基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓名：陳文博申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：王華強(qiáng)20071201基于的嵌入式溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要溫度的測(cè)量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，尤其在石油、化工、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度的測(cè)量和監(jiān)控是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，溫度參數(shù)是工業(yè)控制中的一項(xiàng)重要的指標(biāo)。本文主要研究了基于架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中各種爐溫控制場(chǎng)合中的應(yīng)用。目前控制方案主要是采用傳統(tǒng)的和單片機(jī)進(jìn)行控制。主要是針對(duì)單項(xiàng)工程或者重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目，靈活性相對(duì)不足，并且體積大，成本相對(duì)較高；而單片機(jī)主要用于小型設(shè)備的控制，具有成本低，功耗低，效率高

2、的特點(diǎn)，但可移植性較差。為了適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新技術(shù)革新以及產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化現(xiàn)代化的發(fā)展，本文針對(duì)和單片機(jī)控制的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合提出了采用嵌入式微控制器和操作系統(tǒng)相結(jié)合的嵌入式溫度控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)，為用戶提供了一種新型的控制方案。本文首先論述了嵌入式操作系統(tǒng)的組成，接著設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，主要包括模塊、模擬電路模塊、存儲(chǔ)模塊和通信模塊四個(gè)部分；在對(duì)溫度控制系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計(jì)中，主要是針對(duì)的移植、內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的定制、驅(qū)動(dòng)程序的編寫和應(yīng)用程序的編寫五部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能主要是循環(huán)采集通道數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，接收服務(wù)器下發(fā)的控制數(shù)

3、據(jù)包，記錄日志等。通過在線運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集和控制效果良好，可有效降低了生產(chǎn)成本和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為安全生產(chǎn)提供保證。關(guān)鍵詞：，嵌入式系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，；，；，：，插圖清單圖系統(tǒng)整體框圖圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖狀態(tài)下的寄存器組織圖外部存儲(chǔ)器映射空間結(jié)構(gòu)圖圖靜態(tài)存儲(chǔ)控制器一圖連接圖。圖鎖存器連接圖圖多路開關(guān)及輸出電路圈連接圖圖連接圖圖連接圖圖存儲(chǔ)器連接圖圖片存儲(chǔ)器連接圖圖片存儲(chǔ)器連接圖圖電路及鎖存器連接圖圖串行通信電路連接圖圖接口電路圖電路連接圖圖內(nèi)部存儲(chǔ)器映射圖啟動(dòng)信息圖內(nèi)核配置界面圖配置界面圖添加模塊自啟動(dòng)修改圖圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖圖程序流程圖，圖程序流程圖圖程序流程圖圖程序流程圖

4、表格清單表口線引腳定義表的兩級(jí)代碼表分區(qū)信息表分區(qū)信息合肥工業(yè)大學(xué)本論文經(jīng)答辯委員會(huì)全體委員審查，確認(rèn)符合合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文質(zhì)量要求。答辯委員會(huì)簽名（工作單位、職稱）捅礎(chǔ)紅施食默紅露，劬衣孝謝交委口貝竹豸托艫、彩¨碭秒降炙導(dǎo)師：強(qiáng)人川太犀驢喪獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得金壁王些盔堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：，

5、縟落簽字日期：砷胡日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解金世王些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借闋。本人授權(quán)金壁王絲左堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書）學(xué)位論文作者簽名：俏、易俏簽字日期：伽一年月日導(dǎo)師簽名建簽字日期卜“引日學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向工作單位：通訊地址：電話郵編致謝本論文是在王華強(qiáng)老師的悉心指導(dǎo)和熱情幫助下完成的。首先要衷心感謝王老師給予我的幫助和指導(dǎo)，他求實(shí)的治學(xué)精神、學(xué)術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求和

