tǒng)院 （系） 計算機與信息工程學院 專 業(yè) 控制工程 學生姓名 成 績 指導教師 2015年 5 月摘要:本設計是基于嵌入式技術作為主處理器的 AD采集與電機控制系統(tǒng)，利用S3C2410 ARM微處理器作為主控CPU輔以LINUX操作系統(tǒng)和Qt界面系統(tǒng)，實現了 智能化的將AD采集的數據通過Qt界面形式展現出來，同時根據 AD值的不同改變 PW啲參數值，從而控制電機的方向和轉速等功能，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)的數據采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度

2、低、 可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應現代化工業(yè)的高速發(fā)展。關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)ARM S3C2410 Qt AD采集PWM直流電機目錄一（設計背景 41.1 設計目的 41.2 設計要求 41.3 設計意義 4 二、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 62.1 Qt/Embedded 簡介 62.2 ARM-Linux 簡介62.3 Qt/Embedded 進行應用開發(fā)的流程 62.4 交叉編譯環(huán)境的介紹與構建 7三、系統(tǒng)設計 73.1 設計思路 73.2 系統(tǒng)硬件電路設計 83.3 系統(tǒng)軟件設計 . 10 四、測試結果 1 1五、總結 1 2參考文獻 13一（設計背景1.1 設計目的1、注重培養(yǎng)綜合

3、運用所學知識、獨立分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新 意識和創(chuàng)新能力，并獲得科學研究的基礎訓練。2、了解所選擇的ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數/定時，I/O 口， AD, PWM等的相關原理，并鞏固學習嵌入式的相關內容知識。3、 通過軟硬件設計實現利用 ARM芯片對AD信號的采集與PWMfe機控制及QT 界面顯示。1.2 設計要求以UP-NetARM2410-S實驗箱及Linux操作系統(tǒng)為平臺，設計一個基于 Qt的圖 形化應用程序，實現AD轉換和轉換結果的圖形顯示以及控制直流電機的正反轉和 轉速的圖形化顯示。1、在桌面Linux系統(tǒng)（虛擬機）中建立Qt開發(fā)環(huán)境和虛擬運行平臺。2、將Qt

4、 移植到目標Linux系統(tǒng)（實驗箱）中，建立實際運行環(huán)境。3、設計一個基于Qt的 圖形化應用程序 :（1）實現對AD進行轉換，并將轉換結果使用文本框控件、進度條控件、轉速表 控件等圖形化方式進行顯示。(2) 使用按鈕控件控制直流電機的旋轉方向，使用滑塊控件控制直流電機的轉 速。4、在桌面 Linux 中編寫和編譯程序，然后下載到實驗箱上運行。 1.3 設計意 義嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，適應應 用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般 由以下幾部分組成 : 嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系 統(tǒng)是面向用戶、

5、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命 力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性， 必須結合實際系統(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、 半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密 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、成本、體積等要求。所以， 如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一 個比較好的發(fā)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 微內核，

6、需要根據實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內核的存在，使得這 種擴展能夠非常順利的進行。嵌入式系統(tǒng)是面向應用的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)最典型的特點是與人們 的日常生活緊密相關，現在每一個人都擁有形形色色運用了嵌入式技術的電子產 品，小到MP3 PDA等衛(wèi)星數字化設備，達到信息家電、智能電器、車載GIS等，各種新型嵌入式設備在數量上已經遠遠超過了通用計算機。 1. 嵌入式系統(tǒng)通常是 面向特定應用的軟硬件結合體。嵌入式系統(tǒng)一般用于特定的場合，其硬件和軟件都務須高效，量體裁衣，去除冗余; 而計算機則是一個通用的計算機平臺。系統(tǒng)精簡，關注成本。 2.嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯

7、區(qū)分，不要求其功能設計及實 現上過于復雜，這樣一方面有利于控制系統(tǒng)成本，同時也有利于實現系統(tǒng)安全。 3. 嵌入式系統(tǒng)有實時性和可靠性的要求。高實時性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式區(qū)按鍵的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存 儲，以提高速度。軟件代碼要求高可靠性和實時性。在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重 要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵，單 純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，因此系統(tǒng)漸漸地高實時性是基本 要求。4. 產品升級換代和具體產品同步，具有較長的生命周期。 嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，他的升級換代也和具體產品同步進 行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一點進入市場，便

8、具有較長的生命周期。 5. 嵌入式軟件 開發(fā)走向標準化，必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下，直接在芯片上運行。 單位了合理的調度多任務，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數以及和專家?guī)旌瘮到涌冢?必須使用 RTOS(Real-Time Operating System) 系統(tǒng)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行 的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。二、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境2.1 Qt/Embedded 簡介Qt是一個1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺 C+圖形用戶界面應用程序開發(fā)框 架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非 GUI程序，比如控制臺工具和服務 器。Qt是面向對象

9、的框架，使用特殊的代碼生成擴展 (稱為元對象編譯器(MetaObject Compiler, moc) 以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。 2008 年，奇趣 科技被諾基亞公司收購，QT也因此成為諾基亞旗下的編程語言工具Qt優(yōu)良的跨平臺特性。Qt/Embedded是一個為嵌入式設備上的圖形用戶接口和應用開發(fā)而定制的如果有嵌入式linux操作系統(tǒng)支持,它可以運行在多種不同的處理C+工具開發(fā) 包,器體系上，例如:IntelX86、ARM MIPS PowerPC等。它為在嵌入式設備上開發(fā) 應用程序提供了標準的 API 函數, 而且這些 API 函數都是單一的 , 在不同平臺下都是 用相同API函

10、數,方便在不同體系結構下進行代碼移植。Qt/Embedded通常為小型化, 低功耗, 便攜式的設備開發(fā)帶有圖形化界面的應用程序。 2.2 ARM-Linux 簡介Linux 原本被設計為桌面系統(tǒng) , 現在廣泛應用于服務器領域 , 而更大的影響在于 它正逐漸應用于嵌入式設備。最大的優(yōu)勢在于開發(fā)源代碼 , 任何人都可以對源碼進 行修改和剪裁以適應自己特定的應用 , 所以出現了很多種面向嵌入式應用的 Linux, 有RTLinux,UCLinux,還有目前可以支持面向 ARM核的Linux操作系統(tǒng) ARM Linux。 ARM Linux支持多種ARM芯片，帶有大部分通用設備的驅動，比如鍵盤、鼠標、

11、USB 接口等 , 開發(fā)者只需專注于開發(fā)自己系統(tǒng)特定驅動 , 即可使整個系統(tǒng)正常運行 , 大大 縮短了開發(fā)周期 , 降低了開發(fā)的復雜度。2.3 Qt/Embedded 進行應用開發(fā)的流程在一個嵌入式系統(tǒng)上發(fā)布一個 Qt/Embedded應用一般要經過在主機上調試應用 程序，編譯Qt/Embedded庫文件以適應硬件平臺，直到Qt/Embedded應用發(fā)布到設備上并且可靠運行后才算開發(fā)完成。2.4 交叉編譯環(huán)境的介紹與構建 交叉編譯就是在主機平臺上生成目標機器的可執(zhí)行代碼 , 在這里主機就是裝有Linux 操作系統(tǒng)的機器 , 上面安裝有交叉編譯環(huán)境 , 我們在主機上進行應用軟件的開發(fā)和編譯。目標

12、機是經過剪裁了的計算機系統(tǒng)（這里特指ARM平臺）,上面具有引導程序（bootloader）、操作系統(tǒng)內核、根文件系統(tǒng),它們都被燒寫進ARM平臺的 flash 中。目標板與主機通過網線和串口線相連 , 最終在主機上把應用程序編譯成 ARM格式的二進制文件通過網線或串口傳輸到目標板上運行。主機與目標板的連接 圖如圖2所示。開發(fā)環(huán)境構建所需軟件開發(fā)包有：linux內核,linux-2.4.21-crus -1 -4 -3.tar;ARM 交叉編譯器 ,3.3.2.tar;Qt 系列軟件包 ,Qt-embedded -2.3.7.tar,Qt-x11 -2.3.2.tar,Qt-x11 -free -

