摘要 溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)試驗(yàn)中普遍且重要的物理參數(shù)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為 了提高生產(chǎn)效率，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、濕度、流量、速度等 進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。其中溫度監(jiān)控在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例，準(zhǔn)確地測(cè)量和有 效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。盡管隨著科技的進(jìn)步 和社會(huì)的發(fā)展，溫度測(cè)量方法在不斷改進(jìn)，測(cè)量精度在不斷提高，但目前的溫度 監(jiān)控系統(tǒng)仍然存在很多不足，越來(lái)越難以滿足工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究的需要。 在分析研究了當(dāng)前國(guó)內(nèi)、外溫度監(jiān)控研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)在最為熱門 的嵌入式系統(tǒng)、a r m 處理器、常用溫度傳感器、z i g b e e 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，我們開發(fā) 了基于a r m 9 的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用以a r m 9 為內(nèi)核的三星公司1 6 3 2 位a r m 處理 器$ 3 c 2 4 1 0 作為微控制單元，無(wú)線采集選用基于t i 公司c c 2 4 3 0 芯片的無(wú)線數(shù)傳模 塊，8 路有線采集通道，可任意配置各類型溫度傳感器。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度( 或 濕度) 采集，并通過(guò)有線或無(wú)線的方式將采集到的溫度( 或濕度) 數(shù)據(jù)傳送到監(jiān) 控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)上具有存儲(chǔ)、處理、顯示設(shè)備，將接收到的數(shù)據(jù)以用戶的設(shè)定 要求顯示出來(lái)。該系統(tǒng)具有體積小、靈活度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可投放于惡劣 的工業(yè)環(huán)境中，完成重要溫度數(shù)據(jù)的采集。此外，本系統(tǒng)的開發(fā)也為其它環(huán)境參 數(shù)的監(jiān)測(cè)提供了借鑒。 數(shù)據(jù)采集模塊作為整個(gè)系統(tǒng)信息獲取、采集及傳輸?shù)脑搭^，占有極其重要的 地位。本論文從系統(tǒng)方案的論證入手，重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集模塊可支持8 路模擬信號(hào)輸入，傳感器類型包括了熱電阻、熱電 偶、p n 結(jié)、電壓型傳感器、電流型傳感器。該模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集、信號(hào) 處理、a d 轉(zhuǎn)換、線性化處理、數(shù)據(jù)傳送等任務(wù)。軟件設(shè)計(jì)上采用查表法和線性 插值相結(jié)合的數(shù)值處理方法，輔以數(shù)字濾波和自校正處理，以期達(dá)到理想的測(cè)量 結(jié)果。最后，通過(guò)與其它系統(tǒng)模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的功能要求。 關(guān)鍵詞： a r m 9 ， 溫度監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集，p t l 0 0 ，熱電偶 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei sag e n e r a la n di m p o r t a n tp a r a m e t e ri np r o d u c t i o np r o c e s sa n d s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t i nt h ec o u r s eo fi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n , i no r d e r t oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，t h em a i np a r a m e t e r s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , f l o w ，s p e e d ，e t c ，m u s tb em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d e s p e c i a l l y ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g o c c u p i e s a f a i r l yl a r g e p r o p o r t i o n a c c u r a t e l y m e a s u r e a n de f f e c t i v e l yc o n t r 0 1 t e m p e r a t u r ei st h ei m p o r t a n tc o n d i t i o no fh i g hq u a l i t y , h i g hy i e l d ，l o wc o n s u m p t i o n a n dp r o d u c t i o ns a f e t y w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n ds o c i a ld e v e l o p m e n t 。 t h em e t h o d so ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r ei m p r o v e da n dt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yi sa l s oa d v a n c e d t h e r ea r es t i l lm a n yi n a d e q u a c i e si nc u r r e n tt e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs y s t e m i ti n c r e a s i n g l yd i m c u l tt om e e tt h en e e do fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h w ea n a l y s e dt h es t a t u sq u oo ft h ec u r r e n td o m e s t i ca n de x t e r n a lt e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs t u d y 。