（信号与信息处理专业论文）嵌入式恒温振荡器的研制.pdf

7 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：j 忸日 导师签名：j 毕日 期：至丛! ：! ：梦 嵌入式恒温振荡器的研制中文摘要 嵌入式恒温振荡器的研制 中文摘要 恒温振荡器( 又称恒温摇床) 是一种温度可控的培养箱和振荡器相结合的生化仪 器，其产品主要是用于植物、生物、微生物、遗传、病毒、食品和制药等方面的精密 培养。它是环保、医学等科研、教育和生产部门作精密培养制备不可缺少的一种实验 室设备。本课题设计了一款广泛应用于医学、生物学、制药、食品、环保、检验及农 业科学实验和研究的恒温振荡器。 本课题研制的恒温振荡器采用由嵌入式a r m 芯片l p c 2 3 6 8 为主控芯片和单片机 a t 8 9 s 5 2 组成的双c p u 系统结构，通过硬件与软件的结合来实现恒温振荡器的调速、 调温和通信等多个模块的功能，并且保证恒温振荡器的恒温恒转速持续稳定的工作状 态。 系统通过键盘设置速度、温度、以及打印时间等参数，在较短的时间内达到所设 定参数的稳定运行状态，并在l c d 液晶屏上显示实测结果，此键盘显示模块由a t 8 9 s 5 2 控制实现。键盘显示模块与主控模块之问由r s 4 8 5 总线连接，通过m o d b u s 协议相互 通信。主控芯片l p c 2 3 6 8 控制的速度模块使用可控硅调速技术，温度模块使用p i d 温度控制算法。另外本课题研制的恒温振荡器具有网络功能，利用l p c 2 3 6 8 自带的以 太网接口与互联网实现t c p i p 联接，使上位机能够实时地获取恒温振荡器的各种参 数，还能对恒温振荡器的工作过程实施远程监控。目前市场上的大部分同类产品都不 具备该项功能。 本课题设计制造的恒温振荡器具有很强的实用性和稳定性，通过实验结果表明， 达到了恒温振荡器的设计要求，现已经正式生产并投入市场，该设计能够满足对于速 度和温度恒定以及远程数据获取等方面的使用需求。 关键词：恒温振荡器，a r m ，可控硅，p i d 温度控制，t c p i p ，m o d b u s 协议 作者：郑君嫒 导师：陈小平 英义摘要 嵌入式恒温振荡器的研制 t h e d e v e l o p m e n to ft h e r m o s t a t i cs h a k e rb a s e d o n t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h et h e r m o s t a t i cs h a k e ri sak i n do fb i o c h e m i c a li n s t r u m e n t sw h i c hc o m b i n e st h e i n c u b a t o rw i t ht h es h a k e rf u n c t i o nt o g e t h e r t h ep r o d u c ti su s e di np l a n t s ，b i o l o g yg e n e t i c s ， v i r u s e s ，m i c r o b i a l ，f o o d ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , b i o l o g i c a lh e a tp r e c i s i o nt r a i n i n g ，e t c i ti s a l li n d i s p e n s a b l el a b o r a t o r y e q u i p m e n ti ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，m e d i c a lr e s e a r c h ， e d u c a t i o nr e s e a r c ha n dp r e c i s ec u l t i v a t i o nf o rp r o d u c t i o nd e p a r t m e n t t h i sp a p e rh a s d e s i g n e dat h e r m o s t a t i cs h a k e r , w h i c hi sa s c i e n t i f i ce x p e r i m e n tw i d e l yu s e di n t h er e s e a r c h a r e ao fm e d i c i n e ，p h a r m a c e u t i c a l ，b i o l o g i c a l ，f o o d ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i