1、<p>　　《嵌入式系統二》課程設計報告</p><p><b>　　溫度采集系統的設計</b></p><p><b>　　班級:</b></p><p><b>　　學號:</b></p><p><b>　　姓名:</b></p>

2、;<p><b>　　指導教師：</b></p><p>　　設計日期：2013年7月1日 至 2013年7月5日</p><p>　　設計題目：基于ARM的溫度采集系統設計 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計是基于嵌入式技術作為主處理器的溫度采

3、集系統，利用S3C44B0x ARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨的數據采集模塊采集數據，實現了智能化的溫度數據采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論了如何提高系統的速度、可靠性和可擴展性。并解決了傳統的數據采集系統由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應現代化工業(yè)的高速發(fā)展。</p><p>　　關鍵詞：嵌入式系統 ARM S3C44B0 溫度采集 數據處理</p

4、><p><b>　　一、緒論</b></p><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　?。?） 了解所選擇的ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數/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知識。</p><p>　?。?） 通過軟硬件設計實現利用ARM芯片對周

5、圍環(huán)境溫度信號的采集及顯示。</p><p><b>　　1.2設計背景</b></p><p>　　嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。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。嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結

6、合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統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，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統。嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適

7、應各種需要的系統，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內核，需要根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，使得這種擴展能夠非常順利的進行。</p><p>　　數據采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數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。數據采集系統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靈活的、

8、用戶自定義的測量系統。被采集數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，也可以是數字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數據重復采集。采集的數據大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數據量測是數據采集的基礎。數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，以保證數據的正確性。</p><p

9、>　　傳統的溫度采集系統由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經不能完全適應現代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統成為當務之急?；贏RM的溫度采集系統就成為了解決傳統溫度采集系統各種弊端的優(yōu)先選擇方案。</p><p><b>　　二、設計方案</b></p><p>

10、<b>　　2.1設計要求</b></p><p>　?。?）查閱相關文獻資料，熟悉所選ARM芯片及溫度傳感器</p><p>　?。?）總體設計方案規(guī)劃</p><p>　?。?）系統硬件設計，熟悉AD轉換原理及過程，溫度傳感器與ARM芯片的硬件接口實現及溫度顯示。</p><p>　?。?）系統軟件設計，包括溫度的A

11、D轉換及顯示的軟件實現，用C語言編程</p><p>　　（5）設計心得體會及總結</p><p><b>　　2.2方案論證</b></p><p>　　有許多客觀需求促進了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的又

12、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非常有幫助的。</p><p>　　另外，嵌入式系統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。在某種意義上，甚至可以認為ARM 內核的成功，正是因為它沒有在RISC的概念

13、上沉入太深?，F在系統的關鍵并不在于單純的處理器速度，而在于有效的系統性能和功耗。</p><p>　　在本系統的設計過程中，根據嵌入式系統的基本設計思想，系統采用了模塊化的設計方法，并且根據系統的功能要求和技術指標，系統遵循自上而下、由大到小、由粗到細的設計思想，按照系統的功能層次，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調。</p><p><b>

14、;　　三、硬件設計</b></p><p><b>　　3.1設計思路</b></p><p>　　本設計的基于ARM 的嵌入式數據采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系統采用“電源部分＋ARM 核心控制模塊＋溫度采集模塊”實現所需功能。并考慮到系統的可擴展性和延伸性，本系統采用主從CPU協同工作，實現了數據的實時采集、傳輸與顯示，具有處

15、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。</p><p>　　本設計的基于ARM 的嵌入式數據采集和顯示裝置的原理框圖如圖3-1 所示。由圖可見，本系統采用“電源部分＋ARM 核心控制模塊＋溫度采集模塊”實現所需功能。</p><p><b>　　電源部分</b></p><p>　　圖3-1  系統原理框圖&l

16、t;/p><p><b>　　3.2系統電路設計</b></p><p>　　3.2.1 電源電路設計</p><p>　　本系統的電源電路由兩部分組成：系統總電源電路和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給ARM核心控制模塊和其余電路部分使用。

17、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而特別設計，達到了可靠性電源設計目的。另外，由于系統正常工作電流較大，因此使用時均應在7809和7805上加散熱片散熱。 由圖可見，系統采用雙電源供電，提供了系統正常工作所需的電源電壓。另外，由于考慮到便攜目的，本系統采用+12V鉛蓄電池提供系統所需的恒定直流電源。</p><p>　　圖3-2  系統電源電路原理圖&l