w i t ht h em o s tp o p u l a r e m b e d d e ds y s t e m , a rmp r o c e s s o r ， c o m m o n l yu s e dt e m p e r a t u r es e n s o r z i g b e e w i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，w e d e v e l o p e da rm 9 b a s e de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e m t h e16 3 2 - b i t a r mp r o c e s s o rs 3 c 2 4 1oo fs a m s u n gc o m p a n ya sm i c r o - c o n t r o lu n i t ，w i r e l e s s c o l l e c t i o ns e l e c tc c 2 4 3 0c h i pw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l eo ft ic o m p a n y ，8 c a b l ea c q u i s i t i o nc h a n n e kv a r i o u st y p e so ft e m p e r a t u r es e n s o r sc a nb ec o n _ f i g u r a t e d t h es y s t e mr e a l i z e st h et e m p e r a t u r e ( o rh u m i d i t y ) a c q u i s i t i o n , a n dt h et e m p e r a t u r e ( o r h u m i d i t y ) d a t aw i l lb et r a n s m i t t e dt om o n i t o rc o n s o l et h r o u g hw i r e do rw i r e l e s s c h a n n e lm o n i t o rc o n s o l eh a ss t o r a g e ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a ye q u i p m e n t s ，t h e s e e q u i p m e n t sw i l ld i s p l a yt h er e c e i v e dd a t ai nt h em o d et h a tt h eu s e rr e q u i r e d t h e s y s t e mi ss m a l li ns i z e ，f l e x i b i l i t y , r e a l t i m e ，c a r lb ew o r k e di nh a r s hi n d u s t r i a l e n v i r o n m e n tt of i n i s hi m p o r t a n tt e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o n i na d d i t i o n , t h er e s e a r c h o ft h i ss y s t e mc a np r o v i d es o m er e f e r e n c ef o ro t h e re n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r m o m t o r m gs y s t e m d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea st h ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns o u r c eo ft h ew h o l e s y s t e m , o c c u p i e sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o n t l l i sp a p e rb e g i nw i t h t h e d e m o n s t r a t i o no fs y s t e m , f o c u s e do nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ec a ns u p p o r t 8 - c h a n n e la n a l o gs i g n a li n p u t 。s e n s o rt y p ei n c l u dt h e r m a lr e s i s t a n c e ，t h e r m o c o u p l e ， t h ep ni u n c t i o nt h ev o l t a g es e n s o r 。c u r r e n ts e n s o r t h em o d u l ec a nf i n i s hd a t a a c q u i s i t i o n , s i g n a lp r o c e s s i n g ，a dc o n v e a e r ，l i n e a rp r o c e s s i n g ，d a t at r a n s m i s s i o n , a n do t h e rt a s k s w i t hav i e wt oa c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s ，u s et h el o o k - u pt a b l ea n d l i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o dt op r o c e s sd a t ai ns o f t w a r ed e s i g n i na d d i t i o n , d i g i t a l f d t e r i n ga n ds e l f - c o r r e c t i o na r ea l s ou s e d f i n n a l l y b yd e b u g g i n gd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l ew i t ho t h e rm o d e u e ，t h ef u n c t i o no ft h es y s t e ma r eb a s i c a l l yc o m p l e t e d k e yw o r d s ：a r m 9 ，t e r n p e r a t u r e m e a s u r e m e n t ，d a t a a c q u i s i t i o n , p t l0 0 ， t h e r m o c o u p l e 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)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得叁盜苤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過(guò)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(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：馬另另 簽字日期：力形年多月力日 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苤鲞盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)基鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名：豸男男 導(dǎo)師簽名：7 - u 簽字同期： 斕年占f j ) 日 簽字日期：2 礦( 穆年否月2 ，日 第一章緒論 1 1 前言 第一章緒論 溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)都是基本的物理量，幾乎所有的科研和生產(chǎn)過(guò)程都和 環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)。環(huán)境參數(shù)的測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用頻率最高的技術(shù)之 一。因此，準(zhǔn)確地測(cè)量和控制環(huán)境參數(shù)，對(duì)于獲得正確的科研數(shù)據(jù)和保證產(chǎn)品質(zhì) 量都是十分重要的。例如，對(duì)于超低溫物理和超高溫物理現(xiàn)象、等離子加熱技術(shù) 及快速凝固技術(shù)的研究，都需要準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度；又如，在金屬冶煉過(guò)程 中，若溫度得到準(zhǔn)確控制，則能源消耗可降低1 7 ，勞動(dòng)生產(chǎn)率可提高1 8 且 金屬產(chǎn)量可增加1 5 ?？