6、工作上務(wù)實(shí)態(tài)度，讓我受益匪淺，使我能夠嚴(yán)格要求自己，在理論和實(shí)踐上都有了很大的提高。同時(shí)，在項(xiàng)目研究和本論文地撰寫過程中，還要感謝我的師兄胡平、李海波，同學(xué)顧金晨，師弟王東林、曾希、王超等給予我的支持和幫助。此外，還要感謝所有關(guān)心我的人，特別是我的父母，正是他們無私的支持與奉獻(xiàn)，使我得以順利地完成我的學(xué)業(yè)，不斷的取得進(jìn)步與突破。作者：陳文博年月第一章緒嵌入式系統(tǒng)概述論隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域、無線通信領(lǐng)域、智能儀表，消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域。它以嵌入式應(yīng)用為目的，將計(jì)算機(jī)硬件和軟件相結(jié)合，完成特定的任務(wù)和功能。嵌入式系統(tǒng)在形式上可以分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、器件級(jí)。系統(tǒng)級(jí)指的是是

7、各種工控機(jī)，板級(jí)是指帶有的主板和（）產(chǎn)品，器件級(jí)以單片機(jī)最為典型，后來許多半導(dǎo)體廠商以嵌入式應(yīng)用為目標(biāo)，形成嵌入式微處理器，并有許多嵌入式操作系統(tǒng)的支持。通常嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)某一特殊領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)和應(yīng)用的，既要求產(chǎn)品體積小、實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)可靠性好，又要求產(chǎn)品的性價(jià)比高。所以對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)來說，如何針對(duì)某種具體應(yīng)用來選擇合適的嵌入式處理器，使嵌入式操作系統(tǒng)與之配合是非常關(guān)鍵的。嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式系統(tǒng)的硬件上是以嵌入式處理器為核心，由存儲(chǔ)器、設(shè)備、通信模塊以及電源等必要接口組成。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能選擇適于系統(tǒng)功能接口的（）和（）芯片，以最少的外圍部件構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，滿足嵌入式

8、系統(tǒng)的特殊要求。嵌入式處理器可分為類：嵌入式微處理器（）、嵌入式微控制器（）、嵌入式（式片上系統(tǒng)（嵌入式微處理器）。）、嵌入嵌入式微處理器就是與通用計(jì)算機(jī)的微處理器相對(duì)應(yīng)的。在應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，并在電路板上設(shè)計(jì)了與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的功能模塊，以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式微處理器主要包括：、等系列。嵌入式微控制器嵌入式微控制器將、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)封裝在同一片集成電路里，又稱單片機(jī)，是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中，常見的有。與嵌入式微處理器相比，微控制器最大特點(diǎn)就是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本降低，可靠性高。微控制器是目前嵌入式

9、系統(tǒng)工業(yè)的主流。嵌入式嵌入式專門用來對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理運(yùn)算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較快。在數(shù)字濾波、譜分析等方面，算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域?，F(xiàn)在處理器已被廣泛用于振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)和分析、語音信號(hào)處理、圖像處理等領(lǐng)域。嵌入式片上系統(tǒng)隨著設(shè)計(jì)的普及和半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，即（）。各種通用處理器內(nèi)核和其他外圍設(shè)備都將成為設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫中的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的等硬件描述語言描述?？梢苑譃橥ㄓ煤蛯Ｓ脙深愅ㄓ孟盗邪ǖ摹⒛承┫盗衅骷?、和等，專用系列包括的等。嵌入式系統(tǒng)的軟件組成

10、在設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，就需要一個(gè)操作系統(tǒng)來管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等。對(duì)于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來說，其軟件結(jié)構(gòu)一般包含個(gè)層面：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序接口層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)印，F(xiàn)代高性能嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，操作系統(tǒng)的使用必然成為發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層設(shè)備驅(qū)動(dòng)層是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要部分，使用任何外設(shè)都需要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)層程序的支持。它為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口。上層軟件不用理會(huì)設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)層程序接口即可。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層一般包括硬件抽象層、板級(jí)支持包和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。（）硬件抽象層硬件抽象層（）是位

11、于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。即通過程序來控制所有硬件電路如、存儲(chǔ)器等的操作。使得系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無關(guān)，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性。抽象層一般應(yīng)包含相關(guān)硬件的初始化，數(shù)據(jù)的輸入輸出操作，硬件設(shè)備的配置操作等功能。（）板級(jí)支持包板級(jí)支持包（）是介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)層程序之間的一層，一般認(rèn)為它屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的支持。為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包，使之能夠更好地運(yùn)行于硬件主板之上。是相對(duì)于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于不同定義形式的。但是其功能大致相同，一般分為個(gè)方面：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)完成對(duì)硬件的初始化

