基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)設計

1、 畢業(yè)設計說明書(論文)作 者： 學 號： 系 部： 專 業(yè)： 題 目：基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)的設計 指導者： 評閱者： 南京工程學院畢業(yè)設計（論文） 摘要溫度的測量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應用，尤其在石油、化工、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中，對溫度的測量和監(jiān)控是非常重要的一個環(huán)節(jié)，溫度參數(shù)是工業(yè)控制中的一項重要的指標。本文主要研究了基于ARM7架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)對于溫度控制的應用，它基于ARM7 內(nèi)核的 LPC2124, 以DS1820采集溫度信號, 通過RWB 溫度變送器和 A/D 轉(zhuǎn)換獲得實際溫度值, 同時通過 LCD 實時顯示; 此溫度控制系統(tǒng)應用于熱電儀, 實際應用表明, 系統(tǒng)穩(wěn)定

2、、可靠, 滿足了熱電儀的溫度控制要求。關(guān)鍵詞：ARM；Proteus；嵌入式系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)Abstract Measurement and control of temperature is widely used in industrial production, especially in the petroleum, chemical, electric power, metallurgy and other industrial fields, measurement and monitoring of the temperature is a very important lin

3、k, the temperature parameter is an important index in industrial control. This paper mainly studies the ARM7 based embedded system for the application of temperature control based on ARM7, which based on the LPC2124 kernel, the DS1820 collecting temperature signal, to obtain the actual temperature v

4、alue through the RWB temperature transmitter and A/D conversion, at the same time through the LCD real time display; This paper introduces the principle, the system implementation process, gives some application circuits. This temperature control system used in the power system, the practical applic

5、ation shows that the system is stable and reliable, meet, the thermoelectric instrument temperature control requirements.Key words： ARM；Proteus；Embedded system；Temperature control system目錄第一章 緒論11.1 引言11.2 選題背景與意義11.3 研究現(xiàn)狀21.4 論文主要研究內(nèi)容31.5 主要章節(jié)安排3第二章 開發(fā)工具的介紹42.1 Proteus的功能42.1.1 Proteus的功能簡述42.1.2 資

6、源豐富52.1.3電路仿真52.2 ADS1.262.2.1 ADS種類62.2.2 軟件組成7第三章 軟硬件介紹83.1 ARM83.1.1 ARM簡介83.1.2 ARM783.2LPC2124處理器93.2.1LPC2124簡介93.2.2 特性93.2.3 結(jié)構(gòu)103.2.4引腳描述113.3硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)113.3.1硬件系統(tǒng)的設計原則113.3.2系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)123.3.3 基本硬件組成12第四章 軟件設計174.1系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)174.2.1測控系統(tǒng)184.2.2顯示數(shù)字功能194.2.3 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集程序功能與實現(xiàn)21第五章 總結(jié)與展望255.1 全文總結(jié)2

7、55.2后續(xù)工作及展望25致謝27參考文獻28附錄29南京工程學院畢業(yè)設計（論文）第一章 緒論1.1 引言 嵌入式系統(tǒng)這幾年被廣泛應用于各種工業(yè)領(lǐng)域、無線通信領(lǐng)域、智能儀表，消費電子等各個領(lǐng)域，離不開微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，它主要用于各種嵌入式應用，以將計算機硬件和軟件相結(jié)合的手段，完成指定的任務和功能。嵌入式系統(tǒng)在系統(tǒng)可分為分為系統(tǒng)級，電路板級，設備級。系統(tǒng)級指的是各種工業(yè)控計算機，板級是指CPU的主板和OEM(原始設備制造商)的產(chǎn)品，最常見的設備是一個單片微機，其后嵌入式應用越來越廣泛，很多半導體廠商致力于研發(fā)嵌入式微處理器，并有出現(xiàn)許多支撐嵌入式應用的嵌入式操作系統(tǒng)。一般由于某一領(lǐng)域有著特

8、殊要求，嵌入式系統(tǒng)必須做出相應的調(diào)整，不僅要求產(chǎn)品體積夠小，能夠?qū)崟r掌握現(xiàn)場情況，系統(tǒng)在任何工作環(huán)境中都能出色的完成任務，又要求產(chǎn)品具有令人滿意成本和效益。因此，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，如何選擇特定的應用的嵌入式處理器，并且嵌入式操作系統(tǒng)該如何匹配是十分重要的。 溫度控制系統(tǒng)的最大特點是過程控制, 跟其它控制系統(tǒng)的不同是溫度控制系統(tǒng)有其獨特的特性。比如，該系統(tǒng)是由機械和機電為對象，以微分方程求解線性定長參數(shù)的動態(tài)問題，這種情況是但是用一樣的手段來解決溫度過程中的問題不會得到較好的結(jié)果，這是由于場下是不容易產(chǎn)生較大的誤差。熱能的傳送形式, 所以它具備直觀的非線性、時變性、分布性以及時間滯后的特性。如果