n s p e c t i o n a n da g n c u l t u r a l t h i sp a p e ra d o p t sd o u b l ec p us t r u c t u r e s ，w h o s ec o r em i c r o p r o c e s s o ri sl p c 2 3 7 8 b a s e do na r m 7a r c h i t e c t u r ea n dc o m b i n e dw i t hm c ua t 8 9 s 5 2t oc o n t r o ld i f f e r e n t m o d u l e s t h ep a p e re l a b o r a t e st h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fe a c hm o d u l e t h i st h e r m o s t a t i cs h a k e rs y s t e mc a ns e tt h ep a r a m e t e r s ，l i k es p e e d ，t e m p e r a t u r ea n d p r i n tt i m eb yt h ek e y b o a r d ，a n dt h es y s t e mc a na r r i v et h es t e a d ys t a t eq u i c k l yf o l l o wt h e p a r a m e t e r s t h e n ，t h er e a lr e s u l t so f t h ee a c hc o n d i t i o na r es h o w e do nt h el c ds c r e e n t h e k e y b o a r ds e t t i n ga n dl c ds h o w i n gb e l o n g st oa t 8 9 s 5 2c o n t r o lm o d u l e t h ek e y b o a r d a n dd i s p l a ym o d u l ei sc o n n e c t e dw i t ht h em a i nc o n t r o lm o d u l eb yr s 4 8 5b u si nt h e h a r d w a r e ，a n du s i n gt h em o d b u sp r o t o c o lt oc o m m u n i c a t ei nt h es o f t w a r e t h es p e e d c o n t r o lm o d u l et or e a l i z es p e e da d j u s t m e n tb yu s i n gs c r ( s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) c o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dt e m p e r a t u r em o d u l ei sm a i n l ya d o p t st h ep i da l g o r i t h mt oc o n t r 0 1 a l lo ft h e s em o d u l e sa r ec o n t r o l l e db yt h ec o r ec h i pl p c 2 3 6 8 a d d i t i o n a l l y , t h e t h e r m o s t a t i cs h a k e rs y s t e mh a st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb a s e do nt h e e m b e d d e dt c p i pt e c h n o l o g y p cc a ng e tt h er e a l - t i m e d a t ao fe a c hm o d u l ef r o mt h e t h e r m o s t a t i co s c i l l a t o r , w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h em a i nc h i pl p c 2 36 8 ，a n ds h o wo nt h e l o c a ls c r e e n s oi tc a na c h i e v er e m o t em o n i t o r i n g ，w h i l em