基于ARM嵌入式數(shù)據采集系統(tǒng)的設計

1、嵌入式系統(tǒng)專 業(yè)：電子信息科學與技術班 級： 0311411 學 號： 031141105 同學姓名： 劉光明 基于ARM的嵌入式數(shù)據采集系統(tǒng)一、設計內容1.1設計目的1、留意培育綜合運用所學學問、獨立分析和解決實際問題的力量，培育創(chuàng)新意識和創(chuàng)新力量，并獲得科學爭辯的基礎訓練。2、了解所選擇的ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數(shù)/定時，I/O口，中斷等的相關原理，并鞏固學習嵌入式的相關內容學問。3、通過軟硬件設計實現(xiàn)利用ARM芯片對四周環(huán)境溫度信號的采集及顯示。1.2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、牢靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的

2、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)是面對用戶、面對產品、面對應用的，它必需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，必需結合實際系統(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，這一點就打算了它必定是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的學問集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必需依據應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、牢靠性、成本、體積等要求。所以，假如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

3、的系統(tǒng)，是一個比較好的進展模式。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，需要依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，使得這種擴展能夠格外順當?shù)倪M行。數(shù)據采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(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)據采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現(xiàn)機敏的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據是已被轉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，即隔肯定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據重復采集。采集的數(shù)據大多是瞬時值，也

4、可是某段時間內的一個特征值。精確的數(shù)據量測是數(shù)據采集的基礎。數(shù)據量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，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、牢靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速進展。隨著嵌入式技術的迅猛進展，設計高速度、高效率、低成本、高牢靠性、操作便利的溫度采集系統(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、設計方案2.1設計要求1、查閱相關文獻資料，生疏所選ARM芯片及溫度傳感器2、總體設計方案規(guī)劃3、系統(tǒng)硬件設計，生疏

5、AD轉換原理及過程，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)軟件設計，包括溫度的AD轉換及顯示的軟件實現(xiàn)，用C語言編程5、設計心得體會及總結2.2方案論證有很多客觀需求促進了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格外有掛念的。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、成本較低的存儲器。 ARM 內核不是一個純

6、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 內核的成功，正是由于它沒有在RISC的概念上沉入太深。現(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)性能和功耗。在本系統(tǒng)的設計過程中，依據嵌入式系統(tǒng)的基本設計思想，系統(tǒng)接受了模塊化的設計方法，并且依據系統(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，依據系統(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試，然后全部連接起來統(tǒng)調。三、硬件設計3.1設計思路本設計的基于ARM 的嵌入式數(shù)據采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系

7、統(tǒng)接受“電源部分ARM 核心把握模塊溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴展性和延長性，本系統(tǒng)接受主從CPU協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據的實時采集、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。本設計的基于ARM 的嵌入式數(shù)據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)接受“電源部分ARM 核心把握模塊溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。SD RAM存儲器ARM處理器Flash ROM存儲器LCD顯示器鍵 盤RS-232協(xié)把握器多路溫度傳感器ARM核心把握模塊溫度采集模塊電源電路電源部分圖3-1  系統(tǒng)原理框圖3.2系統(tǒng)電路設計3.2.1 電源

8、電路設計本系統(tǒng)的電源電路由兩部分組成：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核心把握模塊和其余電路部分使用。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而特殊設計，達到了牢靠性電源設計目的。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)接受雙電源供電，供應了系統(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)接受+12V鉛蓄電池供應系統(tǒng)所需的恒定直流電源。圖3-2

9、0; 系統(tǒng)電源電路原理圖如圖3-2：I/O 口供應了相應的穩(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)壓塊而設計的。由于S3C44B0x接受2.5V作為ARM 內核電源，使用3.3V作為I/O 口電壓，故ARM核心把握模塊電源需要另外單獨設計，其電源電路如圖3-2所示。由系統(tǒng)總電源電路供應的+9V穩(wěn)壓電源作為輸入，分別經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 內核和I/O口供應了相應的穩(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)壓塊而設計的。3.2.2溫度采集電路設計

10、溫度采集模塊電路接受AT89S52單片機作為模塊的協(xié)把握器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，由于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；另外，模塊供應RS-232串行口與RAM核心把握模塊通信，達到數(shù)據傳輸?shù)哪康摹囟炔杉K電路原理圖如圖3-3。圖3-3  溫度采集電路原理圖四、軟件設計4.1設計思路本系統(tǒng)軟件設計是

11、在CodeWarrior for ADS開發(fā)環(huán)境下完成的。本溫度數(shù)據采集與顯示裝置的主體由S3C44B0x核心把握模塊和溫度數(shù)據采集模塊構成，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)接受了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。開頭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)據獵取數(shù)據處理數(shù)據顯示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

12、裝置，以使硬件系統(tǒng)可以正常支持溫度數(shù)據采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊與ARM核心把握模塊連接正常，并通過UART復位溫度數(shù)據采集模塊，確保其進入正常溫度數(shù)據采集狀態(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；若沒有鍵值按下，則ARM馬上進行數(shù)據的采集、處理與顯示，以實現(xiàn)實時數(shù)據采集與顯示等功能。 其主程序包括溫度采集程序、ARM獵取溫度子程序、溫度處理和轉換子程序。當ARM 處理器接收到正確的溫度數(shù)據后，馬上進行相應的溫度數(shù)據處理與

13、轉換，變成可被LCD直接顯示的正確溫度值。4.2程序清單溫度處理與轉換子程序如下： /存放讀取到的當前溫度值，未轉換 Static U16 a-temp-now8=8*0 /存放經精度計算后的實際溫度值，高8位整數(shù)部分，低8位小數(shù)部分 static U16 b-temp-now8=8*0; /存放8路轉換后溫度值,分別為百位,十位,個位,小數(shù)位 static U8 temp-convent-all32=32*0; /- /溫度處理與轉換子程序/- void temp-change(void) U8 negtive=0x00;     /存放數(shù)的符號，若為

14、正=0；若為負，=0xff U8 j=0; U8 *pt=temp-convent-all; U16 *p1=a-temp-now; U16 *p3=b-temp-now;U16 temp=0;  for(j=0;j<8;j+)   negative =0x00;  temp=*p1;  /若溫度為負值，進行相應處理  if(temp&0xf80) ！=0)         temp=(temp)+1；/轉為正的原碼      ne

15、gative=0xff； / 同時置符號為0xff   /依據精度消退無關數(shù)據 switch(a-temp-prec) case 0x1f:    /精度為9位,則清除最低3位無效位       temp=temp&0xfff8;break; case 0x3f:    /精度為10位,則清除最低2位無效位       temp=temp&0xfffc;break;case 0x5f: &#

16、160;  /精度為11位,則清除最低1位無效位       temp=temp&0xfffe;break; case 0x7f:    /精度為12位       break;    /換算成實際溫度,并擴大10倍,去掉小數(shù)部分temp=(U16)(float)(temp)*0.625);/折算放入b-temp-now  數(shù)組中/高8位放整數(shù)部分，低8位放小數(shù)部分，最高位放符號位if(negtive= 0xff) /若為負值      *p3=(temp/10)<<8)|(temp%10)|0x8000;  else