12、和為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件的手段。（）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)中安裝設(shè)備后，只有安裝相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之后才能使用，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈榆浖峁┰O(shè)備的操作接口。上層軟件只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的接口，而不用理會(huì)設(shè)備的具體內(nèi)部操作。驅(qū)動(dòng)程序不僅要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本功能函數(shù)，如初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等，使設(shè)備的基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)，而且因?yàn)樵O(shè)備在使用過程中還會(huì)出現(xiàn)各種意外的差錯(cuò)，所以好的驅(qū)動(dòng)程序還要具有錯(cuò)誤處理函數(shù)。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)包括非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是基于非搶占式的多用戶多任務(wù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指能在指定的或確定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和對(duì)外部或內(nèi)部、同步或異步事件做出響應(yīng)的

13、系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)核將時(shí)間、中斷、定時(shí)器等資源都包裝起來，給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口。同時(shí)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪和重新配置，組成可根據(jù)實(shí)際的不同應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。一般包括：內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)組件、文件系統(tǒng)和圖形接口等。目前大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)必須提供以下管理功能：多任務(wù)管理、存儲(chǔ)管理、周邊資源管理、中斷管理等。典型的操作系統(tǒng)主要有：、等。本設(shè)計(jì)選用支持多用戶多任務(wù)的。操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（）是一系列復(fù)雜的函數(shù)、消息和結(jié)構(gòu)的集合體。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有很多可通過硬件或外設(shè)去執(zhí)行的功能，這些功能的執(zhí)行可通過計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)或硬件預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)指令調(diào)用，而在編制應(yīng)用程序時(shí)，編程人員就不需要為每種功能重新編制程

14、序，而只需按照系統(tǒng)或某些硬件事先提供的調(diào)用即可完成功能的執(zhí)行。因此在操作系統(tǒng)中提供標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)可以加快應(yīng)用程序的開發(fā)，也為系統(tǒng)版本的升級(jí)帶來方便，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的編寫。應(yīng)用程序?qū)嶋H的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件建立在系統(tǒng)的主任務(wù)基礎(chǔ)之上的，用戶應(yīng)用程序主要通過調(diào)用系統(tǒng)的函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，完成用戶應(yīng)用功能開發(fā)。在用戶的應(yīng)用程序中也可創(chuàng)建用戶自己的任務(wù)，任務(wù)間的協(xié)調(diào)主要依賴系統(tǒng)的信號(hào)量，信息隊(duì)列等。選題背景和主要工作溫度的測(cè)量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，尤其在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度的測(cè)量和監(jiān)控是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。很多行業(yè)需要使用大量的加熱設(shè)備，諸如熱處理的加熱爐，用于融化金

15、屬的坩堝爐，以及各種反應(yīng)爐等，這樣，溫度就成了工業(yè)控制中的一項(xiàng)重要的被控參數(shù)。由于爐子的種類，用途，實(shí)現(xiàn)手段的不同，各種加熱方法也不盡相同，比如煤氣、天然氣、油、電力等等，但就其控制系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)性而言，基本屬于大慣性，純滯后環(huán)節(jié)。目前控制方案主要是采用傳統(tǒng)的和單片機(jī)進(jìn)行控制，滿足了用戶大多數(shù)場(chǎng)合的需要。主要是針對(duì)單項(xiàng)工程或者重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目，靈活性相對(duì)不足，并且體積大，成本相對(duì)較高，功能擴(kuò)展需要較多的模塊；而單片機(jī)主要用于小型設(shè)備的控制，尤其是專業(yè)電子設(shè)備的控制，具有成本低，功耗低，效率高的特點(diǎn)，但是也存在程序一次性拷入后無法修改，對(duì)外圍設(shè)備的控制較低，抗干擾能力差等缺點(diǎn)。為了適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)的