9、你使用分析的方法來建模，其結(jié)果通常是非常復雜的，或在對模型進行簡化中，失去一些些最重要的因素, 使得模型跟對象很難一致。對此，對溫度系統(tǒng)的建模, 通常使用的是實證模型，或理論分析與實證研究。本文對溫度控制系統(tǒng)進行了研究，并闡述了優(yōu)化的PID控制算法，利用微處理器LPC2124，具有ARM7內(nèi)核，通過傳感器DS1820溫度信號的采集，在自整定實現(xiàn)實時控制系統(tǒng)最有效的參數(shù)，準確地控制所需的溫度。系統(tǒng)由電加熱器、控制器和溫度傳感器及變換器三部分組成，形成閉環(huán)控制回路。在自整定實現(xiàn)實時控制系統(tǒng)最有效的參數(shù)，準確地控制所需的溫度。1.2 選題背景與意義近年來，在生產(chǎn)、生活中的各種應用的出現(xiàn)，增加了微電子

10、技術(shù)和嵌入式技術(shù)的需要，同時也促進了自動控制理論，不斷發(fā)展，尤其是工業(yè)控制對象特定的工業(yè)控制器，測量和控制系統(tǒng)的設計進入了一個新的領(lǐng)域。對溫度的測量和控制具有重要的意義，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中，在石油，化工，冶金，電力行業(yè)這樣的一個重要的工業(yè)領(lǐng)域。熱處理爐，熔融金屬的坩堝爐，以及各種反應器工業(yè)中非常普遍，許多行業(yè)需要大量的加熱裝置，因此，溫度在有關(guān)溫度的控制中就成為了非常敏感的參數(shù)。由于類型，目的，方式的不同，不同的加熱方法也是不一樣的，比如用石油提煉氣體、汽油，發(fā)電廠發(fā)電的方式等等，但它用來控制的系統(tǒng)是不斷變化的，基本上屬于非實時性的。因為溫度在各種熔煉生產(chǎn)中非常常見，它也屬于最重要的的控制因素

11、之一，所以對關(guān)于溫度的測量和控制的技術(shù)和開發(fā)具備巨大的實際利用價值和應用前景。尤其是在許多工業(yè)場合中，產(chǎn)品的質(zhì)量、設備運行的安全性和經(jīng)濟性直接受溫度的影響，例如對電廠鍋爐的蒸汽溫度進行控制，整個過程都需要嚴格的控制和測量。通常過熱器使用在大于10低于20下的環(huán)境中，它的使用年限會大大減少，嚴重影設備安全使用，對生產(chǎn)和人員造成非常大的潛在危害。太低的過熱蒸汽溫度，會降低設備的運轉(zhuǎn)效率。倘若汽輪機最后幾級蒸汽濕度增加，就會造成汽輪機葉片磨損，一般情況下汽溫每降低10，循環(huán)熱效率就會降低約0.5。1.3 研究現(xiàn)狀借助于越來越先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)又迎來了第二次革新時代，最初的只

12、有低端應用，現(xiàn)在是各種高端和低端應用同時流行，而且對要求及較低的嵌入式系統(tǒng)也不停的發(fā)展，這幾年32位MCU的出現(xiàn)也是新興的產(chǎn)品。目前電流控制方案是基于傳統(tǒng)的PLC和單片機控制，可滿足大多數(shù)用戶的需要。PLC在大多數(shù)情況下用于簡單工程跟很少重復的工程，其缺點是不夠靈活，而且占用空間，代價較高，若想增加功能需要較多的額外組件；而單片機主要出現(xiàn)在小型設備的控制中，特別是用于控制專業(yè)電子設備，其優(yōu)點是花費少，耗能低，運行速度快，其缺點是諸如程序只能在最初使用時裝入，未來不能由用戶修改，外圍設備的控制的能力和抗干擾能力都比較低。為了適應信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代化的發(fā)展，新的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，本文采用32位A

13、RM7嵌入式LPC2124 ATMEL微控制器實現(xiàn)溫度控制，它具有良好的可擴展性，可靠性高，精度高，測量和多任務實時調(diào)度控制，響應速度快，體積小等優(yōu)良特性，在實際應用中已成為用戶的首選。1.4 論文主要研究內(nèi)容該本論文涉及的理論基礎，嵌入式ARM的溫度控制系統(tǒng)的硬件接口功能，C語言函數(shù)，按照順序，主要包括了以下幾個方面：一方面我們在ARM7，理論基礎，系統(tǒng)的組成，分類、應用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀進行了綜述，分析了研究的難點，并探討學習遇到的困難。接著，我們對本設計中用到的ARM7的各個接口功能作了介紹，對于多余的接口可以適當?shù)脑黾酉到y(tǒng)功能，使設計更加完善。另一方面，本設計完全在proteus軟件中進行