o s to ft h ec u r r e n tm a r k e ts i m i l a r p r o d u c t sd on o th a v es u c hf u n c t i o n 嵌入式恒温振荡器的研制 英文摘要 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no ft h i sp a p e r , t h ec o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a n e n s u r es t e a d yw o r k i n gs t a t eo ft h et h e r m o s t a t i cs h a k e r i ti sa b l et om e e tu s e r sd e m a n d s v e r yw e l l k e y w o r d s - t h e r m o s t a t i cs h a k e r , a r m ，s c r , p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t c p i p , m o d b u s p r o t o c o l i i i w r i t t e nb y ： s u p e r v i s e db y ： j u n y u a nz h e n g x i a o p i n gc h e n 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究背景及意义1 1 1 1 本课题的研究背景1 1 1 2 本课题的研究意义与前景2 1 2 本课题的研究内容及任务3 1 2 1 本课题的研究内容3 1 2 2 本课题的研究任务3 1 2 3 本论文的章节安排4 第二章恒温振荡器的硬件设计5 2 1 恒温振荡器硬件系统的技术需求5 2 2 嵌入式a r m 系统简介。7 2 2 1 嵌入式a r m 系统与芯片简介8 2 2 2a r m 微处理器指令集一8 2 3 恒温振荡器硬件设计1 0 2 3 1 微处理器l p c 2 3 6 8 简介1 0 2 3 2 速度控制模块12 2 3 3 温度测量模块1 3 2 3 4 网络通信1 4 2 3 5 键盘显示模块15 2 3 6 控制保护电路19 2 3 7 其他接口部分2 0 第三章恒温振荡器的软件设计2 2 3 1 j 匣温振荡器的功能需求分析2 2 3 2 恒温振荡器主控软件设计( a r m 部分) 2 3 3 2 1 速度控制2 3 3 2 2 温度控制2 4 3 2 3 网络通信控制2 6 3 2 4 其他功能实现2 9 3 3 键盘显示软件设计( 单片机部分) 3 0 3 3 1 按键与显示软件设计流程3 0 3 3 2 液晶显示器指令3 7 3 4 双机通信软件设计3 9 3 4 1m o d b u s 协议3 9 3 4 2 双机通信参数4 3 第四章恒温振荡器的实验结果与分析5 2 4 1 转速与电压差关系5 2 4 2 速度与时间关系5 3 4 3 温度与时间关系5 4 4 4 上位机远程监控。5 5 4 5 液晶显示结果5 6 第五章总结展望5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间公开发表的论文6 2 附录1 电机驱动及可控硅控制电路图6 3 附录2 实物照片j 6 4 附录3 恒温振荡器电路图6 8 致谢7 3 嵌入式恒温振荡器的研制第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 1 1 1 本课题的研究背景 一个专业化、规模化、国际化的生物技术和仪器设备博览会于2 0 0 7 年7 月在中 国上海开幕。这一行业盛会极大地推动我国生物技术和生命科学仪器的新发展。可以 说科学仪器的发展是科教兴国、知识创新和技术创新的支撑和基础，加速科学仪器的 发展已成为世界各国投入的重点，发达国家都把发展仪器制造产业提高到战略重点的 高度。我国科学仪器的市场前景也十分广阔，预计在2 0 1 5 年之前，科学仪器的需求 总额将超过5 0 0 亿人民币，这还不包括每隔5 7 年需要更新换代的数且【1 1 。 科学研究的进步离不开科学仪器的发展，据统计2 0 世纪诺贝尔奖7 0 以上的物 理学奖、化学奖、生物医学奖都是借助各种先进科学仪器完成的。现代科技和生物技 术的进步更离不开科学仪器的发展。长期以来，我国科学仪器产业发展滞后，不尽如 人意，具有完全自主知识产权的产品屈指可数，中高档仪器几乎完全依赖进口。因此， 加快我国科学仪器特别是生化仪器的发展刻不容缓。由于生化仪器具有较高的科技含 量、增长性和附加值，其发展水平已成为一个国家综合经济技术实力与水平的重要标 志之一。 