梢姡瑢?duì)溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量和控制對(duì)于新 材料的研究和生產(chǎn)、促進(jìn)科技發(fā)展及生產(chǎn)水平的提高都具有重要的意義【l 】。 時(shí)至今日，科技競(jìng)爭(zhēng)不斷升級(jí)，節(jié)能減排的呼聲高漲，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量越來(lái) 越重視，尤其在某些特殊的領(lǐng)域，如何對(duì)生產(chǎn)、科研局部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)，成為日趨嚴(yán)峻的課題和任務(wù)。本課題就是針對(duì)以上實(shí)際中出現(xiàn)的問題，提 出的相應(yīng)可行的解決方案。 環(huán)境參數(shù)包含很多，如溫度、濕度、壓強(qiáng)、含氧量、s o ，含量、c o ，含量等。 本課題力求通過(guò)對(duì)溫度這種最基本的物理量的測(cè)量和控制來(lái)開發(fā)出一種通用的 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，只要前端配置相應(yīng)的測(cè)量傳感器，再輔以配套的軟件方 案，便可實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境參數(shù)的靈活監(jiān)測(cè)。省去了二次開發(fā)的麻煩。 1 2 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 溫度測(cè)量技術(shù)做為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的代表，從最初簡(jiǎn)單的敏感元件測(cè)溫到今天 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的異軍突起，它的發(fā)展一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是近些年來(lái)， 溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人們生活等領(lǐng)域。幾百年來(lái)， 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：第一，傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 ( 含敏感元件) ；第二，模擬集成溫度傳感器控制器；第三，智能溫度監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，國(guó)際上的新型 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正從模擬式到數(shù)字式、由集成化到智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。將 環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)提高到了一個(gè)新的水平。 第一章緒論 1 2 1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分類 目前，國(guó)內(nèi)外主流的集成溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品主要有 2 】： 第一，模擬集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單 片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在2 0 世紀(jì)8 0 年代問世的，它是將溫 度傳感器集成到一個(gè)芯片上，可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用i c 。 模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一( 僅測(cè)量溫度) 、測(cè)量誤差小、價(jià)格 低、響應(yīng)速度快等。適用于小規(guī)模測(cè)溫、控溫，它是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的 一種集成傳感器。 第二，模擬集成溫度控制器 模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有 l m 5 6 、a d 2 2 1 0 5 和m a x 6 5 0 9 。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器中還包含了a d 轉(zhuǎn) 換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)， 工作時(shí)并不受微處理器的控制，這也是兩者的主要區(qū)別。 第三，智能溫度傳感器 智能溫度傳感器也被稱為數(shù)字溫度傳感器，是在2 0 世紀(jì)9 0 年代中期問世的。 它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)晶。目前國(guó)際上已開發(fā)出多種 智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、a d 轉(zhuǎn)換器、 信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器( 或寄存器) 和外圍接口電路。有的產(chǎn)品還帶有多路選擇器 和中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度 數(shù)據(jù)和溫度控制量，適配各種微控制器，并且它是在硬件基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) 測(cè)試功能的，其智能水平也取決于軟件的開發(fā)水平。 1 2 2 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問題 由于科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已越來(lái)越難以滿足人們的 需求。多功能、高精度、高可靠性、人性化的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為人們的寵兒。盡 管幾十年來(lái)，測(cè)量方法不斷提高，測(cè)量精度不斷改善，但目前的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍 然存在這樣或那樣的不足和缺陷，具體表現(xiàn)在1 3 】： 第一，產(chǎn)品核心一c p u 目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品其c p u 大多采用單片機(jī)技術(shù)，受尋址空間、 工作速率限制，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)量一般最多不超過(guò)一、兩萬(wàn)條。難以支持高端外設(shè)擴(kuò)展 如大屏高顯示分辨率的l c d 、以太網(wǎng)接口等，并難以支持較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理 2 第一章緒論 運(yùn)算。這勢(shì)必限制了高端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。而且使用單片機(jī)控制各個(gè)模塊，只能 是單任務(wù)單線程的工作模式，這樣系統(tǒng)不能同時(shí)多任務(wù)工作，當(dāng)有一個(gè)外部中斷 發(fā)生時(shí)，單片機(jī)就會(huì)中斷原有的任務(wù)操作，轉(zhuǎn)而執(zhí)行外部中斷請(qǐng)求，這樣會(huì)造成 系統(tǒng)的工作效率低下，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 第二，數(shù)據(jù)輸出 。 現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因?yàn)椴荒軐⒉杉臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處 理，大都采用技術(shù)簡(jiǎn)單的r s 2 3 2 r s 4 8 5 串行通訊接口，前者僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊 且速度慢、通訊距離短。