14、仿真，對Proteus也進行了詳盡的介紹。程序的編輯、編譯用到了ADS1.2，對ADS1.2的種類和軟件組成作了簡單的介紹。最后，就全文的成果加以總結(jié)，討論了添加液晶顯示屏以使系統(tǒng)具有良好的人機交互界面的必要及對進一步研究的展望。1.5 主要章節(jié)安排首先介紹了課題研究的背景和對實際生產(chǎn)生活的意義。第一章總體的介紹設計的內(nèi)容。第二章主要介紹了ARM的結(jié)構(gòu)，描述了Proteus軟件應用，介紹了ADS1.2。第三章專門分析了硬件設計所需要注意的問題，選擇什么處理器和溫度傳感器。第四章主要闡述軟件的設計，每個功能的實現(xiàn)都對應一段程序代碼。第五章給出了綜合測試的結(jié)果，對發(fā)現(xiàn)的問題進行討論并提出解決辦法。

15、最后給出結(jié)論，并對課題未來的發(fā)展做出合理的展望。第 39 頁 共 43 頁第二章 開發(fā)工具的介紹2.1 Proteus的功能Proteus用用軟件是英國的一個實驗室中心研發(fā)的EDA軟件工具（廣州風標電子技術(shù)有限公司代理該軟件在中國的使用權(quán)）。它應用豐富，不但擁有別的同樣軟件的功能，還能夠?qū)纹瑱C進行仿真，模擬外接模塊。在單片機的教學試驗中已經(jīng)成為首選。軟件如圖2.1所示 圖2.1 Proteus軟件圖2.1.1 Proteus的功能簡述 Proteus軟件具備常用的EDA（如：MULTISIM）的功能。這些功能是： 1原理布圖 2PCB自動或人工布線 3SPICE電路仿真 革命性的特點1互動的

16、電路仿真 比如隨機存儲寄存器，只讀存儲器，鍵盤，引擎，LED，LCD，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)化，一些SPI元件，個別IIC元件的模塊， 用戶也可以實時采用。2仿真處理器及其外圍電路 仿真主流芯片，如51系列，AVR單片機，PI，ARM芯片等。1也可以直接在基于虛擬樣機原理圖設計，再加上顯示輸出，看到運行后輸入輸出的影響。2.1.2 資源豐富1Proteus仿真組件可以提供資源：數(shù)字和模擬仿真、AC和DC，成千上萬的成分，有30多個元件庫。2Proteus仿真組件包含許多顯示模塊：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上相同的

17、儀器可以在一個電路中任意調(diào)用。3除了在生產(chǎn)生活已經(jīng)應用的一起，Proteus格外增加了一個顯示圖像的功能，能夠?qū)€路上信號的改變給予實時的顯示，示波器也具有此功能，但Proteus功能更多。1這些仿真的模塊能設置合格的參數(shù)指標，如輸入阻抗和輸出阻抗都非常低。這些都盡量減少了儀器質(zhì)量對測量結(jié)果的影響。4Proteus具有更加全面的測試信號，用于測試電路。測試信號包含模擬和數(shù)字信號。2.1.3電路仿真用PROTEUS搭建模型，完成后導入用ADS1.2編輯編譯成功的目標程序：*.HEX，就能夠在PROTEUS中看到與實物完全相同的運行效果。PROTEUS 是一種先進的單片機課堂教學助理。PROTEU

18、S能夠模擬單片機的功能，而且更具有形象化，還能模擬單片機做的實例。前者可在相當程度上物理演示實驗的效果，后者的效果是很難通過實物演示實驗達到的。它的優(yōu)點之一是與組件、線路等跟原始的單片機實驗硬件兼容。課程設計、畢業(yè)設計的完成是學生將理論轉(zhuǎn)化為實踐的重要環(huán)節(jié)，也是成功就業(yè)的前提。因為各種種類繁多的組件一般實驗室不可能完全擁有的，但PROTEUS擁有所有的元器件模塊，還能更具目的方便的修改電路設計，隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它能夠靈活的設計模塊，而在設計過程中能隨時查看結(jié)果。能夠把設計時間大大縮短，成本最大化的減少，也降低了工程制造的風險。我相信，PR

19、OTEUS在單片機開發(fā)應用中也會被越來越多的應用。目前最新版本的Proteus8.0增加了ARM cortex處理器，而在7.10版本中只增加了DSP系列（TMS320）。2.2 ADS1.2 2.2.1 ADS種類ADS包括三種調(diào)試器： 1.AXD（擴展調(diào)試器）：ARM調(diào)試器 2.armsd（ARM符號調(diào)試器）：ARM 符號調(diào)試器。3.ARM調(diào)試工具中與常用操作系統(tǒng)如Windows或Unix版本兼容的，ADW/ADU（Application Debugger Windows/Unix） 2.2.2 軟件組成1.編譯器：ADS具備各種編譯器，用來處理ARM和Thumb的指令。Armcc屬于AR