科技的发展，新技术的不断出现给生化仪器和医疗设备的发展也带来了契机，在 各级政府的支持下，科研领域的自主创新和研发能力也得到了提高，一批科技创新成 果已投入或正在投入产业化进程中，并形成了几个具有一定规模的生化科学仪器产业 化的雏形，部分量大面广的科学仪器，在性能和指标等主要方面己基本达到国外同类 产品水平，产品的种类逐年提高。诸如：全自动生化分析仪、摇床设备、酶标仪、洗 板机、电泳仪、电化学仪器和生物芯片关键仪器等。生化仪器使用的场合越来越广， 医学、生物学、制药、食品、环保、检验及农业科学等领域都能见到其踪影。 摇床是一种常用的实验室设备，属于生化仪器，广泛用于对温度和振荡频率有较 高要求的细菌培养、发酵、杂交、生物化学反应以及酶和组织研究，还应用于实验室 常用的液体摇匀，微生物、细菌和细胞培养等。 恒温振荡器可分为以下几类： l 第一章绪论嵌入式恒温振荡器的研制 ( 1 ) 常温摇床 小型摇床、脱色摇床，其中脱色摇床又有：转移脱色摇床、往复回旋振荡器、往 复式振荡摇床、往复式调速多用摇床、回旋式振荡器、翘板式脱色摇床、波浪式脱色 摇床、多用途旋转摇床、圆周式震荡摇床等。 ( 2 ) 恒温摇床 台式恒温振荡器、加热振荡器、冷冻振荡器摇床、气浴恒温摇床、水浴恒温摇床、 数显恒温摇床、数显水浴摇床、大振幅大容量( 光照) 振荡器摇床、变频大型双层 怛温摇床、新型精密经济型恒温摇床等。 ( 3 ) 培养摇床 振荡培养摇床、全温培养摇床、恒温培养摇床、细胞培养摇床、液晶屏恒温( 台 式) 培养摇床、变频恒温培养摇床、振荡摇床培养箱、水平摇床培养箱。 ( 4 ) 智能型摇床 智能控n d , 型台式摇床、智能控制高精度小型台式恒温摇床、智能控制高精度 大型全温光照恒温摇床、智能控制高精度恒温摇床、智能控制高精度双层恒温摇床。 ( 5 ) 其它 微量振荡器摇床、粉剂溶解器摇床、梅毒旋转仪摇床、双层摇瓶机、摇床、康 氏摇床、小型微孔板振荡摇床、大振幅大容量振荡器摇床、大容量往复式普通摇床、 大振幅大容量( 光照) 振荡器摇床、三层摇床、双层摇床、二维摇床、三维摇床、通 用摇床、万向摇床等。其中恒温摇床配件主要是托盘、多功能弹簧架、烧瓶夹、混盒 托盘，有分类有气浴恒温振荡器、水浴恒温振荡器等。 本课题将设计一款广泛应用于医学、生物学、制药、食品、环保、检验及农业科 学的实验和研究的恒温振荡器。 1 1 2 本课题的研究意义与前景 从国内生物技术和生化分析领域的仪器现状及需求态势来看，当今生命科学已经 成为2 1 世纪自然科学的领头科学，其支撑就是一系列生命科学仪器。据经济科学家 分析预测【2 1 ，以生物和生物技术为基础的生物技术经济产业的全球销售额，可望在3 0 年以内达到1 5 万亿美元。 2 嵌入式恒温振荡器的研制 第一章绪论 我国生命科学仪器的研发和生产水平还不高，据全自动生化分析仪、摇床设备、 酶标仪、洗板机、电泳仪、电化学仪器和生物芯片关键仪器等几个大类的生命科学仪 器统计，国际上5 个著名厂家在我国年销售总额约达1 3 5 亿美元即1 2 亿元，如再加 上其他国家在我国的销售额，总进口额保守估计约达2 0 亿元，且年增长率达3 0 。 国内生物技术和生化仪器生产企业少，规模小其总销售量仅占市场份额的5 。 据国内科学仪器专家的调研分析，国内一些生物技术和生化分析仪器的产品及需 求情况急需提高【3 1 ，鉴于以上的种种原因，本课题设计研究的恒温振荡器作为一种温 度可控的恒温培养箱和振荡器相结合的生化仪器，它广泛应用于医学、生物学、制药、 食品、环保、检验及农业科学领域。同时，本课题研制的恒温振荡器与市场同类产品 较之具有独特的优势，比如本产品具有远程监控功能，这是市场同类产品所不具备的。 1 2 本课题的研究内容及任务 1 2 1 本课题的研究内容 恒温振荡器( 又称恒温摇床) 是一种温度可控的恒温生化仪器，是植物、生物、 微生物、遗传、病毒、环保、医学等科研、教育和生产部门作精密培养制备不可缺少 的实验室设备。 本设计为了达到恒温恒转速的持续稳定的工作状态采用以嵌入式a r m 芯片 l p c 2 3 6 8 为主控芯片与单片机a t 8 9 s 5 2 组成的双c p u 系统结构，控制包括速度、温 度、保护等多个功能模块的实现，还有键盘输入、液晶显示、双机数据通信等功能的 完成。嵌入式系统的i n t e m e t 网络化的研究与应用是近几年来嵌入式应用领域的一个 研究热点，这一技术在许多领域都得到广泛应用。所以，为了保证实时监控恒温振荡 器的转速、温度等参数，采用以a r m 7 处理器为核心的嵌入式系统与t c p i p 网络互 联的方式进行通信访问，使上位机能够实时地掌握恒温振荡器的各种参数状况，保证 对恒温振荡器工作过程实时远程监控。 1 2 2 本课题的研究任务 本文给出恒温振荡器温度和速度控制等关键技术的实现方法，按键设计和液晶显 示的控制方法，以及双c p u 系统之间的通信实现方法。