后者雖支持多點(diǎn)通訊、速度快、通訊距離遠(yuǎn)，但普通 p c 機(jī)不支持該接口且受地域限制。偶有鮮見的采用u s b 接口的測(cè)控設(shè)備也大多 采用技術(shù)較為簡(jiǎn)單的u s b 設(shè)備方式，并不是完全意義上的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，這也 是現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的最大不足之處。 第三，數(shù)據(jù)采集 目前，很少有能同時(shí)支持有線和無(wú)線采集方式的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這樣使得系 統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝受使用環(huán)境所限，靈活度不高。此外，用于數(shù)據(jù)采集的傳感器類型 也比較單一，通用性不強(qiáng)。 第四，人機(jī)交互界面 人們?cè)絹?lái)越追求一種人性化，界面友好的人機(jī)交互環(huán)境。但目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采 用的人機(jī)交互界面大多是液晶、l e d 七段碼式簡(jiǎn)單顯示。這樣，使操作無(wú)法進(jìn) 行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜實(shí)用的數(shù)據(jù)分析、讀取、按需數(shù)據(jù)圖形打印。做為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 時(shí)性，分析處理效率大打折扣。 最后，在測(cè)量環(huán)境比較惡劣，測(cè)量精度要求比較苛刻的條件下，目前的溫度 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也顯得力不從心。 1 2 3 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 進(jìn)入2 1 世紀(jì)以來(lái)，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高 可靠性和安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)路傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技方 面迅猛發(fā)展【2 j 。 第一，提高測(cè)量精度和分辨力 在2 0 世紀(jì)9 0 年代中期推出的最早的智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用的是8 位 a d 轉(zhuǎn)換器，其測(cè)量精度較低，分辨力只能達(dá)到l 。目前，國(guó)內(nèi)外已相繼推出 了多種高精度，高分辨力的智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所用的是9 1 2 位a d 轉(zhuǎn)換器， 分辨力一般可達(dá)到o 5 c o 0 6 2 5 。c 。由天津市星望科學(xué)儀器有限公司研制生產(chǎn) 的t h p 2 0 0 0 系列溫濕度記錄儀，能輸出1 2 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，測(cè)溫分辨力可達(dá)到 第一章緒論 0 1 。未來(lái)隨著需求的不斷提升和技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量 精度和分辨力要求將會(huì)越來(lái)越高。 第二，增加測(cè)試功能 為滿足人類對(duì)環(huán)境質(zhì)量水平日益增長(zhǎng)的需求，未來(lái)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該 是一個(gè)集采集、控制、存儲(chǔ)、傳輸于一體的智能化系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的測(cè)試功能， 能對(duì)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外的一些相關(guān)企業(yè)已經(jīng)著 手進(jìn)行這方面的研究。例如，美國(guó)d a l l a s 半導(dǎo)體公司研制的d s l 6 2 4 智能溫 度傳感器便增加了存儲(chǔ)功能，但存儲(chǔ)只是依賴芯片內(nèi)部有限的e 2 p r o m ，存儲(chǔ) 容量明顯不足。而且，能將用戶的多種需求集于一身的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還并不多見。 第三，規(guī)范化、通用性、可靠性和安全性設(shè)計(jì)也必將成為未來(lái)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)追逐的目標(biāo)。 綜上所述，做為信息技術(shù)的基礎(chǔ)領(lǐng)域，以溫度測(cè)量為代表的環(huán)境參數(shù)的采集、 控制、存儲(chǔ)、傳輸技術(shù)已經(jīng)深入到人類生產(chǎn)、生活、科研的方方面面，并反過(guò)來(lái) 推動(dòng)著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。近些年來(lái)，在人類的不懈努力下，測(cè)控技術(shù)已經(jīng) 取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在著諸多不盡人意的地方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能 滿足人類日益增長(zhǎng)的對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的需要。在這樣的背景下，開發(fā)出一種符合 人類發(fā)展需要的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便具有極其重要的意義。正是在綜合分析了環(huán) 境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，本課題提出了一種較為完美的 解決方案，課題所采用的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能均處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。詳細(xì) 的課題研究?jī)?nèi)容將在后文中介紹。 1 3 論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn) 論文的主要工作有： 1 在對(duì)溫度等環(huán)境參數(shù)的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要 求，參與完成了整個(gè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。包括硬件平臺(tái)的構(gòu)建，操作系統(tǒng)的選擇， 底層驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)等。 2 獨(dú)立完成了有線數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)。包括電路原理圖設(shè)計(jì)、元器件的選 擇，p c b 電路板的制作和焊接。 3 完成了有線數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集模塊的既定功能。 4 完成了有線數(shù)據(jù)采集模塊與嵌入式主機(jī)的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)工作。確保整個(gè)系統(tǒng)的 正常運(yùn)行，各方面性能都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有： 4 第一章緒論 1 采用基于a r m 9 2 0 t 處理器的嵌入式系統(tǒng)與l i n u x 操作系統(tǒng)相結(jié)合的方案 來(lái)完成溫度等環(huán)境參量的監(jiān)測(cè)，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上尚屬罕見。嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的處 理能力和豐富的外圍接口，使得該系統(tǒng)具有傳統(tǒng)產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)越性，能夠提 供功能更多、精度更高的環(huán)境參量監(jiān)測(cè)。 2 系統(tǒng)具有有線和無(wú)線兩種采集模式，用戶可靈活選擇。有線采集模塊設(shè)計(jì) 為八路，若有需要還可以擴(kuò)展為更多路數(shù)。有線采集模塊為多種類型的溫度傳感 器提供了接口，包括熱電偶( k 型) 、熱電阻( p t l 0 0 ) 、p n 結(jié)溫度傳感器、 電壓型傳感器( 0 - - 5 v ) ，電流型傳感器( 4 - 2 0 m a ) ，用戶可根據(jù)實(shí)際情況靈 活進(jìn)行配置。 3 在有線采集模塊部分，為提高測(cè)量精度，從硬件到軟件設(shè)計(jì)都采取了多種 措施。如在硬件電路設(shè)計(jì)中，選用高精度的元器件、p c b 電路板設(shè)計(jì)中的抗干 擾措施等；在軟件設(shè)計(jì)方面則采取了數(shù)字濾波、自校正、查表法和線性插值進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理等方法。實(shí)踐證明，這些措施達(dá)到了理想的效果。 1 4 論文的組織結(jié)構(gòu) 第一章緒論部分主要介紹課題的選題背景和意義，并簡(jiǎn)單介紹了以溫度監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)的現(xiàn)狀、存在的問題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 第二章對(duì)系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了介紹。包括系統(tǒng)的性能指標(biāo)、硬件平臺(tái)、 軟件方案等。 第三章是對(duì)溫度測(cè)量的一個(gè)概述，重點(diǎn)闡述了數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中用到 的各種傳感器的原理和注意問題。 第四章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 第五章對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的軟件方案進(jìn)行了介紹，包括各軟件功能模塊算法和 具體實(shí)現(xiàn)。 第六章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，提出了將來(lái)工作改進(jìn)的方向。 1 5 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題提出的背景和意義，概括了溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀、存在 的問題以及發(fā)展趨勢(shì)。基于本章的介紹，可以看出本課題的研究符合了溫度監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)的發(fā)展潮流，無(wú)論是采用的技術(shù)手段還是具備的系統(tǒng)功能都處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水 平，具有巨大的科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 從第一章對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的討論可以看出，研制出一種適 合于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需要的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。 從現(xiàn)實(shí)需求角度出發(fā)，該系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能和性能指標(biāo)： 2 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與性能指標(biāo) 2 1 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 該系統(tǒng)應(yīng)能夠完成以下功能： 1 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行軟 件降噪、格式轉(zhuǎn)換、友好顯示等處理。將來(lái)如果條件成熟的話，該系統(tǒng)的硬件平 臺(tái)應(yīng)當(dāng)能夠成為測(cè)量壓力、含氧量等其它環(huán)境參數(shù)的通用平臺(tái)。 2 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和傳感器之間無(wú)線和有線( 僅限于模擬傳感器) 兩種模式采集數(shù) 據(jù)，無(wú)線方式采用目前最新的z i g b e e 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)。 3 上位機(jī)完成分類、分客戶信息存儲(chǔ)、分析、顯示( 包括數(shù)據(jù)、曲線兩種形 式) 。 4 測(cè)量數(shù)據(jù)采用u s b 接口輸出或采用以太網(wǎng)直接回傳到服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 5 自帶微型打印機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形打印。 6 自帶真彩液晶觸摸屏可顯示操作菜單，以及顯示查詢的數(shù)據(jù)和圖形。 2 1 2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo) 1 主機(jī)部分預(yù)留出u s b 接口、以太網(wǎng)口、r s 一2 3 2 串行接口、r s 4 8 5 串行接 口、s d 卡接口，8 路有線數(shù)據(jù)和無(wú)線數(shù)據(jù)均采用串口進(jìn)行傳輸。 2u s b 采用主機(jī)模式，提供的串行總線為u s b 2 0 標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)傳輸速率 為1 0 m 。 3 存儲(chǔ)容量不低于1 g b 。 6 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 2 2 嵌入式系統(tǒng)概述 以上系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能中傳感器控制、菜單顯示、觸摸屏操作、圖形顯示、 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示和以太網(wǎng)回傳數(shù)據(jù)等都是并行的多線程任務(wù)，因此，高效地完 成所有任務(wù)就需要操作系統(tǒng)的管理和維護(hù)。反映在硬件上則是需要能夠裝載操作 系統(tǒng)的微處理器。 本課題所研究的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)將硬件設(shè)備微型化，控 制器核心的c p u 使用體積小、功耗低、功能強(qiáng)大的嵌入式微處理器a r m ， 它集成了許多外接設(shè)備的功能，使c p u 的外圍電路和設(shè)備接口更加簡(jiǎn)單。在整 個(gè)硬件平臺(tái)上使用了嵌入式操作系統(tǒng)l i n u x ，這樣更便于系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，在使用操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)的兼容性更強(qiáng)，對(duì)于不同硬件平臺(tái)的移植也更加 方便。 