基于ARM嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、嵌入式系統(tǒng)專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)： 0311411 學(xué) 號(hào)： 031141105 同學(xué)姓名： 劉光明 基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.1設(shè)計(jì)目的1、留意培育綜合運(yùn)用所學(xué)學(xué)問(wèn)、獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的力量，培育創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新力量，并獲得科學(xué)爭(zhēng)辯的基礎(chǔ)訓(xùn)練。2、了解所選擇的ARM芯片各個(gè)引腳功能，工作方式，計(jì)數(shù)/定時(shí)，I/O口，中斷等的相關(guān)原理，并鞏固學(xué)習(xí)嵌入式的相關(guān)內(nèi)容學(xué)問(wèn)。3、通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用ARM芯片對(duì)四周環(huán)境溫度信號(hào)的采集及顯示。1.2設(shè)計(jì)意義嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、牢靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的

2、專用計(jì)算機(jī)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(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面對(duì)用戶、面對(duì)產(chǎn)品、面對(duì)應(yīng)用的，它必需與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。因此嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必需結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就打算了它必定是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的學(xué)問(wèn)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必需依據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)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(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種需要

3、的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的進(jìn)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要依據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠格外順當(dāng)?shù)倪M(jìn)行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)敏的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)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(shí)間（稱采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，也

4、可是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值。精確的數(shù)據(jù)量測(cè)是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測(cè)方法有接觸式和非接觸式，檢測(cè)元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和測(cè)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(yīng)慢、精度低、牢靠性差、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)的高速進(jìn)展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛進(jìn)展，設(shè)計(jì)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(dāng)務(wù)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(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求1、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，生疏所選ARM芯片及溫度傳感器2、總體設(shè)計(jì)方案規(guī)劃3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，生疏

5、AD轉(zhuǎn)換原理及過(guò)程，溫度傳感器與ARM芯片的硬件接口實(shí)現(xiàn)及溫度顯示。4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括溫度的AD轉(zhuǎn)換及顯示的軟件實(shí)現(xiàn)，用C語(yǔ)言編程5、設(shè)計(jì)心得體會(huì)及總結(jié)2.2方案論證有很多客觀需求促進(jìn)了ARM處理器的設(shè)計(jì)改進(jìn)。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。由于成本問(wèn)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)用是格外有掛念的。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、成本較低的存儲(chǔ)器。 ARM 內(nèi)核不是一個(gè)純

6、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，正是由于它沒(méi)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)性能和功耗。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)接受了模塊化的設(shè)計(jì)方法，并且依據(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，依據(jù)系統(tǒng)的功能層次，在設(shè)計(jì)中把硬件和軟件分成若干功能模塊分別設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后全部連接起來(lái)統(tǒng)調(diào)。三、硬件設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)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(jiàn)，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(shí)現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和延長(zhǎng)性，本系統(tǒng)接受主從CPU協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機(jī)交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(jiàn)，本系統(tǒng)接受“電源部分ARM 核心把握模塊溫度采集模塊”實(shí)現(xiàn)所需功能。SD RAM存儲(chǔ)器ARM處理器Flash ROM存儲(chǔ)器LCD顯示器鍵 盤(pán)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(shè)計(jì)3.2.1 電源

8、電路設(shè)計(jì)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(jīng)電容濾波，分別進(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)，達(dá)到了牢靠性電源設(shè)計(jì)目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時(shí)均應(yīng)在7809和7805上加散熱片散熱。 由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)接受雙電源供電，供應(yīng)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(yīng)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(yīng)了相應(yīng)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(jì)的。由于S3C44B0x接受2.5V作為ARM 內(nèi)核電源，使用3.3V作為I/O 口電壓，故ARM核心把握模塊電源需要另外單獨(dú)設(shè)計(jì)，其電源電路如圖3-2所示。由系統(tǒng)總電源電路供應(yīng)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口供應(yīng)了相應(yīng)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(jì)的。3.2.2溫度采集電路設(shè)計(jì)

10、溫度采集模塊電路接受AT89S52單片機(jī)作為模塊的協(xié)把握器。對(duì)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(zhuǎn)換于同一芯片，輸出直接為數(shù)字信號(hào)，大大提高了電路的效率。由于現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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，模塊供應(yīng)RS-232串行口與RAM核心把握模塊通信，達(dá)到數(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(jì)4.1設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是

11、在CodeWarrior for ADS開(kāi)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核心把握模塊和溫度數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，所以系統(tǒng)軟件也是圍繞這兩個(gè)模塊來(lái)編寫(xiě)的。而又由于系統(tǒng)接受了S3C44Box和AT89S52兩個(gè)CPU協(xié)同工作，所以軟件的編寫(xiě)需要對(duì)這兩個(gè)CPU分別編寫(xiě)，以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。開(kāi)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(pán)初始化掃描鍵盤(pán)有鍵按下處理數(shù)值相應(yīng)顯示數(shù)據(jù)獵取數(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(shí)，S3C44B0x要先進(jìn)行ARM 內(nèi)部的初始化，以使ARM進(jìn)入相應(yīng)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(jù)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(guò)UART復(fù)位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進(jìn)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(pán)，在LCD上顯示相應(yīng)的菜單列表，供用戶通過(guò)鍵盤(pán)選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進(jìn)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(pán)，以快速的響應(yīng)用戶的按鍵操作；若沒(méi)有鍵值按下，則ARM馬上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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獵取溫度子程序、溫度處理和轉(zhuǎn)換子程序。當(dāng)ARM 處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，馬上進(jìn)行相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)處理與

13、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換子程序如下： /存放讀取到的當(dāng)前溫度值，未轉(zhuǎn)換 Static U16 a-temp-now8=8*0 /存放經(jīng)精度計(jì)算后的實(shí)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(zhuǎn)換后溫度值,分別為百位,十位,個(gè)位,小數(shù)位 static U8 temp-convent-all32=32*0; /- /溫度處理與轉(zhuǎn)換子程序/- void temp-change(void) U8 negtive=0x00;     /存放數(shù)的符號(hào)，若為

14、正=0；若為負(fù)，=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(fù)值，進(jìn)行相應(yīng)處理  if(temp&0xf80) ！=0)         temp=(temp)+1；/轉(zhuǎn)為正的原碼      ne

15、gative=0xff； / 同時(shí)置符號(hào)為0xff   /依據(jù)精度消退無(wú)關(guān)數(shù)據(jù) switch(a-temp-prec) case 0x1f:    /精度為9位,則清除最低3位無(wú)效位       temp=temp&0xfff8;break; case 0x3f:    /精度為10位,則清除最低2位無(wú)效位       temp=temp&0xfffc;break;case 0x5f: &#

16、160;  /精度為11位,則清除最低1位無(wú)效位       temp=temp&0xfffe;break; case 0x7f:    /精度為12位       break;    /換算成實(shí)際溫度,并擴(kuò)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(hào)位if(negtive= 0xff) /若為負(fù)值      *p3=(temp/10)<<8)|(temp%10)|0x8000;  else