同时，目前大部分恒温振荡 器的同类产品都不具有网络数据通信的功能，本课题也实现了一种基于嵌入式 第一章绪论 嵌入式恒温振荡器的研制 t c p i p 技术的恒温振荡器的数据传输系统，涉及t c p i p 技术的硬件和软件部分，使 t c p i p 技术应用于恒温振荡器的设计，实现远程监控的功能。另外还有诸如自动化 霜，自动加湿，打印等功能的实现。在这些功能的基础上，保证恒温振荡器稳定可靠 的长时间连续不问断工作。 1 2 3 本论文的章节安排 全文共分为5 章，主要研究工作及章节安排如下： 第一章绪论，首先介绍恒温振荡器的发展和国内外的使用情况，以及研究该产 品的意义；其次，介绍了本论文研制的产品的优势所在和所需完成的各种功能；最后， 给出本论文的研究内容和研究任务。 第二章恒温振荡器系统的硬件设计，介绍了恒温振荡器的硬件部分的设计，包 括嵌入式主芯片l p c 2 3 6 8 ，单片机a t 8 9 s 5 2 ，网卡接口芯片d p 8 3 8 4 8 ，液晶l c d 等 以及驱动电路、继电保护控制和其他功能部件的电路设计；本章还针对嵌入式系统以 及a r m 微处理器指令做了简要介绍。 第三章恒温振荡器系统的软件设计，本章首先对该产品所使用的软件开发工具 和软件丌发环境进行了简要介绍；其次根据该产品要实现的功能进行软件设计，包括 概要设计，详细设计，代码编写等，其中主要是实现方法和算法的介绍，以及软件程 序流程图描述；最后，针对产品设计中用的双机通信协议也做了介绍。 第四章实验结果与分析，本章节给出该产品设计的实验结果及分析，以及工作 过程中液晶显示屏的显示和实施远程数据通信监控的上位机界面显示。 第五章总结展望，本章节对本论文进行总结，评价在设计过程取得的成果和存 在的不足，对该产品的市场运用前景和功能扩展进行展望。 4 嵌入式恒温振荡器的研制第二章恒温振荡器的硬件设计 第二章恒温振荡器的硬件设计 恒温振荡器控制系统的硬件设计，主要包括温度测量与控制模块、速度控制模块、 t c p i p 通信模块和键盘显示模块的硬件设计等。为了实现以上各模块的功能，以及 高性能、低价格、设计方便等要求。本文采用在a r m 嵌入式最小系统的基础上架构 硬件平台，对各个模块的硬件电路进行设计。 2 1 恒温振荡器硬件系统的技术需求 设计开发的恒温振荡器技术需求如下。 1 检测输入 a ) 1 路湿度( 湿度传感器) b ) 3 路箱内温度( p t l 0 0 ) c ) 1 路环境温度 d ) 1 路红外对管输入( 电机速度测量) e ) 1 路电机反馈输入 f ) 1 路门信号输入 g ) 6 个按键输入( 可扩充) 2 控制功能输出 h ) 1 路加热电扇( 继电器) i ) 1 路除霜风扇( 小型，可交可直，继电器) j ) l 路电机控制( 可控硅) k ) 1 路电机保护，失控切断电机电源( 继电器) 1 ) 1 路加热控制( 可控硅) m ) 1 路加热保护，加热管失控切断电源( 继电器) n ) 1 路制冷( 包括两个风扇，可控硅) o ) l 路制冷保护，压缩机失控切断电源( 继电器) p ) 1 路加湿( 继电器) q ) 2 路声光报警 第一二章恒温振荡器的硬件设计嵌入式恒温振荡器的研制 r ) 1 2 8 6 4 液晶显示 s ) 3 个l e d 等( 红、绿、黄) t ) 网络接口( t c p i p ) u ) 远程通讯接口( r s 4 8 5 ) v ) 微型打印机接口 针对上面的需求分析设计的原理图如图2 - 1 。 l 嚣笑卜 单片机 u 一液( 12 晶8 湿6 4 示) 输入 a t 8 9 s 5 2 图2 1 恒温振荡器原理图 原理图中采用的是双c p u 系统，其中主控板芯片采用p h i l i p s 公司的a r m 7 l p c 2 3 6 8 ，此芯片内部包含了技术需求中所需的全部接口。l p c 2 3 6 8 主要特点如下： ( 1 ) 3 2 位a r m 7 t d m i 内核结构 ( 2 ) 7 2 m h z 操作频率( 6 4 m i p s ) ( 3 ) 最多可达5 1 2 k b 片内f l a s h 和5 8 k bs r a m ( 4 ) 带d m a 的i o i o o m 以太网m a c 接口 ( 5 ) 带p h y 和d m a 的u s b 2 o f u l l s p e e d 器件接口 ( 6 ) 两个c a n 2 0 通道 ( 7 ) 通用d m a 控制器 ( 8 ) 1 2 s 、3 个1 2 c 、3 个s p i s s p 以及4 个u a r t s 6 崮 嵌入式恒温振荡器的研制第二章恒温振荡器的硬件设计 ( 9 ) 4 m h z 内部r c ( i r c ) 振荡器，精度可以调节到1 ( 1 0 ) 内部实时时钟显示年月同 ( 1 1 ) 6 路1 0 位a d 和l 路1 0 位d a ( 1 2 ) 内部看门狗 另外一块c p u 选用的是a t 8 9 s 5 2 单片机，它主要是用来控制键盘输入和液晶显 示模块以及控制与主控板之间的通信。