20、M C編譯器Tcc屬于Thumb C編譯器Armcpp屬于ARM C+編譯器Tcpp屬于Thumb和C+共有的編譯器Armasm屬于ARM和Thumb共有的匯編器2.鏈接器：armlink是ARM的鏈接器。該命令能夠?qū)θ我鈹?shù)量的目標文件進行編譯和任意數(shù)量數(shù)據(jù)庫文件的鏈接關(guān)系，然后得到可執(zhí)行的文件，還能是眾多目標文件指向的目標文件的局部。33.符號調(diào)試器：armsd是ARM跟Thumb共有的符號調(diào)試器。4.fromELF：當需要將輸出文件轉(zhuǎn)換為特定格式的時，把原始格式的文件轉(zhuǎn)換成相應的格式，支持的文件包含Motorola 32位S格式映像文件、bin格式的映像文件、Verilog十六進制文件和I

21、ntel 32位格式映像文件。5.armar：armar函數(shù)生成器只存在ARM庫中，它是一個收集一系列的ELF格式的目標文件的庫函數(shù)形式。用戶能后使用以庫傳遞方式的鏈接器替代多個ELF文件。6.CodeWarrior：CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境（IDE）用一個簡單的圖形用戶界面為多元化經(jīng)營和發(fā)展項目提供了巨大方便，用戶開發(fā)程序代碼時。7.調(diào)試器：ADS中含有3個調(diào)試器：包含AXD，ARM獨有的擴展調(diào)試器；第二個是armsd，它是ARM符號調(diào)試器；第三個與舊版本的操作系統(tǒng)下的ARM調(diào)試工具兼容。8.C和C+庫：ADS包含有關(guān)ANSI C庫函數(shù)跟C+庫函數(shù)，能夠編譯C和C+代碼。用戶可以添

22、加C庫的應用程序中的一部分，與目標相關(guān)的功能都能通過代碼實現(xiàn)。第3章 軟硬件介紹3.1 ARM3.1.1 ARM簡介ARM是一個知識產(chǎn)權(quán)（IP）的供應商，其最顯著的特點是不同于其他芯片的制造和銷售公司，它僅僅轉(zhuǎn)讓設計方案。ARM公司利用這種雙贏的伙伴關(guān)系迅速成為了全球性RIRC微處理器標準的締造者。這種方法也給使用者帶來了極大的利益，原因是使用者只要熟悉了一種ARM內(nèi)核的節(jié)后及其開發(fā)工具的原理，就可以使用相同的不同公司研發(fā)的ARM核芯片。 當前，世界上100多家公司與ARM公司達成了商用技術(shù)使用許可協(xié)議，其中有因特爾、IBM、LG、NEC、SONY、NXP、和NS此業(yè)內(nèi)大企業(yè)。至于開發(fā)軟件系統(tǒng)

23、的合伙人，包括了Microsoft、升陽和MRI等一系列知名的公司。ARM架構(gòu)的處理器是ARM公司同類產(chǎn)品的成本最低的，而且已經(jīng)成功商用。它具有性價比高、罕見的高代碼密度，和良好的實時中斷響應，以及低功耗，并且芯片面積盡可能小，使它成為首選的嵌入式系統(tǒng)。4ARM架構(gòu)被越來越多的使用，比如移動電話、個人數(shù)字終端、MP3、MP4與形態(tài)各異的娛樂電子產(chǎn)品。2004年12億片ARM處理器被ARM公司的合作伙伴生產(chǎn)出來，應用到各種生活生產(chǎn)中。3.1.2 ARM7ARM公司在1995年設計研發(fā)了首個ARM7TDMI處理器內(nèi)核，現(xiàn)在是世界上使用最為廣泛的一款內(nèi)核。ARM7系列種類繁多，主要包括ARM7TDM

24、I型號、ARM7TDMI-S型號、擁有高速緩存處理器宏單元的ARM720T以及擴充了JAZELLE的ARM7EJ-S。由于該類型的處理器集成了Thumb 16位簡易指令集跟基于Embedded ICE JTAG的軟件調(diào)試方式，在許多大應用的SoC設計中能顯示出其優(yōu)越的特性。同時對ARM720T高速緩存處理宏單元進行了強化，不僅增加了8KB的緩存、讀緩沖，還設置了具有高性能的內(nèi)存管理處理器，還支持Linux和Windows CE等操作系統(tǒng)。3.2LPC2124處理器3.2.1LPC2124簡介LPC2124微控制器是建立在能夠?qū)崟r仿真與跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU上的，其高速片

25、內(nèi)Flash存儲器包含0KB、128KB和256KB三種大小，加速結(jié)構(gòu)的存儲器接口芯片擁有128位寬度，獨特的32位程序可以運行在最大時鐘速率下。16位Thumb模式能夠降低程序大小至30%，多用于對程序大小有嚴格要求的應用，其代價只是損失非常小的性能。LPC2124擁有64和144腳封裝兩種型號，因此它在同類芯片中耗能最低，還配備了4路10位ADC（64腳和144腳封裝），32位定時器跟9個外部中斷，因此在工業(yè)應用、醫(yī)療設備、訪問控制和個人使用終端機中具有廣泛的應用。53.2.2 特性1、32位64/144腳ARM7TDMI-S微控制器。2、16KB靜態(tài)RAM。3、 片上Flash程序存儲器

