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论文作者签 签字日期:羔丑』:』:』 指导教师签名: 签字日期:量丛女:左 目 录摘要…………………………………………………………………………………….IHAbstract……………………………………………………………………………………………………………..IV第一章绪论…………………………………………………………………………。
l1.1嵌入式技术的发展概况及现状……………………………………………………..11.1.1嵌入式系统的硬件介绍……………………………………………………………l1.1.2嵌入式操作系统的介绍……………………………………………………………31.2本文的选题背景及主要工作…………………………………………………………4第二章系统的总体设计…………………………………………………………………62.1控制硬件系统的选择…………………………………………………………………。
62.3控制软件系统的选择…………………………………………………………………72.3.1嵌入式软件系统的选择…………………………………………………………….72.3.2嵌入式应用软件的选择……………………………………………………………7第三章控制硬件系统设计……………………………………………………………….93.1主控制芯片介绍………………………………………………………………………93.1.1主控制芯片的功能…………………………………………………………………92.1.2主控制芯片的处理工作状态…………………………………………………….102.1.3主控制芯片的切换状态………………………………………………………….102.I A指令长度………………………………………………………………………………………………….1 l2.1.5操作模式……………………………………………………………………………123.2模拟电路的设计…………………………………………………………………….1 23.2.1前端温度采集电路设计…………………………………………………………..123.2.2后端PWH波输出控制电路设计…………………………………………………143.3储模块设计…………………………………………………………………………l 53.3.1 Flash存储器电路设计……………………………………………………………。
l 53.3.2 SDRAM内存电路设计……………………………………………………………173.4通信模块的设计……………………………………………………………………1 83.4.1串行接口电路设计……………………………………………………………….1 83.4.2 JTAG接口电路设计………………………………………………………………193.4.3 USB接口电路设计……………………………………………………………….203.4.4以太网接口电路设计…………………………………………………………….203.5触摸屏工作原理及接口电路设计………………………………………………….2l3.5.1 LCD触摸屏工作原理分类……………………………………………………….2l3.5.2 LCD触摸屏接口电路设计……………………………………………………….233.6电源模块的设计……………………………………………………………………243.7晶振电路及复位电路……………………………………………………………….243.8硬件PCB板的制作…………………………………………………………………25第四章控制系统软件设计………………………………………………………………264.1嵌入式Linux操作系统的移植…………………………………………………….264.1.1交叉编译环境的建立………………………………………………………………264.1.2 BootLoadel”的移植…………………………………………………………………264.1.3 Linux内核的移植…………………………………………………………………274.1.4构建根文件系统…………………………………………………………………314.2 Linux系统的设备驱动设计…………………………………………………………324.2.1 Linux系统设备驱动简介…:..………………………………………………………324.2.2 USB通信驱动设计……………………………………………………………….334.3软件系统的程序设计………………………………………………………………384.3.1触摸屏控制界面设计……………………………………………………………。
384.3.2控制程序设计…………………………………………………………………….4 l4.3.3积分分离PID控制算法…………………………………………………………424.3.4上位机软件程序
设计……………………………………………………………。
44第五章系统调试…………………………………………………………………………465.1恒温系统所达到的性能指标………………………………………………………。
465.1.1恒温系统的PWM控制波形图…………………………………………………..465.1.2恒温系统的控制精度……………………………………………………………。
485.2调试结果论述………………………………………………………………………48第六章总结与展望…………………………………………………………………….49参考文献………………………………………………………………………………….50个人简介及发表
论文…………………………………………………………………。
52jlt谢……………………………………………………………………………………………………….。
……53附件I PCB图……………………………………………………………………………………………………54附件Ⅱ调试实物图…………………………………………………………………….54 Ⅱ 摘要 恒温系统的运用在工业领域最为常见,随着电子技术的快速发展,对工业领域的现场温度测控也由以前的指针温度计、刻度温度计向数字式、触摸屏显示的智能温度仪表发展,还有,对恒温系统的精度要求也不断提高。