a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微 控制器，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存 储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器 在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可 编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线，看 门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断结构， 全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静态逻辑操作， 支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 系统还运用了美国国家半导体公司的d p 8 3 8 4 8 单路1 0 1 0 0 m b s 以太网收发器和 支持1 0 m b i t 和1 0 0 m b i t 自适应的网络连接速度的以太网接口r j 4 5 来组成网络通信 模块，整个设计体系具有较强的网络处理能力。 2 2 嵌入式a r m 系统简介 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，是“嵌入式计算机系统”的简称【4 1 ，它是相对 于通用计算机系统而言的。嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器 及外设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统， 它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应 用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与 硬件的交互作用【5 1 。 7 第一二章恒温振荡器的硬件设计 嵌入式恒温振荡器的研制 2 2 1 嵌入式a r m 系统与芯片简介 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可 以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。2 0 世纪9 0 年代， a r m 3 2 位嵌入式r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机) 处理器 扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 a r m 公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。1 9 9 1 年a r m 公司 成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产 品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应 用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我 们生活的各个方面。 2 2 2a r m 微处理器指令集 a r _ m 微处理器是典型的r i s c 处理器。传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r 复杂指令集计算机) 计算机的指令集随着计算机的发展而引入了各种各样 的复杂指令，使得指令集以及它的实现机构越来越复杂，已经不堪重负。经过大量的 研究和分析，发现在c i s c 的指令集中大概有2 0 的指令被反复使用，使用量约占整 个程序的8 0 ；而有8 0 左右的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的2 0 ， 这就是所谓的2 0 , - - 一8 0 定律。r i s c 体系结构的目的就是使用很少的指令高效的完 成所有的工作。 a r m 产品都使用通用的基础体系结构，所有a r m 处理器共享这一体系结构， 并在基础体系上进行扩充同时以前的系列都向下兼容。当前a r m 主要有4 个系列的 体系结构：v 4 t ( 主要处理器有a r m 7 、a r m 9 系列) 、v 5 t e ( 主要处理器有a r m 9 e 、 a r m l 0 系列等) 、5 t e j ( 主要处理器有a r m l 0 e j 系列) 、v 6 ( 主要处理器有a r m l l 系列) 。 