16、發(fā)展，新技術(shù)革新以及產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化現(xiàn)代化的發(fā)展，本文采用公司的位嵌入式微控制器和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度控制，具有系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、測(cè)量和控制精度較高、多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)，為用戶提供了一種新型的控制方案。本文的工作主要分為個(gè)部分：一是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，二是系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，三是系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)。一一第二章溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述該溫度控制系統(tǒng)主要由模擬電路，主控制電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，輸入輸出模塊，通訊模塊等組成。主控制電路由及其外圍電路組成，是溫度控制系統(tǒng)的核心部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)和信號(hào)的處理等工作處理器對(duì)模擬電路采集進(jìn)來的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)溫度

17、數(shù)據(jù)，由控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的數(shù)字控制量經(jīng)過，轉(zhuǎn)換后通過輸出電路對(duì)溫度進(jìn)行控制。處理器在數(shù)據(jù)處理過程中會(huì)將歷史數(shù)據(jù)存入中，并可通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與其他機(jī)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)的總體架構(gòu)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循一下原則：（）穩(wěn)定性和可靠性：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，模擬量參數(shù)處理的性能直接影響系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，必須從一開始就充分考慮應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的各種環(huán)境狀況，采取抗干擾措施，選擇適當(dāng)?shù)脑骷愋秃蛥?shù)，防止串?dāng)_和誤差積累。設(shè)計(jì)要充分考慮硬件電路的簡(jiǎn)化，使用集成度較高的元器件，提高系統(tǒng)抗干擾性能，提高穩(wěn)定性和可靠性。（）速度與精度：根據(jù)允許誤差限值，按一定規(guī)則分配各個(gè)部件模塊鎖允許的誤差，

18、系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中根據(jù)分配的允許誤差選擇位數(shù)較高的轉(zhuǎn)換芯片，提高轉(zhuǎn)換精度，選定電路結(jié)構(gòu)。（）功耗以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：自身具有低功耗的特點(diǎn)，電流為，待機(jī)模式電流為，并具有低速的時(shí)鐘操作模式和軟件功耗優(yōu)化能力，非常適合于能耗敏感的場(chǎng)合。采用低功耗器件和貼片封裝元器件，可有效降低功耗，減小面積，提高電路本身的抗干擾性能。為保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間和安全保證，系統(tǒng)采用了一片的作為數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)區(qū)，保證了大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)的整體框圖如圖所示：圖系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)主要分為以下四個(gè)模塊：選用公司的基于刪據(jù)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)，通訊等功能。（）核心模塊：主要由以及外圍電路組成，是系統(tǒng)的主

19、控制電路。處理器，對(duì)數(shù)（）模擬電路：主要包括信號(hào)處理電路和信號(hào)輸出電路。其中信號(hào)處理電路主要完成模擬輸入信號(hào)的放大和濾波，得到滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入范圍的數(shù)值。信號(hào)輸出電路將算法處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。（）存儲(chǔ)模塊：主要由、三部分組成。其中，用來存儲(chǔ)系統(tǒng)啟動(dòng)程序和系統(tǒng)內(nèi)核；是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的運(yùn)行空間；主要存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)以及應(yīng)用程序。（）通訊模塊：主要由串行口電路，電路，以太網(wǎng)接口電路三部分組成，串行口電路和電路用來下載和調(diào)試程序，以太網(wǎng)接口電路用來和其他機(jī)或設(shè)備進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)嵌入式軟件的開發(fā)流程一般是：設(shè)計(jì)目標(biāo)硬件板，建立嵌

20、入式開發(fā)環(huán)境，編寫、調(diào)試，編寫、調(diào)試內(nèi)核，編寫、調(diào)試應(yīng)用程序，調(diào)試板。從軟件開發(fā)的角度來看，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)可以分為以下個(gè)層次：（）引導(dǎo)和加載內(nèi)核程序，主要是編制程序。相當(dāng)于的，在硬件板一加電后就開始運(yùn)行，主要完成硬件初始化，同時(shí)設(shè)置啟動(dòng)時(shí)所需要的參數(shù)，然后跳到內(nèi)核啟動(dòng)代碼的第一個(gè)字節(jié)開始引導(dǎo)。它要用串行電纜把與硬件開發(fā)板連接起來，在端編譯程序，生成文件，然后燒寫到中。（）內(nèi)核。主要工作是為特定的嵌入式硬件系統(tǒng)板定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的移植，需要把編譯生成的、（內(nèi)核）、（根文件系統(tǒng)）燒寫到中。在編譯內(nèi)核的時(shí)候，可以根據(jù)需要選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如、（等。（）和內(nèi)核配合使用的根文件系統(tǒng)，