传统的利用单片机设计的恒温系统已经逐渐不能适应日渐复杂的恒温系统的需求,高精度数据处理、友好的人机交互界面、远距离智能化的监控系统将成了现代智能化系统的迫切需求。
伴随着嵌入式系统的迅猛发展,以单片机为中心的传统应用正逐步被嵌入式系统的应用所取代,成为未来智能化仪器仪表发展的趋势。
本文立足于设计一种基于嵌入式的高精度恒温系统,运用嵌入式Linux操作系统在32位ARM微处理器上进行移植并对其实时性进行了改造,围绕¥3C2440处理器芯片,完成了前端温度采集电路、后端PWM波输出驱动电路、存储模块电路、通信模块电路、触摸屏电路、电源模块电路及其它辅助电路的设计,并选用半导体制冷片对恒温系统的温度参数进行调节;搭建了的嵌入式Liunx的软件系统平台,设计温度采集程序、PID算法程序、USB通信设备驱动程序等的编写,并使用Qtopia作为嵌入式恒温系统应用程序的人机交互界面的支撑环境,有效地改善了人机接口操作效率,提高了产品的档次;使用VC++6.0完成了上位机
软件界面的编写,实现了硬件目标板与上位机通信;研究了¥3C2440处理器的整体的系统构架,并验证和分析了在恒温控制领域的可行性。
关键词:高精度恒温系统,Linux操作系统,ARM微处理器,半导体制冷片,Qtopia Ⅲ Abstract Temperature control is very common in industry.As the rapid development of electrictechnology and computer tech,the way to measure site temperature has been transferred todigital,terminal and intelligent thermometer from original graduated or indicator thermometer.What’s more,requirement of temperature measurement precision is higher and higher.Traditional constant temperature system designed by MCU cannot adjust to more and morecomplex application requirements now.High precision data processing,friendly human—machineinterface,distance intelligent monitoering fuction system almost becomed the commonrequirement of intelligent system.As the rapidly developing embeded system,the embededapplicant system is substituting the traditional applicant which focuses on MCU,and it isbecoming a pricinple one in future intelligent instruments. This paper is focused on designing a high precised constant tempw,amre system based onembeded one,which is implanted on 32 bit ARM microprocessor by Linux operating system,andtransformed in its real-time character;,it also completed design of front tempreature acquisitioncircuit’back PWM wave output driving circuit’memory module circuit,communication modulecircuit’touch screen circuit’power module circuit and other assistant circuits.By the way,itselected semiconductor chilling plate to删ust the tempreatute parameters of canstanttempreature system.It established microsoft system platform of embeded Liunx,compileddesigning tempreature acquisiting program,PID algorithm program,USB communication setsdriving program and SO OIL It used Qtopia as environment of human-machine interface inembeded constant system application program.This improved the efficiency of human-machineinterface operation and enhanced products grade.It used VC++6.0 compiling of host computersoftware interface and realized the communication between hardware target board and hostcomputer.It studied the all system compostion of¥3C2440 processor,analized and proved itsfeasibility in the field ofconstant temprcature contr01.Keyword:high precised constant tempreature system,Linux operating system,ARMmicroprocessor,semiconductor chilling plate,Qtopia IV 第‘章绪论 第一章绪论1.1嵌入式技术的发展概况及现状 随着现代电子技术的快速发展,嵌入式系统已经被广泛应用在工业控制、消费电子、无线通信领域、智能仪表等各个领域。