18、t;/p><p>　　如圖3-2：I/O 口提供了相應的穩(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采用2.5V作為ARM 內核電源，使用3.3V作為I/O 口電壓，故ARM核心控制模塊電源需要另外單獨設計，其電源電路如圖3-2所示。由系統總電源電路提供的+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

19、.0V、3.3V和2.5V恒定電源，為RAM 內核和I/O口提供了相應的穩(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。</p><p>　　3.2.2溫度采集電路設計</p><p>　　溫度采集模塊電路采用AT89S52單片機作為模塊的協控制器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，因為DS18B20是Dallas公司最新單總線數字溫度傳感器，該傳感器集溫

20、度變換、A/D轉換于同一芯片，輸出直接為數字信號，大大提高了電路的效率。由于現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，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，用于采集溫度數據；另外，模塊提供RS-232串行口與RAM核心控制模塊通信，達到數據傳輸的目的。溫度采集模塊電路原理圖如圖3-3。</p><p>　　圖3-3  溫度采集電路原理圖<

21、;/p><p><b>　　四、軟件設計</b></p><p><b>　　4.1設計思路</b></p><p>　　本系統軟件設計是在CodeWarrior for ADS開發(fā)環(huán)境下完成的。本溫度數據采集與顯示裝置的主體由S3C44B0x核心控制模塊和溫度數據采集模塊構成，所以系統軟件也是圍繞這兩個模塊來編寫的。而又由于

22、系統采用了S3C44Box和AT89S52兩個CPU協同工作，所以軟件的編寫需要對這兩個CPU分別編寫，以實現所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。</p><p><b>　　圖4-1程序流程圖</b></p><p>　　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；然后初始化硬件裝置，以使硬件系統可以正常

23、支持溫度數據采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊與ARM核心控制模塊連接正常，并通過UART復位溫度數據采集模塊，確保其進入正常溫度數據采集狀態(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，系統初始化完成，并進入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。</p><p>　　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立即進行數據的采集、處理

24、與顯示，以實現實時數據采集與顯示等功能。 </p><p>　　其主程序包括溫度采集程序、ARM獲取溫度子程序、溫度處理和轉換子程序。當ARM 處理器接收到正確的溫度數據后，立即進行相應的溫度數據處理與轉換，變成可被LCD直接顯示的正確溫度值。</p><p><b>　　五、心得體會</b></p><p>　　在這次ARM嵌入式系統課程設計

25、中，我對ARM嵌入式系統尤其是數據處理中的溫度采集系統有了更進一步的了解，同時知識面也進一步得到了擴展和加深。</p><p>　　本次課程設計的任務主要是對基于傳統溫度采集系統的使用環(huán)節(jié)中遇到的一些問題提出的一種改進方法，有助于溫度采集系統更好的發(fā)展與使用，幫助我們更好的理解嵌入式系統和溫度采集系統的原理和應用。溫度采集是一種直接數字處理方法。所謂溫度采集系統，就是通過溫度傳感器對被采集物體進行溫度數據的收集與

26、處理，最后得到所需要的有用的數字信號并送入系統的下一環(huán)節(jié)進行其他操作。目前，由于傳統的溫度采集系統存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經不能完全適應現代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統成為當務之急。所以，學習和應用溫度采集系統及其應用技術對我們以后的學習和工作有著十分重要的意義。</p><p>　　通過本次課程設計，讓我

27、很好的鍛煉了理論聯系實際，與具體項目、課題相結合開發(fā)、設計產品的能力。既讓我懂得了怎樣將理論應用于實際，又讓我懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在設計過程中，總是會遇到這樣或那樣的問題。有時一個問題可能會需要去查閱資料，做大量的工作，花大量的時間才能解決。通過不斷地發(fā)現問題，解決問題，我的發(fā)現問題和解決問題的能力便在其中建立起來了。這都為以后的工作積累了經驗，同時也增強了我解決問題的能力</p><p>

28、<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 周立功，ARM嵌入式系統基礎教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社 2008</p><p>　　[2] 周立功，深入淺出ARM7-LPC213X/214X[M]. 北京：北京航空航天大學出版社2006</p><p>　　[3] 周立功，從51到ARM-32位嵌入式系統入門[M