13、3.1.2.tar;編譯鏈接工具 ,tmake-1.13.tar 等。這些工具均可從網上下載。把這些軟件包解壓安裝 ,在安裝時,應配 置兩套開發(fā)環(huán)境,一種是ARM體系的,另一種是X86體系的,這通過設置con figure 后的參數完成。注意在安裝時要設定環(huán)境變量 , 可通過在 /usr/local/etc 中將環(huán)境 變量寫入文件，這里建立Qte.sh（ARM體系）和Qtx86.sh（X86體系）,在/root/bashrc 文件中設定別名 , 用 source 命令應用這些環(huán)境變量即可。以后直接在終端輸入別名 加載這些環(huán)境變量。在搭建開發(fā)環(huán)境時，為了方便使用，采用寫腳本文件的方式，創(chuàng)建了三個

14、腳本文件，tmake.sh,qt1.sh,qt2.sh這樣就能夠保證，一次寫入的命令多次使用，在使用腳本文件時要使用 source 命令。三、系統(tǒng)設計3.1 設計思路應用跨平臺的Qt圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架設計圖形界面，將實驗箱上 的電位器作為信號輸入器件，電位器的值可以通過AD模塊轉換成數字值，將采集來的電位器值經算法濾波處理后用于電機調速，控制直流電機的運轉方向和運轉速 度，這樣就實現了通過電位器控制電機轉速和方向。電位器處于中間值時，電機停 止不轉，電位器順時針調大時電機順時針旋轉，且速度隨著電位器的旋轉而增加。 電位器向逆時針轉動調小時，電機逆時針旋轉，且速度隨著電位器旋轉的角度增

15、加。電位器轉到最大或最小值時，電機的速度應該達到最高速度。電 位器在中間位置時，電機不應該出現抖動情況。LINUX 操作系統(tǒng)AD轉換圖形顯示電位器S3C2410Qt界面PWM直流電機圖 3.1 系統(tǒng)整體結構圖3.2 系統(tǒng)硬件電路設計對直流電機進行調速和控制，需經過 AD模塊，在linux操作系統(tǒng)中，在電機 中加載AD程序后，掛載到實驗箱程序。電腦通過串口把執(zhí)行的程序命令發(fā)給 S3C44B0X 0處理器，在處理器中通過分析數據。手動調節(jié)AD模塊中電位器后，處理器收到相應信號，并發(fā)命令給電機，使電機的轉動做出相應的調整。復位電路：在系統(tǒng)中，復位電路主要完成系統(tǒng)的上電復位和系統(tǒng)在運行時用戶的按鍵復位

16、 功能。復位電路可由簡單的RC電路構成，也可以使用其他的相對較復雜但功能更 完善的電路。經使用證明RC復位電路復位邏輯是可靠的。工作原理如下：在系統(tǒng)上 電時，通過電阻R1向電容C1充電，當C1兩端的電壓未達到高電平的門限電壓 時，RESETS輸出為高電平，系統(tǒng)處于復位狀態(tài)；當C1兩端的電壓未達到高電平的 門限電壓時，RESET端輸出為低電平，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。如圖7所示。圖3.2系統(tǒng)的復位電路時鐘電路：在S3C2410中的時鐘控制邏輯能夠產生 CPC所需的FCLK時鐘信號、AHB總線外圍設備所需的HCLK寸鐘信號，以及APB總線外圍設備所需的PCLK寸鐘信號。Locked Loops, P