26、分為0KB、128KB、256KB三種大小。128位寬度接口/加速器的操作頻率高達60MHz。4、外部8、16或32位總線。（144腳封裝）5、通過外部存儲器接口可以分配的內(nèi)存為4組，每組的容量最高位16MB。6、在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用中編程（IAP）能夠用片內(nèi)Boot轉(zhuǎn)載程序?qū)崿F(xiàn)。1ms的Flash編程時間可編程512字節(jié)，而400ms之內(nèi)就能實現(xiàn)扇區(qū)擦除或整片擦除。7、當需要將Boot裝載的應用程序裝入設備的RAM中時，可以用UART0進行裝載，同時能夠使其之在RAM中運行。8、嵌入式跟蹤宏單元（ETM）的功能是對能夠無干擾的高速實時跟蹤進行中的執(zhí)行代碼。9、4路的64腳封裝與8路的

27、144腳封裝，其10位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可低以減少到2.44ms。10、2個32位定時器，分為帶4路捕獲和4路比較通道、PWM單元（6路輸出）、實時時鐘及看門狗。3.2.3 結(jié)構(gòu) 在圖3.1中所示的LPC2124圖中，它由ARM7TDMI-S為CPU仿真功能，ARM的本地總線和內(nèi)存控制器接口，用于與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線。AHB外設設立了了2MB的地址空間，分布在4GBARM內(nèi)存地址的最頂端。16KB的空間大小是每個AHB外設都具有的。LPC2124外圍功能（除了中斷控制器）全部與VPB總線相連。VPB總線與AHB總線的連接需要用AHB與VPB的橋連接起來。VPB外設也擁有

28、2MB的空間大小，它的空間從3.5GB地址點開始分配。6引腳連接模塊用于控制連接片內(nèi)外設與器件引腳，軟件能夠經(jīng)由控制引腳連接的模塊使得引腳連接特定的片內(nèi)外圍設備。 圖 3.1 LPC2124方框圖3.2.4引腳描述LPC2124的引腳分布如圖3.2所示。 圖3.2 LPC212464腳封裝3.3硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)3.3.1硬件系統(tǒng)的設計原硬件系統(tǒng)設計中必須遵循以下原則：(1)穩(wěn)定性和可靠性：大多數(shù)工業(yè)實施環(huán)境都非常具有挑戰(zhàn)性，由于模擬量參數(shù)處理的好壞對系統(tǒng)的技術(shù)指標有直接的影響，它必須是每個環(huán)境給予充分的考慮，采取有效的抗干擾措施，使用正確的組件的類型和參數(shù)，以避免串擾和誤差積累。每個部分的設

29、計都要最大化的使硬件電路簡單，選擇較高集成度的組件，讓系統(tǒng)具備良好的抗干擾性能和優(yōu)越的穩(wěn)定性和可靠性。(2)速度與精度：在誤差允許極限值內(nèi)，根據(jù)相應的規(guī)則所需的各個部分的最大誤差，在系統(tǒng)設計過程中，根據(jù)使用的位數(shù)更高的轉(zhuǎn)換芯片來提高轉(zhuǎn)換精度，選定最終的電路結(jié)構(gòu)。(3)功耗以及數(shù)據(jù)存儲：LPC2124最顯著的特征之一是本身擁有非常低的能耗，VDDCORE工作電流為僅304mA，待機模式下工作電流僅為31mA，它的低速的時鐘操作模式和軟件功耗優(yōu)化能力兩大優(yōu)點，使它十分適應對能耗敏感的場合。采用低功耗器件和貼片封裝元器件，可有效降低功耗，減小PCB面積，提高電路本身的抗干擾性能。考慮到數(shù)據(jù)的存儲大小

30、和安全保障，系統(tǒng)采用的是用32M的NandFlash作為數(shù)據(jù)跟程序存儲區(qū)，以確保高容量的數(shù)據(jù)存儲。73.3.2系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3.3所示 圖3.3 系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要分為以下模塊：(1)CPU核心模塊：通常由CPU和外圍設備構(gòu)成，是主要的控制電路系統(tǒng)。CPU采用的是ATMEL公司研發(fā)設計的ARM7，能夠?qū)?shù)據(jù)進行處理、存儲、通訊等一系列的操作。(2)模擬電路：主要包含信號處理電路跟信號輸出電路兩個模塊。信號處理電路主要完成模擬量輸入信號的放大和濾波，從而獲得在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入范圍之內(nèi)的數(shù)值。信號輸出電路通過把經(jīng)過算法修改后的數(shù)字量變?yōu)閷哪M信號進行導出，完成對被