2 2 1 嵌入式技術(shù)的發(fā)展史 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已有3 0 多年的歷史了，嵌入式技術(shù)也經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā) 展階段。進(jìn)入2 0 世紀(jì)9 0 年代后，以計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)為核心的數(shù)字化技術(shù)得到 了迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且深 入到家電、娛樂、藝術(shù)、社會(huì)文化等各個(gè)領(lǐng)域，掀起了一場(chǎng)數(shù)字化技術(shù)革命。多 媒體技術(shù)和i n t e m e r 的應(yīng)用迅速普及，消費(fèi)電子( c o n s u m p t i v ee l e c t r o n ) ，計(jì)算機(jī) ( c o m p u t e r ) ，通信( c o m m u n i c a t i o n ) ，3 c 一體化趨勢(shì)日趨明顯，嵌入式技術(shù) 成為研究熱點(diǎn)?？v觀嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下4 個(gè)階段。 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形成的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、 伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控 制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制， 運(yùn)行結(jié)束后消除內(nèi)存。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一， 處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡(jiǎn) 便、價(jià)格較低，以前在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效 的、需要大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。 第二階段是以嵌入式c p u 為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：c p u 種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效 率高：操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友 好；系統(tǒng)主要用來(lái)控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。 7 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段的主要特點(diǎn) 是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng) 內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè) 備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功, h u 匕l(fā) - , ；具有大量的應(yīng)用程 序接口( a p i ) ，開發(fā)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。 第四階段是基于i n t e m e t 為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階 段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于i n t e r n e t 之外，但隨著i n t e m e t 的發(fā)展以及 i n t e m e t 技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與i n t e m e t 的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)【4 兒川。 2 2 2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍認(rèn)同的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算 機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、 功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！扒度胄浴?、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)” 是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。 嵌入式系統(tǒng)都包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、 i o 接口和圖形控制器等。軟件主要包括嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件 決定著嵌入式系統(tǒng)的功能和運(yùn)行，操作系統(tǒng)是連接系統(tǒng)硬件和應(yīng)用程序的系統(tǒng)程 序。它有兩個(gè)基本功能：使系統(tǒng)便于使用；高效組織和正確使用系統(tǒng)資源。操作 系統(tǒng)有4 個(gè)主要任務(wù)：進(jìn)程管理、進(jìn)程間通信與同步、內(nèi)存管理和i 0 資源管理。 嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用、面向客戶的，所以不可能開發(fā)出諸如p c 機(jī)那樣通 用的嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)中，具體的應(yīng)用將決定對(duì)軟硬件的需求，如處理 器、i 0 擴(kuò)展和操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的編寫等。和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng) 必須對(duì)軟硬件進(jìn)行高效的設(shè)計(jì)，量體裁衣，以最精簡(jiǎn)的系統(tǒng)、最低的成本去實(shí)現(xiàn) 目標(biāo)功能，這樣的產(chǎn)品才最具競(jìng)爭(zhēng)力。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)都具有低功耗、體 積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用c p u 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片 內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大加強(qiáng)，跟網(wǎng)路的耦 合也越來(lái)越緊密。 嵌入式系統(tǒng)有如下軟硬件特性： 1 硬件特性 嵌入式系統(tǒng)是面向特定應(yīng)用的，與通用p c 機(jī)的硬件相比，它的硬件系統(tǒng)具 有以下特性： 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 體積小，集成效率高。嵌入式系統(tǒng)去除冗余，力爭(zhēng)用最小的系統(tǒng)完成目 標(biāo)功能，特別是在一些手持設(shè)備中更是如此。 面向特定的應(yīng)用。具體嵌入式系統(tǒng)只能適用某一特定應(yīng)用，針對(duì)另一應(yīng) 用就需要重新設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。 低功耗，電磁兼容性好，能在惡劣的環(huán)境中工作，即使死機(jī)也能很快重 新啟動(dòng)。 總之，嵌入式系統(tǒng)的硬件在功能、體積、重量、能耗等多方面都有嚴(yán)格的限 制。 