嵌入式系统使将计算机的硬件和软件相结合,完成特定的任务及功能,并要求其产品体积小、实时性好、系统可靠性好以及性价比高。
所以对嵌入式应用系统开发来说,如何针对我们要设计的应用系统来选择合适的嵌入式处理器,使嵌入式系统与其硬件相结合也是十分关键的。
我们知道通用计算机技术的飞速发展促进了嵌入式系统的更快速发展,但是由于应用目标的不同,使得这两种体系的发展方向又有些许的差异,嵌入式技术的本质就是定制,实施定制的主要手段是对计算机的软硬件系统进行裁剪。
例如照相机的软件只需要提供照片的管理功能,硬件只需要提供处理器、存储器以及拍摄设备即可。
1.1.1嵌入式系统的硬件介绍 嵌入式系统的硬件是指以嵌入式处理器为中心,配置存储器、I/O设备、
通信模块、电源等必要的电路组成。
嵌入式系统是对需求“量身定做”的专用计算机应用系统,但又不同于普通的
计算机系统,我们在设计过程中要求嵌入式系统的硬件配置精简,除了微处理器及基本的外围电路以外,其余的电路可以根据需要进行“裁剪”,并要求产品
经济、可靠。
从实际的应用角度来对嵌入式处理器划分,目前市场上
常用的几种类型的嵌入式处理器如下【1】:1.嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit) 嵌入式微处理器是根据通用计算机中的CPU发展起来的,与标准微处理器在功能上基本相似,但为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器在
工作温度、可靠性、抗电磁干扰等方面与标准微处理器相比都做了不少的改进。
目前,市场上存在的嵌入式微处理器主要有:Power PC、Aml86/88、SC-400、ARM、MIPS等系列。
嵌入式微处理器又可分为RISC与CISC两类,我们熟悉的台式PC机使用的x86处理器就是CISC微处理器;RISC的结构体系则有两大主流技术,包括ARM公司的Advanced RISC Machines技术和SiliconGraphics公司的MIPS技术。
此外,日立公司也有一套自己的RISC技术SuperH处理器。
南京信息工程大学硕十
论文2.嵌入式微控制器(Micro Controller Unit) 嵌入式微控制器,我们又习惯称为单片机,即一块芯片尽可能多的集成整个计算机系统,嵌入式微控制器与嵌入式微处理器相比,其最大的特点就是体积大大的减小,功耗及成本也相应的下降,系统的可靠性性能提高。
为了适应不同的实际应用需求,一个系列的单片机一般都具有多种类别,每种类别的处理器内核都是相同的,不同的则是存储器的容量、外设的功能模块及芯片封装。
目前,嵌入式微控制器的品种及数量最多,市场上比较有代表性的微控制器有8051、MCS.251、P51XA、MCS.96/196/296、MC68HC05/11/12/16、C166/167、支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541等系列。
近年来多家提供嵌入式微处理器的公司推出了自己的MCU,Motorola公司把以Power PC微处理器为基础的PPC505与PPC555列入MCU的行列:TI公司也将TMS320C2XNX系列的DSP作为MCU来做应用推广。
3.嵌入式DSP(Embedded Digital Signal Processor) 目前,DSP处理算法正在向嵌入式领域推进。
推动嵌入式DSP发展的主要因素是嵌入式系统的智能化。
比如,现在各种带有智能化控制的消费类产品、识别生物信息的终端、实时语音
压缩解压
系统、带有解加密算法的键盘、虚拟显示等产品,这些产品的算法一般运算量都比较大,这正是嵌入式DSP的长处所在。
目前,市场上嵌入式DSP比较有代表性的产品包括1rI公司的TMS320系列,其中TMS320系列处理器用于控制的是(22000系列,用于移动通信的是C5000系列,还包括性能更高的C6000及C8000系列;Motorola公司的DSP56000系列。
嵌入式DSP的设计者把重点放在处理数据流上,如果实际需求中,要求对数据流的处理及高精度复杂运算,我们应该选用嵌入式DSP器件。
4.嵌入式片上系统(System On Chip) 嵌入式片上系统是随着半导体工艺的迅速发展,在一块小的硅片上实现更为复杂的系统。
嵌入式片上系统(SOC)设计公司使用标准的VHDL等硬件描述语言描述将各种通用处理器内核及其他外围设备建立标准器件库。
这样,整个嵌入式系统就可以集成到一块小的芯片中了,使设计的电路板更为简单。
目前,嵌入式片上系统(System On Chip)可以分为通用和专用两类,其中通用系列包括Motorola公司的M-Core、一些ARM系列器件及Echelon与Motorola联合研制的Neuron芯片等;专用系列中一个代表性的是飞利浦公司的Smart XA,Smart XA能够加载Java或C语言的专用的片上系统。
2 第一章绪论1.1.2嵌入式操作系统的介绍 嵌入式操作系统是负责分配、调度、控制、协调嵌入式系统的软、硬件资源,体现其所在应用系统的特征,并可以能够通过加载/卸载某些功能模块来达到应用系统所需要的功能。
伴随着嵌入式系统在实际的应用的领域越来越广泛,操作系统使用成为必然发展趋势。
下面介绍几种代表性嵌入式操作系统〔21:1.VxWorks VxWorks是1983年美国风河公司开发的一种嵌入式实时操作系统0王TOS),它具有良好的持续发展能力、高性能的内核系统及友好的用户开发界面,很快在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。