31、控目標的控制。(3)存儲模塊：一班由NorFlash、SDRAM、NandFlash三部分構(gòu)成。其中，NorFlash用于啟動程序和系統(tǒng)內(nèi)核的存儲系統(tǒng)；SDRAM作為操作系統(tǒng)跟應用程序的工作空間；NANDFlash用來保存采集的數(shù)據(jù)跟應用程序。3.3.3 基本硬件組成1、 時鐘電路如圖3.4所示，LPC2124芯片的振蕩器的主要器件是一個反相放大器，從XTAL1端輸入，從XTAL2端輸出，電路時鐘能夠由內(nèi)部設備或者外接設備產(chǎn)生，從XTAL1和XTAL2引腳上連接某個定時器件，其內(nèi)置的振蕩電路就能產(chǎn)生相應的自激振蕩。該系統(tǒng)的并聯(lián)諧振電路采用石英晶體和電容器。電路的晶振頻率選擇的是11.0592M

32、HZ，電容器C1、C2的電容均取值30pF，電容的大小可頻率進行微調(diào)。 圖3.4 時鐘電路2、 鍵盤輸入電路如圖3.5所示，在本系統(tǒng)中，采用獨立式鍵盤。此鍵盤用來設定控制系統(tǒng)所需值，這樣可以跟系統(tǒng)的實驗值進行比較，計算誤差和系統(tǒng)誤差。第一個按鍵的功能是加1，第二個按鍵的功能是減1。 圖3.5 鍵盤輸入電路3、 顯示電路顯示電路采用的是LCD功能組件（LM016L），用來顯示溫度測量值跟設定值。顯示電路如圖3.6所示。 圖3.6 顯示電路4、 溫度控制電路本系統(tǒng)中控制核心電路（控制加熱絲加熱電路）采用由過零檢測晶閘管觸發(fā)器件MOC3061組成的觸發(fā)電路，次器件專門用于設計雙向晶閘管觸發(fā)器。LED

33、工作時發(fā)射紅外線，如果同時過零電路檢測到輸出端的工作電壓大于零，光控雙向晶閘管觸發(fā)導通，否則管斷。圖3.7所示為MOC3061組成的觸發(fā)電路。8 圖3.7 MOC3061組成的觸發(fā)電路5、 傳感器模 本設計采用的是DS1820傳感器，如圖3.8所示。剛研發(fā)的“一線器件”的特征是更加小巧，能在各種電壓下工作，成本更低。DS1820由DALLAS半導體公司研發(fā)，是數(shù)字化的溫度傳感器，這是全球首個能夠“一線總線”的溫度傳感器?！耙痪€總線”具有特別而且便宜的特點，使得用戶能夠方便快捷地搭建一個傳感器網(wǎng)絡，從而誕生了一個新的概念測量系統(tǒng)的構(gòu)建。 經(jīng)過“一線總線”的最開始的發(fā)展后，用于溫度傳感的技術(shù)因DS

34、1820有了卓越的發(fā)展。 圖3.8 DS1820結(jié)構(gòu)框圖DS1820盡管能夠方便測，測量的溫度也很精確，連接到其他器件上也很方便，需要的連接口線少，但仍然存在以下需要注意的問題：(1) 硬件較小的開銷決定了軟件必不可少的復雜，因為DS1820與CPU傳遞信息使用的是串行方式，所以，讀去與寫入DS1820的代碼時尤其要確保讀寫時序的正確，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在設計系統(tǒng)程序時，多用PL/M、C語言等高級語言，但由于匯編語言最接近硬件層面，最適合編寫系統(tǒng)的操作部分。 (2)在介紹DS1820的材料中沒有說到的單總線上能夠掛多少個DS1820，因此很多人認為能夠掛多個DS1820，但與實際應用中的

35、情況大相徑庭。9(3)通常對連接到DS1820的總線數(shù)量有嚴格要求。在實踐中，如果選用常用信號電纜進行大于50米距離的傳輸時，將讀取錯誤的測溫數(shù)據(jù)。若想將一般通訊距離增加到150m，可使用雙絞線加屏蔽的電纜代替總線電纜，若想進行更遠距離的正常通訊，可以使用抗干擾能力更強的雙絞線帶屏蔽電纜。這種現(xiàn)象多是因為總線分布電容導致信號波形發(fā)生變形。所以，在用DS1820進行遠距離測溫時，總線分布電容跟阻抗匹配的問題必須給予充分考慮。(4)在使用DS1820溫度傳感器時，當DS1820執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換命令，系統(tǒng)就立即開始等待DS1820的返回信號，如果DS1820接觸不良或是斷線，當系統(tǒng)用到該DS1820時，

36、是無法讀取返回信號的，程序就無法執(zhí)行下去。這個問題是使用DS182進行0硬件連接跟程序設計時必須要重視的。 第四章 軟件設計4.1系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)周期采集AD通道中的模擬量是一個重要的環(huán)節(jié)，它包含在溫度控制系統(tǒng)應用程序設計的主要過程中以及計算機控制系統(tǒng)的主要流程中，通過比較采樣值與給定量，它們的差值由控制算法進行數(shù)據(jù)處理，處理后再經(jīng)過數(shù)模變換將數(shù)字信號變?yōu)槟M控制信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。圖4.1顯示的是計算機控制系統(tǒng)基本框圖。10 圖4.1 計算機控制系統(tǒng)基本框圖當前，在計算機控制系統(tǒng)中最常見的控制算法有三種，分別是模糊控制，PID控制，神經(jīng)網(wǎng)絡算法等。傳統(tǒng)的PID控制