21、包括建立根文件系統(tǒng)和建立于設(shè)備上的文件系統(tǒng)。（）用戶應(yīng)用程序。主要是針對(duì)采集的數(shù)據(jù)類型，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，以完成溫度控制和數(shù)據(jù)通訊的目的。本章從總體上對(duì)該系統(tǒng)的組成以及各部分的功能做了簡(jiǎn)單的介紹，各部分的具體功能和步驟將在后面的幾章作詳細(xì)的闡述。第三章溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要是溫度控制系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)，主要包括模擬電路設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)，通訊電路設(shè)計(jì)，輸入輸出模塊設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用了公司的核芯片，首先對(duì)該芯片的功能做一些必要的介紹。芯片介紹公司的是完全圍繞處理器構(gòu)建的系統(tǒng)。它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)以及標(biāo)準(zhǔn)的接口，提供了一種低功耗、低成本、高性能的微控制器解決方案。高速緩存處理器是刪整

22、數(shù)砌訂處理器概述系列中高性能的位單片系統(tǒng)處理器。它提供完善的高性能子系統(tǒng)：字節(jié)指令與字節(jié)數(shù)據(jù)緩存指令與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理單元（）寫緩沖器高級(jí)微處理器總線架構(gòu)（）總線接口（內(nèi)置追蹤宏單元）接口，中的內(nèi)核可執(zhí)行位刪及位指令集。處理器包括兩個(gè)協(xié)處理器：，控制軟件對(duì)調(diào)試信道的訪問：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析處理器是哈佛結(jié)構(gòu)，包括取指、譯碼、執(zhí)行、存儲(chǔ)和回寫級(jí)流水線。，系統(tǒng)控制處理器，提供個(gè)額外寄存器用來配置和控制緩存、系統(tǒng)保護(hù)、時(shí)鐘模式及其他系統(tǒng)選項(xiàng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖處理器主要特性如下：內(nèi)核，架構(gòu)兩套指令集高性能位指令集高代碼密度位指令集級(jí)流水線結(jié)構(gòu)取指（）：從存儲(chǔ)器中取出指令，并將其放入指令流水線。譯碼

23、（）：對(duì)指令進(jìn)行譯碼執(zhí)行（）：把一個(gè)操作數(shù)移位，產(chǎn)生的結(jié)果一緩沖存儲(chǔ)（）：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；否則的結(jié)果只是簡(jiǎn)單地緩沖一個(gè)時(shí)鐘周期，以便所有的指令具有同樣的流水線流程。一回寫（）：將指令產(chǎn)生的結(jié)果回寫到寄存器，包括任何從存儲(chǔ)器中讀取的數(shù)據(jù)。字節(jié)數(shù)據(jù)緩存，字節(jié)指令緩存虛擬地址路相關(guān)緩存每線字正向和反向?qū)懖僮鱾坞S機(jī)或循環(huán)置換低功耗設(shè)備寫緩沖器字的數(shù)據(jù)緩沖器地址的地址緩沖器軟件控制消耗標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器管理單元（）區(qū)域訪問許可允許以頁面大小對(duì)頁面進(jìn)行訪問個(gè)嵌入域個(gè)輸入指令及個(gè)輸入數(shù)據(jù)位、位、位的指令總線與數(shù)據(jù)總線包括一個(gè)高速片上工作區(qū)及一個(gè)低等待時(shí)間的外部總線接口（），以完成應(yīng)用所要求的片外存儲(chǔ)器