1 a r m 体系结构7 种处理器模式3 8 嵌入式恒温振荡器的研制第二章恒温振荡器的硬件设计 表2 - 1a r m 体系结构支持的7 种处理器模式 用户模式u s r 正常程序执行的模式 快速中断模式f i q 用于高速数据传输和通道处理 外部中断模式i r q 用于通常的中断处理 特权模式s v c 供操作系统使用的一种保护模式 数据访问终止 a b t 用于虚拟存储及存储保护 模式 未定义指令终 u n d 支持通过软件仿真硬件的协处理器 止模式 系统模式s y s 用于运行特权级的操作系统任务 2 a r m 处理器工作状态 a r m 处理器有两种工作状态。 a r m ：3 2 位，这种状态下执行字对准的a r m 指令；t h u m b ：1 6 位，这种状态下执 行半字对准的t h u m b 指令。 t h u m b 指令是普通a r m 指令的子系列，每个t h u m b 指令都有与之对应的功能的a r m 指令。普通1 6 b i t 指令的性能大致只有3 2 b it 指令的一半，但是t h u m b 指令可以提供 比普通1 6 b i t 结构指令更高的性能，能提高到1 6 0 ，同时t h u m b 指令比a r m 指令有 更紧密的代码，代码量大概只是a r m 的6 5 ，非常适合于对存储器限制严格的场合。 在实际t h u m b 指令的使用过程中，t h u m b 指令被实时透明地扩展为3 2 b i t a r m 指令， 运行的性能不受影响，t h u m b 采用了3 2 b i t 指令的全部优点，如3 2 位的地址空间， 3 2 位寄存器、转换器和算术逻辑单元，从而有运算能力强、寻址空间大的特点。 3 a r m 处理器的寄存器 a r m 微处理器共有3 7 个寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，包括程序计数器( p c ) 在内，这些寄存器都是3 2 位寄存器；6 个状态寄存器，这些寄存器都是3 2 位寄存器， 但目前只使用了其中的1 2 位，将寄存器安排成部分重叠的组，每种处理器模式使用 不同的寄存器组。 4 a r m 的异常 异常( e x c e p t i o n ) ：由内部或外部源产生引起处理器处理的一个事件，在处理异 9 第二二章恒温振荡器的硬件设计 嵌入式恒温振荡器的研制 常之前，处理器状态必须保留，以便在异常处理完成后，原来的程序能够重新执行。 同一时刻可能出现多个异常，按优先级排队处理。a r m 支持7 种类型的异常，下表列 出了异常的类型以及处理这些异常的处理器模式。 表2 - 2a r m 支持的7 种异常 异常类型模式正常地址 高向量地址优先级 复位 管理 0 x 0 0 0 0 0 0 0 00 x f f f f 0 0 0 01 ( 最高) 未定义指令未定义 o x o 0 0 0 0 0 0 40 x f f f f 0 0 0 46 ( 最低) 软件中断管理 0 x 0 0 0 0 0 0 0 80 x f f f f 0 0 0 86 ( s w i ) 指令预取中止中止 o x 0 0 0 0 0 0 0 c0 x f f f f 0 0 0 c5 数据中止中止 0 x 0 0 0 0 0 0 1 00 x f f f f o o l o2 i r q ( 外部中i r q 0 x 0 0 0 0 0 0 1 8o x f f f f 0 0 1 84 断) f i q ( 快速中f i q 0 x 0 0 0 0 0 0 1 co x f f f f 0 01 c3 断) 异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址j 1 ：始执行程序。这些固定的 地址称为异常向量( e x c e p t i o nv e c t o r s ) 。 a r m 编译器对c 的编译是非常成熟的，能够生成高质量的机器码，但是对于要求 严格的嵌入式环境，总希望代码的执行速度能够尽可能的快而代码量又尽可能的小， 这就要求我们尽可能地了解和利用a r m 的特性，编写出快速高效的代码。 2 3 恒温振荡器硬件设计 2 3 1 微处理器l p c 2 3 6 8 简介 在设计恒温振荡器时，根据控制任务的复杂程度和可靠性、稳定性、精度等指标 要求选择一种性价比合理的嵌入式a r m 芯片，所以本文选用了l p c 2 3 6 8 口3 这款基于 a r m 7 内核的芯片作为主控制器。 