37、廣泛地應用于工業(yè)過程控制，并過調(diào)整PID控制器的參數(shù)k、Ki、，取得了良好的效果，使其適應了各種不同的對象；近年來通過模仿人的思維而獲得長足發(fā)展的模糊控制能夠?qū)σ恍碗s系統(tǒng)以及很難建立數(shù)學模型的系統(tǒng)現(xiàn)實了簡單而有效的控制；而另一種神經(jīng)網(wǎng)絡算法是通過模擬圖像的直覺思維的一種算法，具有很強的適應性，可以實現(xiàn)在類型分類和辨識非線性對象方面的功能的完善。根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的特點，畢業(yè)設計的溫度控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：(I)遠程手動自動模式轉(zhuǎn)換功能；(2) 歸檔AD和DA的數(shù)據(jù)，超過上下限發(fā)出報警指示。4.2主要功能的實現(xiàn)4.2.1測控系統(tǒng) 主程序流程圖如圖4.2所示 模糊控制 開始 輸出清零 開始

38、顯示字符 目標板初始化 控制I/O方向 引腳功能配置 圖4.2 主程序流程圖4.2.2顯示數(shù)字功能子程序流程圖如圖4.3所示 i > 0 開始 i = 5 假真 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，取出最低位 去掉最低位 i - 1 i = 0 數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)組 指定位置顯示數(shù)字 開始 圖4.3 顯示數(shù)字子程序流程圖函數(shù)關(guān)鍵部分實現(xiàn)如下：11void ShowInt(uint8 addr,uint16 num)/在addr處顯示數(shù)字num/將num轉(zhuǎn)化成5個BCD碼存放在全局數(shù)組BCD5中 uint8 i; for(i=5;i>0;i-) /將NUM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ASCII碼,如521會轉(zhuǎn)化為00521 BCDi

39、-1=(uint8)(num%10+0x30); /取出最低位 num/=10; /去掉最低位 i=0;while(BCDi =0x30 && i<4) BCDi+=' ' /NUM轉(zhuǎn)換成數(shù)組存放,沒有加 上小數(shù)點BCD5='0'DisText(addr,BCD);4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集程序功能與實現(xiàn)子程序流程圖如圖4.4所示 開始 A/D模塊設置延時 讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 設置通道1進行第一次轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 再次啟動轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果提取A/D轉(zhuǎn)換值 數(shù)值轉(zhuǎn)換 返回 圖4.4 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖函數(shù)關(guān)鍵部分實

40、現(xiàn)如下：12uint32 AD_Convert(void) uint32 data; / 進行ADC模塊設置，其中x<<n表示第n位設置為x(若x超過一位，則向高位順延) ADCR = (1 << 0) |/ SEL = 1 ，選擇通道0 (Fpclk / 1000000 - 1) << 8) | / CLKDIV = Fpclk / 1000000 - 1 ，即轉(zhuǎn)換時鐘為1MHz (0 << 16) | / BURST = 0 ，軟件控制轉(zhuǎn)換操作 (0 << 17) | / CLKS = 0 ，使用11clock轉(zhuǎn)換 (1 <

41、< 21) | / PDN = 1 ， 正常工作模式(非掉電轉(zhuǎn)換模式) (0 << 22) | / TEST1:0 = 00 ，正常工作模式(非測試模式) (1 << 24) | / START = 1 ，直接啟動ADC轉(zhuǎn)換 (0 << 27);/ EDGE = 0 (CAP/MAT引腳下降沿觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換) delay(10); ADC_Data = ADDR;/ 讀取ADC結(jié)果，并清除DONE標志位 while(1) ADCR = (ADCR&0x00FFFF00)|0x01|(1 << 24);/ 設置通道1，并進行第一 次轉(zhuǎn)

42、換 while( (ADDR&0x80000000)=0 ); / 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 ADCR = ADCR | (1 << 24);/ 再次啟運轉(zhuǎn)換 while( (ADDR&0x80000000)=0 ); / 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 ADC_Data = ADDR;/ 讀取ADC結(jié)果 ADC_Data = (ADC_Data>>6) & 0x3FF; / 提取AD轉(zhuǎn)換值 ADC_Data = ADC_Data * 100/1024; / 數(shù)值轉(zhuǎn)換 data=ADC_Data; return(data); 4.3運行結(jié)果說明 1、系統(tǒng)剛開始設定的溫度是26

43、，如圖4.513 圖4.5 系統(tǒng)開始運行狀態(tài)2、系統(tǒng)開啟風扇降溫時20，如圖4.6所示 圖4.6 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖 第5章 總結(jié)與展望5.1 全文總結(jié)本設計的任務是設計一種溫度控制系統(tǒng)，究其實質(zhì)是一個嵌入式系統(tǒng)的應用。通過對溫度控制系統(tǒng)中的應用方案，現(xiàn)階段在工業(yè)領(lǐng)域以及國內(nèi)現(xiàn)狀，外嵌入式開發(fā)的使用場合，結(jié)構(gòu)和各種嵌入式處理器的性能比較，最終選擇了基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)。ATMEL公司工業(yè)級的32位高性能處理器AT91RM9200融合了ARM920T型ARM內(nèi)核，主頻達到了180MHz，配備了16KB的數(shù)據(jù)緩存空間和16KB的指令緩存空間，是一種耗能低、成本地、性能高的微控制器。本文在采用嵌入