24、和內(nèi)部存儲(chǔ)器映射的無縫連接。有同步（）、及靜態(tài)存儲(chǔ)器的控制器，并設(shè)計(jì)了專用電路以方便、及連接。高級(jí)中斷控制器（燦）通過多向量、中斷源優(yōu)先級(jí)劃分和縮短終端處理器傳輸時(shí)間來提高處理器的中斷處理性能。外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（）向所有的串行外設(shè)提供通道，使其與片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不用經(jīng)過處理器，以減少傳輸連續(xù)數(shù)據(jù)流時(shí)處理器的開銷。包含雙指針的控制器極大的簡(jiǎn)化了的緩沖器連接。并行（）控制器與復(fù)用外設(shè)輸入輸出口線的配合，最大程度地適應(yīng)器件的配置。每條口線上包含有一個(gè)輸入變化中斷、開漏能力和可編程上拉電阻。電源管理控制器（）通過軟件控制處理器以及各種外設(shè)來使系統(tǒng)的功耗保持最低。它用一個(gè)增強(qiáng)的時(shí)鐘發(fā)生器提供包括

25、慢時(shí)鐘（【）在內(nèi)的選定時(shí)鐘信號(hào)，以隨時(shí)優(yōu)化功耗和性能。集成了許多標(biāo)準(zhǔn)接口，包括全速主機(jī)和設(shè)備端口及在網(wǎng)絡(luò)層廣泛使用的以太網(wǎng)媒體訪問控制器（）。此外，它還提供了一系列符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，可在音頻、電信、卡、紅外及智能卡中使用。為完善性能，集成了包括、專門調(diào)試通道（）及嵌入式的實(shí)時(shí)追蹤的一系列的調(diào)試功能，這些功能使得開發(fā)、調(diào)試所有的應(yīng)用特別是受實(shí)時(shí)性限制的應(yīng)用成為可能。的存儲(chǔ)器格式支持字節(jié)（位）、半字（位）、字（位）三種數(shù)據(jù)類型，其中字需要字節(jié)對(duì)齊，半字需要字節(jié)對(duì)齊。體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合。從字節(jié)到字節(jié)放置第一個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從字節(jié)到字節(jié)放置第二個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列

26、。作為位的微處理器，體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為（”字節(jié)）。體系結(jié)構(gòu)可以用兩種方法存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，大端格式和小端格式。大端格式中字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而低字節(jié)存放在高地址中；小端格式中低地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是高字節(jié)。的處理器操作模式支持種運(yùn)行模式，分別為：用戶模式（），處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)：快速中斷模式（），用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理；外部中斷模式（），用于通用的中斷處理；管理模式（），操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式；數(shù)據(jù)訪問終止模式（），當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)；系統(tǒng)模式（），運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)；未定義指令中止模式（），當(dāng)未定義

27、的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理的軟件仿真。刪微處理器的運(yùn)行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常的寄存器組織處理改變。大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問的。共有個(gè)位寄存器，其中個(gè)為通用寄存器，個(gè)為狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能被同時(shí)訪問，具體哪些寄存器是可編程訪問的，取決于微處理器的工作狀態(tài)及具體的運(yùn)行模式。在狀態(tài)下，任一時(shí)刻可以訪問個(gè)通用寄存器和個(gè)狀態(tài)寄存器。在非用戶模式下，則可訪問到特定模式分組寄存器。圖所示為在每一種運(yùn)行模式下可以訪問的寄存器。值回返的用戶與勇；坑橫式：理橫式中止曩式未定義鬟式：中斷稅式使譴

28、中斷埴式：陽”聃融。霧：船弭鬻，諱鼎。薏；?！薄?#167;囊“乏嗣唾：丸；擴(kuò)一。”稿一”劬一侮岔，一。一黛檀式列出組寄存曩圖狀態(tài)下的寄存器組織在狀態(tài)下有個(gè)直接訪問的寄存器，除（）寄存器外均為通用目的，可用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或地址值。也稱為子程序連接寄存器（）或連接寄存器。當(dāng)執(zhí)行子程序調(diào)用指令時(shí)，中得到（程序計(jì)數(shù)器）的備份。在其他情況下，用作通用寄存器。與之類似，當(dāng)發(fā)生中斷或異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的分組寄存器、丘、用來保存寄存器用作程序計(jì)數(shù)器（）。在狀態(tài)下，位【：】為，位：】用于保存；在狀態(tài)下，位【】為，位【：】用于保存。寄存器用作當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（，），可在任何模式下被訪問，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)