2 軟件特性 軟件是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的靈魂，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的軟件，它具有以下特點(diǎn)： 嵌入式軟件的開發(fā)與硬件緊密相關(guān)。由于嵌入式軟件的開發(fā)是針對(duì)具體 硬件平臺(tái)進(jìn)行的，它往往涉及到硬件驅(qū)動(dòng)方面，這就要求軟件開發(fā)人員 必須具備相關(guān)的硬件知識(shí)。 軟件代碼要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系統(tǒng)中軟件運(yùn)行空間有限， 內(nèi)存空間非常寶貴，在編寫過(guò)程中必須考慮到軟件的運(yùn)行效率，同時(shí)要 選用高質(zhì)量的編譯工具。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，處理器必須能夠處理異步發(fā)生 的各種任務(wù)，這對(duì)程序的算法設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 軟件一般都固化在f l a s h 和r o m 中。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)的可靠 性，同時(shí)縮短系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間，一般在嵌入式軟件調(diào)試成功后，會(huì)將程序 下載到目標(biāo)板的f l a s h 和r o m 中。目標(biāo)板啟動(dòng)后，再運(yùn)行其中的代碼， 而不是像p c 機(jī)那樣從硬盤存儲(chǔ)器中讀取程序。 總體來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)具有便利靈活、性能價(jià)格比高、嵌入性強(qiáng)等特點(diǎn)， 可以嵌入到現(xiàn)有任何信息家電和工業(yè)控制系統(tǒng)中。從軟件角度來(lái)看，嵌入式 系統(tǒng)具有不可修改性、系統(tǒng)所需配置要求低、系統(tǒng)專業(yè)性和實(shí)時(shí)性較強(qiáng)等特 點(diǎn)。 后p c 時(shí)代是一個(gè)真實(shí)的階段，而且是一個(gè)可以預(yù)測(cè)的時(shí)代。嵌入式系統(tǒng) 就是與這一時(shí)代緊密相關(guān)的產(chǎn)物，它將拉近人與計(jì)算機(jī)的距離，形成一個(gè)人 機(jī)和諧的工作和生活環(huán)境。從某個(gè)角度來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)可應(yīng)用于人類工作 與生活的各個(gè)領(lǐng)域，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。嵌入式系統(tǒng)在傳統(tǒng)的工業(yè)控 制和商業(yè)管理領(lǐng)域已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用空間。因此，該課題采用嵌入式系統(tǒng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)具有較高的科技含量和巨大的實(shí)際意義。 9 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 2 3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建 綜合考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在硬件平臺(tái)的構(gòu)建 上，我們選用的的是a r m 嵌入式實(shí)現(xiàn)方案。a r m 芯片選用的是韓國(guó)三星半導(dǎo) 體公司生產(chǎn)的基于a r m 9 2 0 t 內(nèi)核的1 6 3 2 位r s i c 嵌入式微處理器。此外，系 統(tǒng)的硬件平臺(tái)還包括有線、無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊，以及其它外圍擴(kuò)展電路。 2 3 1a r m 微處理器概述 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理 器的品種總量已經(jīng)超過(guò)了1 0 0 0 種，流行的體系結(jié)構(gòu)有3 0 多個(gè)系列。從應(yīng)用的角 度來(lái)劃分，嵌入式處理器包含了以下幾種類型：嵌入式微處理器( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) ：嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o u e ru n i t ，m c u ) ； 嵌入式d s p ( e m b e d d e dd i g t m ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 和嵌入式片上系統(tǒng)( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 。 a r m 既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱， 還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯 片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用a r m 技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)( i p ) 核的微處理器，即通 常所說(shuō)的a r m 微處理器，己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。a r m 體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是業(yè)界領(lǐng)先的3 2 位嵌入式r s i c 微處理器結(jié)構(gòu)，基于a r m 技術(shù)的微處理器約占據(jù)了3 2 位r s i c 微處理器7 5 以上的市場(chǎng)份額【4 】。 1 a r m 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 到目前為止，a r m 微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。 工業(yè)控制領(lǐng)域：作為3 2 位的r s i c 架構(gòu)，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微 控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，a r m 微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8 位1 6 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。 無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前也有超過(guò)8 5 的無(wú)線通訊設(shè)備采用了a r m 技術(shù)， a r m 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用a r m 技術(shù)的a d s l 芯片正逐步 獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，a r m 在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣 泛支持，也對(duì)d s p 的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。 1 0 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 消費(fèi)類電子產(chǎn)品：a r m 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒 和游戲機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。 