VxWorks具有可裁剪微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务间通讯、微秒级的中断处理及完整的TCP/IP
网络协议等。
然而,VxWorks使用价格昂贵,通常需花费10万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境,对每一个应用还要另外收取版税,还不提供通用源
代码,只提供二进制
代码,所以,在中国市场的应用还不是很广泛。
2.Windows CE W’mdows CE推广的最大优势就是与Windows系统有较好的兼容性,但从技术角度上讲,Windows CE作为嵌入式操作系统有不少缺陷:不提供开放源
代码,使应用开发人员很难实现产品的定制;其与Windows系统一样占用过的系统内存、运用程序庞大,体现在效率、功耗方面的表现并不理想。
3.p.C/OS-II Ilc/os.II是有着源
代码公开的实时内核,可用于8位、16位及32位MCU或DSP等处理器专为嵌入式应用设计而成的。
J-tC/OS.II在近十年的实践使用中,有着许多成功的应用实例。
但由于pc/os.II仅是一个实时内核,不能像其他实时系统那样提供给用户的一些API函数接口,还需要用户自己去完成许多工作,从而增加了应用系统设计的复杂性。
4.嵌入式Linux 嵌入式Linux系统是嵌入式操作系统的一个新成员,但其最大的特点就是是提供源
代码并且遵循GPL协议,软件的开发和维护成本很低、内核精小强悍、运行所需内存资源少、支持数量庞大的硬件需求,嵌入式Linux和普通Linux系统并无本质区别,PC机上用到的 3 南京信息‘1:程大学硕士
论文硬件嵌入式Linux几乎都支持并都可以
开源得到,就为用户编写自己设计的专有硬件的驱动
程序带来极大的方便。
1.2本文的选题背景及主要工作 随着电子技术、计算机技术的飞速发展,对现场温度的监控也由过去的模拟刻度温度计、指针温度计向数字、触摸屏显示的智能温度计发展,而且,对温度测量的精度要求也越来越高。
传统的单片机设计的恒温系统己经越来越不能适应日渐复杂的应用需求,友好的人机交互界面、远距离监控功能、智能化的软件、高效的数据处理几乎成了智能化系统的共同需求。
随着嵌入式系统的迅猛发展,这种嵌入式应用系统正逐步取代传统的以单片机为中心的应用,成为未来智能化仪表中的主力军。
目前,工业生产控制过程需要应用大量智能控制仪表,尤其是温度控制,至今全世界仍有将近84%的温度控制系统使用纯PID控制器,这是因为PID调节器具有规律简单、运行可靠、易于实现的特点。
然而,温度是一种常见的过程变最,温度控制系统大都含有纯滞后环节,如果使用传统PID调节器则容易引起系统超调和振荡以及系统参数的变化,这种随机产生的和不可准确预计的变化,无疑增加了高精度温度控制的难度。
为了解决传统PID控制算法在基于智能仪表的温度控制效果不佳的状况,利用现代电子技术,通过对所需要恒温装置进行温度实时高精度采集和控制相关驱动电路来使装置处在恒温状态。
本设计为小型高精度恒温系统,其实际要求温度精确度为0.5℃,分辨度0.1℃。
在.20℃到100℃之间任意温度都可以恒温。
针对此小型恒温系统的实际要求,选用体积小、重量轻、工作噪音低的半导体加热制冷片作为执行部件;选用合适的处理器及合适的PID控制算法,对温度进行显示、控制;以及与上位机通信,便于用户后台对此恒温系统的控制。
本设计的工作主要分为三个部分:1.控制系统的总体方案选择 选择以ARM9处理器¥3C2440芯片为硬件核心,通过铂电阻Ptl00温度传感器进行温度实时高精度采集,并使用Qtopia作为嵌入式恒温系统应用程序的支撑环境,设计人机交互界面(GIJl)进行显示和设定所需温度,可通过USB与上位机进行通讯,并选择合适的PID算法产生PWM波控制相关驱动电路来使装置处在恒温状态,温度执行部件选用体积小、重量轻、工作噪音低的半导体加热制冷片。
2.控制硬件系统的设计 围绕主处理器芯片,设计前端温度采集电路、后端PWM波输出驱动电路、存储模块电路、通信模块电路、触摸屏电路、电源模块电路及其它辅助电路,并完成PCB板的制作与调试。
3.控制软件系统的设计 4 第一章绪论 搭建嵌入式软件系统平台,设计温度采集程序、PID算法程序、USB通信设备驱动程序等编写;制作高精度恒温系统的应用程序,将应用程序移植到硬件目标板上,实现了对硬件目标板上的调试;完成了上位机软件界面的编写,实现了硬件目标板与上位机通信。
5 南京信息‘f程大学硕上
论文 第二章系统的总体设计2.1控制硬件系统的选择 目前,在温度控制领域应用的控制器主要是采用传统的PLC及单片机。
传统的PLC主要是针对大型温度项目工程,但灵活性相对不足、体积大、成本又相对较高、功能扩展需要更多的模块且比较困难:而单片机主要用于小型设备的温度控制,具有成本低、功耗低、效率高的特点,但是也存在程序拷入后修改比较困难,对外围的执行机构的控制效率较低、抗干扰能力差、产品的智能化不足等缺点。
为了适应工业温度控制的智能化发展,本设计选用SAMSUNG公司的ARM920T处理器内核开发的一款16/32位RISC微处理器¥3C2440实现温度控制,具有系统扩展性强、可靠性高、测量和控制精度较高、多任务实时调度、响应速度快、体积小等特点,为用户提供了一种新型的高精度温度控制
方案。
本系统硬件整体结构框图如图2.1所示: 图2-1硬件整体结构框图 1)CPU核心模块:主要由¥3C2440微处理器以及其外围电路组成,是系统的核心控制模块。
CPU选用SAMSUNG公司的ARM920T处理器内核开发的一款16/32位RISC微处理器¥3C2440,对数据进行存储、处理、通讯、显现等功能。
2)模拟电路:主要包括前端温度采集电路和后端PWH波输出控制电路。
6 第二章系统的总体设计 3)存储模块:主要SDRAM和Flash两部分组成。
其中SDRAM是嵌入式操作系统及应用程序的运行空间;Flash主.