29、前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。每一種非用戶模式下都有一個(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器，成為（，備份的程序狀態(tài)寄存器）。當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，用于保存的當(dāng)前值，從異常退出時(shí)則可由來恢復(fù)。如模式下有個(gè)分組寄存器，在狀態(tài)下，許多處理都不用保存任何寄存器。、模式下有兩個(gè)分組寄存器和，而每種模式都有一個(gè)自己的堆棧指針和連接寄存器。狀態(tài)下的寄存器集是狀態(tài)下寄存器集的子集，程序可以直接訪問個(gè)通用寄存器（）、程序計(jì)數(shù)器（）、堆棧指針（）、連接寄存器（）和。同時(shí)，在每一種特權(quán)模式下都有一組、和。外圍電路設(shè)計(jì)相關(guān)接口和控制器的第一級(jí)譯碼由存儲(chǔ)控制器執(zhí)行，即由具有附加功能的高級(jí)系統(tǒng)總線執(zhí)行。譯碼將的地址空間分

30、為個(gè)的區(qū)域。區(qū)域?qū)?yīng)，和外部片選相對(duì)應(yīng)。區(qū)域?yàn)閮?nèi)部存儲(chǔ)器地址，第二級(jí)譯碼提供字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間。區(qū)域?yàn)橥庠O(shè)地址，并且提供了對(duì)高級(jí)外設(shè)總線（）的訪問。其他區(qū)域未使用，使用它們進(jìn)行訪問時(shí)，需要向發(fā)出訪問請(qǐng)求的主機(jī)發(fā)出異常中斷。外部存儲(chǔ)器映射空間結(jié)構(gòu)如圖所示：詛州鶴弱¨睇“垃忙啪恤口“鲴柑舊峙。仍盯咖￥。拍們檔亡嘰炬白（）晰口圖外部存儲(chǔ)器映射空間結(jié)構(gòu)圖外部總線接口（）設(shè)計(jì)用以確保多個(gè)外設(shè)和基于器件的內(nèi)置控制存儲(chǔ)器間的正確數(shù)據(jù)傳輸。靜態(tài)存儲(chǔ)器、及控制器均可作為上的外部存儲(chǔ)控制器。這些外部存儲(chǔ)控制器可以處理多種類型的外部存儲(chǔ)器以及外部設(shè)備，如、及。通過集成電路支持與協(xié)議，從而大大降低了一對(duì)外部

31、組件的需求。此外，可處理多達(dá)個(gè)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)外設(shè)分配個(gè)在內(nèi)置存儲(chǔ)控制器中定義的地址空間。數(shù)據(jù)通過位或位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸，地址總線高達(dá)位，個(gè)芯片選擇口（：】）用來片選不同的外設(shè)，多個(gè)控制引腳可以在不同外部存儲(chǔ)控制器間復(fù)用。片選的分配如下：上為控制器或靜態(tài)存儲(chǔ)控制器上為控制器或靜態(tài)存儲(chǔ)控制器上為靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，可選支持上為靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，可選支持上為靜態(tài)存儲(chǔ)控制器在本設(shè)計(jì)中，選用作為的片選信號(hào)，作為的片選信號(hào)，作為的片選信號(hào)，作為控制器的片選信號(hào)。靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（）產(chǎn)生信號(hào)來控制外部靜態(tài)存儲(chǔ)器或外設(shè)的訪問?？删幊痰刂房蛇_(dá)字節(jié)。它有個(gè)片選及一個(gè)位地址總線。位數(shù)據(jù)總線配置與位或位外部器件連接。獨(dú)