44、式操作系統(tǒng)和嵌入式處理器的基礎上設計了基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)，硬件部分主要在選用AT91RM9200的基礎上，設計了模擬電路模塊，存儲模塊以及通訊模塊四個部分，模擬電路模塊主要包括信號處理電路和信號輸出電路，存儲模塊主要由4MB的NorFlash、32MB的SDRAM和64MB的NandFlash三部分組成。軟件部分由main(主程序)、ad(AD數(shù)據(jù)采集)、da(DA數(shù)據(jù)接收)組成，主要完成采集AD通道數(shù)據(jù)等任務。子程序異常退出或者中途終止時主程序可以及時重啟子進程。經(jīng)過測試，程序基本達到了所需功能，程序運行安全可靠。145.2后續(xù)工作及展望在本設計中仍有很多需要完善的地方： 1.系

45、統(tǒng)沒有使用人機界面(HMI)，只是采用服務器客戶端的方式進行數(shù)據(jù)間通訊。完善的系統(tǒng)需要添加液晶顯示界面，構(gòu)建可視化菜單，使系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，方便操作員實時的監(jiān)視和操作。 2.程序編寫方面，是在傳輸性能較好的局域網(wǎng)下設計的，沒有針對惡劣的網(wǎng)絡環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸進行改善。在以后的工作中，需要針對網(wǎng)絡進行容錯處理和丟包處理，確保數(shù)據(jù)的準確性；并針對工藝流程完善遠程手動自動功能，確保工藝控制的最優(yōu)化。要做出優(yōu)秀的設計方案，需要清楚的認識用戶要求的每一個方面，根據(jù)用戶的要求選擇系統(tǒng)硬件外設跟編寫相應的程序，還要精簡程序，使軟件能夠完成大部分系統(tǒng)功能。借助于迅速發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)，嵌入式產(chǎn)品迎來了美好的

46、發(fā)展前進和機遇，在不久的將來，將有越來越多的產(chǎn)業(yè)、越來越復雜的應用需要嵌入式設備，使嵌入式產(chǎn)品得到長足的發(fā)展。 致謝本畢業(yè)設計是在我的導師袁璟導師的精心指導和悉心關(guān)懷下完成的，在我的學業(yè)和設計的指導工作中無不傾注著導師辛勤的汗水和心血。導師的嚴謹治學態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻精神使我深受的啟迪。從尊敬的導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意。在我的論文撰寫過程中，柏大陸、張康周、劉振燚等提出了寶貴意見和建議，向他們表示深深的感謝。在多年的學習生活中，還得到了許多學院領(lǐng)導、系領(lǐng)導和老師的熱情關(guān)心和幫助。我也要感謝我的父母和

47、親人，他們在我的學業(yè)中給了我莫大的鼓勵、關(guān)愛和支持。最后，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導、老師、同學和朋友表示由衷的謝意！衷心地感謝在百忙之中評閱我的論文和參加答辯的各位老師！ 參考文獻1周潤景，袁偉婷，景曉松.Proteus在MCS-51&ARM7系統(tǒng)中的應用百例M北京電子工業(yè)出版社20062周立功等ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程M北京北京航空航天大學出版社20083孫秋野等ARM嵌入式開發(fā)典型模塊M北京人民郵電出版社20074田澤等嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用教程M北京一北京航空航天大學出版社20055李伯成等嵌入式系統(tǒng)可靠性設計M北京電子工業(yè)出版社200616Texas Instruments，i

48、ncorporatedMADS7842Data Sheet20027金成植編譯程序構(gòu)造原理和實現(xiàn)技術(shù)M高等教育出版社200078馬忠梅ARM嵌入式處理器與應用基礎M北京一航空航天出版社20029張綺文等ARM嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設計精講M北京電子工業(yè)出版社200610李劍，趙鵬程等32位ARM嵌入式微處理器的調(diào)試技術(shù)M電子技術(shù)應用20012311姚放吾嵌入式系統(tǒng)的軟件硬件協(xié)同設計微計算機信M息20011012Jack GanssleInCircuit EmulatorEmbedded Systems ProgrammingM200113ARMLimitedReal timedebugforSystemOn·ChipDeviceM199882414(美)QingLi等嵌入式系統(tǒng)的實時概念M北京北京航空航天出版社。2004 附錄源程序清單：/* File: main.c* 功能：向LCD輸出計數(shù)值*/#include "config.h"#define rs (1<<9)#define rw (1<<10)#define en (1<<11)#define busy (1<<7)#define ke 2#define kec 2