本系统的主芯片l p c 2 3 6 8 硬件电路图如图2 - 2 ： 1 0 嵌入式恒温振荡器的研制第二章恒温振荡器的硬件设计 图2 - 2l p c 2 3 6 8 硬件电路 l p c 2 3 6 8 是一款基于a r m 的微控制器，该微控制器包含了1 0 l o o e t h e r n e tm a c 、 u s b 2 0 全速接口、4 个u a r t 、2 路c a n 通道、1 个s p i 接口、2 个同步串行端口( s s p ) 、 3 个1 2 c 接口和1 个i2 s 接口，它是8 位数据1 6 位地址并行的总线。 其芯片内部结构图如图2 - 3 。 一 图2 3l p c 2 3 6 8 芯片内部结构图 2 3 2 速度控制模块 1 电机驱动及可控硅控制电路 系统采用电容移相式单相交流电动机【引，电容器是最好的移相元件，因为它与电 阻电感相比有更好的移相特性。在设计中使电动机中的起动电容器串接于不同的定子 绕组，从而改变了两个定子绕组中的电流的相位关系，也就改变了电动机内部旋转磁 的旋转方向，实现单相电容电动机的j 下反转控制，可控硅采用的是b t l 5 1 单向可控 硅【9 1 。电机驱动及可控硅控制电路原理图，及其外围电路见附录1 。 1 2 嵌入式恒温振荡器的研制 第一二章恒温振荡器的硬件设计 2 速度控制实现过程 d a 可控砖 单片机 r $ 4 8 5 l p c 2 3 6 8控制 电机 键妻蓬置 导通角 - a t 8 9 s 5 2 主控芯片 调节 控制 i 转速显示 o 转速反馈 i 图2 4 速度模块硬件实现过程 l p c 2 3 6 8 控制器为整个速度控制的核心部件。整个工作过程是通过键盘设置转速 传给单片机a t 8 9 s 5 2 ，a t 8 9 s 5 2 与主控芯片l p c 2 3 6 8 之间通过r s 4 8 5 总线连接【1 0 】【l l 】， 单片机a t 8 9 s 5 2 运用m o d b u s 协议将数据传给l p c 2 3 6 8 ，l p c 2 3 6 8 内部集成的d a c 功能将数字信号转换成模拟信号，通过d a 转换得出可控硅的移相控制信号，以实现 移相控制电压的目的，改变可控硅的导通角，从而实现转速的调节。本系统运用的电 容移相式单相电动机，带有速度反馈装置红外对管，反馈装置红外对管主要是通过电 阻值的变化，将该电阻两端的电压作为电流检测的输入信号，再将检测到的电流信号 作为电流环的反馈信号，参与转速调节控制。最终得到所需要的实时速度。然后主控 芯片l p c 2 3 6 8 通过r s 4 8 5 总线，运用m o d b u s 协议将实时数据传送给a t 8 9 s 5 2 ， a t 8 9 s 5 2 对数据进行处理后将实时转速信息送到液晶上显示。 2 3 3 温度测量模块 1 温度传感器 该实验使用p t l0 0 温度传感别1 2 】【1 3 】采集温度信号，将温度信号转换成电信号。 硬件电路对该信号使用硬件电路进行放大、滤波等，再由l p c 2 3 6 8 内部a d 进行a d 转换；软件进行温度信号的分析和显示。 p t l 0 0 的特点：p t l 0 0 是一个温度传感器，是一种稳定性和线性都比较好的铂丝 热电阻传感器，可以工作2 0 0 。c 至6 5 0 。c 的范围。它一种以白金( p t ) 作成的电阻式温 度检测器，属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系式如下：r = r o ( i + qt ) ，其中 q = 0 0 0 3 9 2 ，r o 为1 0 0q ( 在0 。c 的电阻值) ，测量准确性高，而且输出信号大，灵敏 度高。p t l 0 0 热电阻温度计的灵敏度比热电温度计( 热电耦) 高一个数量级，测温范 围广、稳定性能好，在振动小而适宜的环境下，可以长时间保持o 1 以下的稳定性。 第_ 二章恒温振荡器的硬件设计嵌入式恒温振荡器的研制 2 a d 采样电路 a d 变换过程包含三个部分：抽样、量化和编码f 1 4 】。本系统的a d 采样电路如 图2 5 ，其工作原理如下： 图2 - 5a d 采样电路 p t l 0 0 的电阻随温度的变化而变化，从而将温度的变化转换为输出电压的变化。 电路中，p t l 0 0 与r 2 7 、r 4 5 、r 4 7 组成电桥，与u 1 3 构成电流电桥放大电路。t l 4 3 1 c d 是基准电压模块，调节w r l 使得l m 3 5 8 的5 脚输入为1 v ，l m 3 5 8 射随输出1 v ， 增强负载能力。 2 3 4 网络通信 本系统c p u 采用飞利浦公司的l p c 2 3 6 8 ，它是以a r m 7 为内核主频达7 2 m h z 的3 2 位微处理器，内部集成了一个以太网模块，支持1 0 m 或1 0 0 m b p sp h y 器件， 带有分散集中式d m a 的d m a 管理器以及帧描述符数组，通过缓冲和预取来实现存 储器通信的优化，并且发送和接收均支持多播帧、广播帧和超长帧传输，允许帧长度 为任意值。通过标准的媒体独立接口(