17、LL)，一個用于 FCLK HCLK和 S3C2410有兩個鎖相環(huán)(PhasePCLK另一個專門用于USB模塊(48MHz)。時鐘控制邏輯可以再不需要 PLL的 情況下產生慢速時鐘，并且可以通過軟件來控制時鐘與每個外圍模塊是連接還是斷開，從而降低功耗圖3.3 (a)RTC外部時鐘電路(b)RLL外部時鐘電路5)電機驅動電路:電機驅動電路采用L9110來對電機進行驅動，只要在 L9110的端口 6、7(IA、IB)輸入PWM&號，則在L9110的端口 1、4(0A、0B輸出較大的驅動電流對電機進行驅動。本次設計中采用 TOUT0俞入PWM波, GPB1輸入低電平，兩個輸出引腳構成PWM波，如果需

18、要進行電機的反轉，則使 TOUT(反相，然后是GPB1 俞出高3.3系統(tǒng)軟件設計圖形界面的設計主要應用到 QWidget類、QDial類，QPushButton類、QLabel、QTimer類等。前面幾個類都是圖形設計用到的類，QTimer類是一個與硬 件相關的類，在本設計中沒有采用多另加一個線程的方法，而是通過QTimer類實現對AD值的實時讀取和電機控制，這樣程序設計更簡潔，同時不影響數據的讀取 和PWM的控制。圖形界面和硬件同時工作時應用到定時器類QTimer，它提供當定時器觸發(fā)的時候發(fā)射一個信號的定時器，他提供只觸發(fā)一次的超時事件，QTimer類提供了定時器信號和單觸發(fā)定時器。它在內部

19、使用定時器事件來提供更通用的定時器。QTimer很容易使用：創(chuàng)建一個QTimer，使用start()來開始并且把它的timeout()連接到 適當的槽。當這段時間過去了，它將會發(fā)射timeout()信號。注意當QTimer的父對象被銷毀時，它也會被自動銷毀你也可以使用靜態(tài)的sin gleShot()函數來創(chuàng)建單觸發(fā)定時器。作為一個特殊情況，一旦窗口系統(tǒng)事件隊列中的所有事件都已經被處理完，一 個定時為0的QTimer就會到時間了。這也可以用來當提供迅速的用戶界面時來做 比較繁重的工作。將會被重復調用并且應該很快返回(通常在處理一個數據項之后) ，這樣 Qt 可以把事件傳送給窗口部件并且一旦它完成

20、這個工作就停止 這個定時器。這是在圖形用戶界面應用程序中實現繁重的工作的一個典型方法，現 在多線程可以在越來越多的平臺上使用，并且我們希望無效事件最終被線程替代。QTimer的精確度依賴于底下的操作系統(tǒng)和硬件。絕大多數平臺支持20毫秒的精確度，一些平臺可以提供更高的。如果 Qt 不能傳送定時器觸發(fā)所要求的數量， 它將會默默地拋棄一些。另一個使用QTimer的方法是為你的對象調用QObject:startTimer() 和在你的類中 (當然必須繼承 QObject) 重新實現 QObject:timerEvent() 事件處理器。缺點是 timerEvent() 不支持像單觸發(fā)定時器 或信號那樣

21、的高級水平。一些操作系統(tǒng)限制可能用到的定時器的數量， Qt 會盡力 在限制范圍內工作。啟動電開始機 ,電機加載成電機未加載功啟動界面AD值轉換為NPW參數啟動AD,Y控制電機AD加載成功AD未加載界面顯示圖 3.5 系統(tǒng)軟件流程圖四、測試結果將程序掛載后運行dcm_main.c,手動轉動實驗箱上AD莫塊的電位器k1， 直流電機會做出相應的變動，處理器將電位器轉動對應的電壓值和直流電機轉 動對應的pwm值通過實驗箱的串口發(fā)回到電腦的linux的minicom運行環(huán)境中。 電位器調到其對應的AD值為512時，直流電機停止轉動，當電位器順時針調動時 AD值大于電機正傳且調動越多電機轉速越快，當電位器順時針調動時AD值小于電機反傳且調動越多電機轉速越快，電機速度隨著電位器的旋轉而增加。電位器轉到 最大時，電機的速度達到最高速度。圖4.1系統(tǒng)測試圖五、總結一個學期嵌入式的嵌入