32、立的讀寫控制信號(hào)允許存儲(chǔ)器與外設(shè)直接連接。支持不同的允許單時(shí)鐘周期存儲(chǔ)器訪問的訪問協(xié)議，同時(shí)也提供了外部等待請(qǐng)求能力。靜態(tài)存儲(chǔ)控制器方框圖如圖所示：日一日一圖靜態(tài)存儲(chǔ)控制器：一甩刪衛(wèi)：們相關(guān)的線說明如表所示：一一表口線引腳定義名標(biāo)說明類型工作電平：靜態(tài)存儲(chǔ)控制器片選線轄出低刷讀輸出使靶雷號(hào)輔出低，寫“寫使能僧號(hào)輸出低，寫，高宇節(jié)選擇信號(hào)輅出低肭地址位匠字節(jié)選擇信號(hào)轅出戧：地址總線轆出：】數(shù)據(jù)總線外部等待信號(hào)輸入琶模擬電路設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)是一個(gè)高效的通道位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它包含一個(gè)帶有采樣保持的位的逐次逼近寄存器（，），具有并行的三態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)器。在的功率消耗下達(dá)到的采樣頻率，參考電壓范圍

33、可以從到，相應(yīng)的范圍從州到。最低可以在的電壓下工作。低功耗，高速率以及自身的多路復(fù)用器使得成為體積小重量輕的需要多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和測(cè)量的嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。并且可以在的溫度范圍內(nèi)正常工作，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。，廿這些片選系統(tǒng)沒有使用，可以任意選擇一路作為譯碼器的使能信號(hào)。本設(shè)計(jì)選擇的是，其地址空間是）【，基地址為。路模擬通道的地址空間是，為了選通這些地址，必須通過譯碼器對(duì)這些地址進(jìn)行譯碼，以完成不同的芯片操作。譯碼器的連接圖如圖所示。鉗甾扛積蛆斬司啪辜豇日鍪（圖連接圖【：】作為譯碼器的輸入選通信號(hào)；作為的片選信號(hào)和讀寫使能信號(hào)；作為鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)，在的上升沿到來時(shí)將鎖存的：輸出至端，用以穩(wěn)

34、定數(shù)據(jù)一段時(shí)間不變化，以防數(shù)據(jù)丟失；作為芯片的使能信號(hào)。鎖存器連接圖如圖所示。蛐）如鹼）暖圖鎖存器連接圖工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)溫器件主要有熱電偶和熱電阻傳感器，測(cè)量出來的信號(hào)值一般很小，只有，需要通過溫度變送器轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的（）電流信號(hào)或者（）的電壓信號(hào)。這里以常見的電流信號(hào)為例，路標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)連接多路開關(guān)，為了穩(wěn)定輸入電壓和電流以保護(hù)元器件或者預(yù)設(shè)缺省電位，應(yīng)在每路輸入電壓進(jìn)入多路開關(guān)之前外加的下拉電阻。【：】連接地址線的【：，多路選通后，通過端輸出。因?yàn)榈妮斎腚妷悍秶?，之間，使用的直流電壓，所以端的輸出值接入芯片之前需要經(jīng)過合理的轉(zhuǎn)換。如圖所示：圖多路開關(guān)及輸出電路經(jīng)過的兩次倒相后，輸入端的電流轉(zhuǎn)換為的電壓信號(hào)，以便連入。本設(shè)計(jì)中選用的通道，所以：接地。分別與系統(tǒng)讀使能信號(hào)和系統(tǒng)寫使能信號(hào)相或后作為芯片的讀寫使能信號(hào)，同時(shí)作為片選信號(hào)輸入。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在：伸。連接圖如圖所示。圖連接圖信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)是一個(gè)高效的位并行雙緩沖轉(zhuǎn)換器，±的電壓輸出，并帶有的參考電壓精確溫度補(bǔ)償。數(shù)字接口是一個(gè)快速的，的最小寫脈沖寬度，當(dāng)模擬信號(hào)輸出復(fù)位時(shí)有清除功能。數(shù)據(jù)線的：接的數(shù)據(jù)輸入端，接使能端，電路連接圖如圖所示：”。眥長！二下一一。刪（）悄耋爺凈（）圖連接圖根據(jù)變送器的不同的需要，同樣可以通過搭接運(yùn)算放大電路把輸出