成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用a r m 技 術(shù)。手機(jī)中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技術(shù)。 除此之外，a r m 微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取 得更加廣泛的應(yīng)用。 2 a r m 微處理器的特點(diǎn) 采用r s i c 架構(gòu)的a r m 微處理器一般具有以下特點(diǎn)： 體積小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b l ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 雙指令集，能更好地兼容8 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； 指令長(zhǎng)度固定。 a r m 微處理器有a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l0 e 、s e c u r c o r e 、i n t e l 的 s t o n g a r m 和i n t e l 的x s c a l e 等多個(gè)系列。除了具有a r m 體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以 外，每個(gè)系列的a r m 微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。如a r m 7 系列適用 于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)電話等應(yīng)用；a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 e 系列則 更適合于無(wú)線設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；s e c u r c o r e 系列專門為安全要求較 高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如，電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)等領(lǐng)域；i n t e l 的 s t o n g a r m 處理器是便攜通信產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于 多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。因此，對(duì)a r m 微處理器的選擇要綜合考慮系統(tǒng) 的應(yīng)用領(lǐng)域以及a r m 微處理器本身的特點(diǎn)是否適用于系統(tǒng)需要。例如，如果用 戶希望使用w i n d o w s c e 或l i n u x 等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，那么就需要 選擇a r m 7 2 0 t 以上帶有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片。 此外，還要考慮系統(tǒng)的工作頻率、芯片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量、片內(nèi)外圍電路的配置等 問題。 2 3 2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)概述 在綜合考慮系統(tǒng)功能、開發(fā)成本、開發(fā)周期等因素的基礎(chǔ)上，我們選用了北 京恒頤高科技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的h 2 4 1 0 c 開發(fā)板作為硬件平臺(tái)。該開發(fā)板采 第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 用韓國(guó)三星半導(dǎo)體公司的$ 3 c 2 4 1 0 處理器。$ 3 c 2 4 1 0 是一款基于a r m 9 2 0 t 內(nèi)核 的1 6 3 2 位r s i c 嵌入式微處理器，主要面向高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。 如圖2 - 1 所示是h 2 4 1 0 c 開發(fā)板的系統(tǒng)框圖。 圖2 1 開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)框圖 該平臺(tái)在盡可能小的電路板面積上集成了6 4 ms d r a m 、6 4 mn a n df l a s h 、 2 mf l a s h ( 可擴(kuò)展為4 m ) 、以太網(wǎng)、音頻輸入與輸出、u s bs l a v e 、u s bh o s t 、 標(biāo)準(zhǔn)串口、s d 卡插座等設(shè)備接口，并且引出了c p u 的大部分信號(hào)引腳。通過(guò)這 個(gè)平臺(tái)可以針對(duì)$ 3 c 2 4 1 0 進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并且能夠很方便地在該 平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的功能擴(kuò)展以及進(jìn)行所需產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 1 a r m 9 2 0 t 簡(jiǎn)介 a r m 9 2 0 t 是a r m 9 2 0 t d m i 系列中的一款通用性的微處理器，由內(nèi)核、高 速緩存和內(nèi)存管理單元( m m7 ) 組成。采用5 級(jí)流水線工作，即取指、譯碼、 執(zhí)行、緩存數(shù)據(jù)、回寫。具有分開的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這樣可以把指令訪問 和數(shù)據(jù)訪問單獨(dú)安排1 級(jí)流水線。 a r m 9 2 0 t 內(nèi)核編程模型： a r m 9 2 0 t 支持字節(jié)( 8 位) 、半字( 1 6 位) 、字( 3 2 位) 3 種數(shù)據(jù)類型， 其中，字需要4 字節(jié)對(duì)齊，半字需要2 字節(jié)對(duì)齊。 a r m 9 2 0 t 微處理器一般由a r m 狀態(tài)和t h u m b 狀態(tài)兩種工作狀態(tài)。在程 序的執(zhí)行過(guò)程中，微處理器可以隨時(shí)在兩種工作狀態(tài)之間切換，并且， 處理器工作狀態(tài)的切換不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器的內(nèi)容。 1 2 第二章系繞設(shè)計(jì)方案概述 a r m 9 2 0 t 支持7 種運(yùn)行模式，分別為用戶模式( u s r ) 、快速中斷模式( f i q ) 、 外部中斷模式( i r q ) 、管理模式( s v e ) 、數(shù)據(jù)訪聞終止模式( a b t ) 、系 統(tǒng)模式( s y s ) 、和未定義指令中止模式( u n d ) 。a r m 微處理器的運(yùn)行 模式爵以通過(guò)軟件改變，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理改變。 寄存器組織：a r m 9 2 0 t 共有3 7 個(gè)3 2 位寄存器，其中3 1 個(gè)為通用寄存 器，6 個(gè)為狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能同時(shí)被訪問，具體哪些寄存 器是可編程訪問的，取決于微處理器的_ i 作狀態(tài)及爨體的運(yùn)行模式。 a r m 9 2 0 t 體系結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器( c p s r ) 和5 個(gè)備 份的程序狀態(tài)寄存器( s p s r ) 。備份的程穿狀態(tài)寄存器用來(lái)進(jìn)行異常處 理，其功能包括保存魅u 中的當(dāng)前操作信息、控制允許和禁止中斷以及 設(shè)置處理器的運(yùn)行模式。 2 $ 3 c 2 4 1