29、]. 北京：北京航空航天大學出版社2006</p><p>　　[4] 王田苗，嵌入式系統設計與實例開發(fā)[M]. 北京:清華大學出版社,2003 </p><p>　　[5] 杜春雷，ARM 體系結構與編程[M]. 北京:清華大學出版社.2003 </p><p>　　[6] 王中訓 李樹起等，基于水溫控制的數據采集系統[M].  煤礦機械出版社，

30、第27 卷第5 期：855—857 </p><p>　　[7] 黃智偉，鄧月明，王彥.ARM9嵌入式系統設計基礎教程.北京：北航出版社，2008.</p><p>　　[8] 沈建華. ARM嵌入式系統開發(fā)：軟件設計與優(yōu)化.北京：北航出版社，2005.</p><p>　　[9] 王勇，嵌入式系統原理與設計[M]，浙江：浙江大學出版社，2007.</p>

31、;<p>　　[10] 封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統開發(fā)完全入門與主流實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.</p><p><b>　　附錄：程序清單</b></p><p>　　溫度處理與轉換子程序如下： </p><p>　　//存放讀取到的當前溫度值，未轉換 </p><p>　　Stat

32、ic U16 a-temp-now[8]={8*0} </p><p>　　//存放經精度計算后的實際溫度值，高8位整數部分，低8位小數部分 </p><p>　　static U16 b-temp-now[8]={8*0}; </p><p>　　//存放8路轉換后溫度值,分別為百位,十位,個位,小數位 </p><p>　　static

33、U8 temp-convent-all[32]={32*0}; </p><p>　　//------------------------------- </p><p>　　//溫度處理與轉換子程序</p><p>　　//---------------------------------- </p><p>　　void temp-cha

34、nge(void) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　U8 negtive=0x00;     //存放數的符號，若為正=0；若為負，=0xff </p><p><b>　　U8 j=0; </b></p><p>　　U8 *

35、pt=temp-convent-all; </p><p>　　U16 *p1=a-temp-now; </p><p>　　U16 *p3=b-temp-now;</p><p>　　U16 temp=0;</p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{ <

36、/b></p><p>　　negative =0x00;</p><p><b>　　temp=*p1;</b></p><p>　　//若溫度為負值，進行相應處理</p><p>　　if((temp&0xf80) ！=0) </p><p><b>　　{ </

37、b></p><p>　　temp=(~temp)+1；//轉為正的原碼 </p><p>　　negative=0xff； // 同時置符號為0xff</p><p><b>　　} </b></p><p>　　//根據精度消除無關數據 </p><p>　　switch(a-temp-

38、prec) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　case 0x1f:    //精度為9位,則清除最低3位無效位 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=temp&0xfff8;break;</p

39、><p><b>　　} </b></p><p>　　case 0x3f:    //精度為10位,則清除最低2位無效位 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=temp&0xfffc;break;</p><p

40、><b>　　}</b></p><p>　　case 0x5f:    //精度為11位,則清除最低1位無效位 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=temp&0xfffe;break;</p><p><b>

41、;　　} </b></p><p>　　case 0x7f:    //精度為12位 </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　} </b></p>

42、;<p><b>　　} </b></p><p>　　//換算成實際溫度,并擴大10倍,去掉小數部分</p><p>　　temp=(U16)((float)(temp)*0.625);</p><p>　　//折算放入b-temp-now  數組中</p><p>　　//高8位放整數部分，低

43、8位放小數部分，最高位放符號位</p><p>　　if(negtive== 0xff) //若為負值 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)|0x8000;</p><p><b>　　} </b><

44、/p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)&0x7fff;</p><p><b>　　} </b></p><p>

45、　　if(negative==0xff) //若為負值 </p><p>　　{(*pt++)=0x80;} </p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　(*pt++)=temp/1000%10+0x30;</p><

46、;p><b>　　}</b></p><p>　　(*pt++)=temp/100%10+0x30; </p><p>　　(*pt++)=temp/10%10+0x30; </p><p>　　(*pt++)=temp%10+0x30; </p><p><b>　　p1++; </b>&l

47、t;/p><p><b>　　p3++; </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　//轉換完成后清除讀回的原始溫度 </p><p>　　p1=a-temp-now; </p><p>　　for(j=8;j>0;j--) </p>