（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm+cortexm3的智能监控器的设计.pdf

西华大学学位论文独创性声明 删f f f y 1 , 7 , , l l | 5 lj i j 。0 i l l f , 4 i i i i l 3 i l f l l i i l 7 i i l l 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：捌土指导教师签名： t 0 ，n a n b ，由导体材料a 、b 组成的热电偶回路中，必存在两个接触电势 和两个温差电势，则总电势为： e a b ( t ，t o ) = = e a ( t ) 一e a b ( t 0 ) e a ( t ，t 0 ) + e b ( t ，t o ) ( 3 - 3 ) 西华大学硕士学位论文 根据电磁场理论可以得到： e a b ( t , t o ，。冬e h 争 ( 3 4 ) 由于n a 、n b 是温度的单值函数，当热电偶材料确定后，则有 e a b ( t ，t o ) = f ( t ) 一f ( t 0 )( 3 5 ) 即热电偶输出的热电势是两个温度的函数差。若令t 0 恒定，可得 e a b ( t ，t o ) = f ( t ) - c = g ( t )( 3 6 ) 由式( 3 6 ) 可知，热电势与待测温度t 呈单值函数关系。这一关系奠定热电偶测温的 基础，即只要测得其电动势e a b ( t ，t o ) 就可求得被测温度。工程应用中，常用实验的方 法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查【9 1 。 3 3 2 热电偶的补偿问题 尽管热电势与待测温度t 呈单值函数关系，但两者的关系呈明显的非线性，因而需 对热电偶进行非线性补偿。热电偶非线性补偿主要有以下两种方法：一是采用模拟线性 化的方法，即基于硬件，使用模拟电路来修正热电偶响应的非线性；二是采用软件方法 进行补偿，软件的方法又可分为多项式拟合和根据分度表进行线性插值。基于硬件的补 偿电路复杂，其准确性决定于采用近似修正的阶数，补偿精度不高。基于软件的多项式、 拟合，机器对多阶多项式处理的时间长，精度也不是很高，对于要求快速准确测温的场 合，效果不是特别理想。线性插值需要在微机中预存分度表，占用内存多，但补偿精度 高。因此本设计中充分利用p c 的内存大，计算能力强的优点，采用基于软件的热电偶 分度表查询及线性插值法对热电偶的非线性进行补偿。具体的补偿方法在软件设计部分 详细讲述。 在进行温度测量时，热电偶所产生的热电势不仅与被测温度有关，而且也与热电偶 的另一端即参考端的温度有关。为了使热电偶回路中的电势正确代表被测温度t ，热电 偶的参考端温度t 0 必须保持不变。我们经常使用的分度表都是以热电偶参考端为o 作为先决条件的。因此在使用查询分度表测温时，冷端温度必须恒定在0 c 。但在实际 测温时，因热电偶的长度受到一定限制，参考端常常放置在设备附近的室温环境中，受 设备和环境温度影响很大，不仅难以保持0 c ，而且往往是波动的，这样就会造成测量 误差，因此必须进行冷端补偿。常用的热电偶冷端补偿方法有以下几种： 1 ) 补偿导线法 基于a r mc o r t e x - m 3 的智能监控器的设计 采用热电偶规定使用的补偿导线，将热电偶参考端从温度变化大的地方延伸到温度 变化小的地方。条件是补偿导线的热电特性与热电偶的热电特性相同，使用这种方法的 缺点是需要的导线较长，价格较高，且补偿的精度不高。 2 ) 冰点槽法 由熔化的碎冰块和水混合组成的冰点槽，将热电偶的参考端放置在冰点槽内，使其 恒定在0 左右。这种方法使用的范围小，一般适合在实验室使用。 3 1 中间温度定律补偿法 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路，其接点温度分别为t 1 、t 2 时，则其热 电势为t a b ( t 1 ，t 2 ) ；当接点温度为t 2 、t 3 时，其热电势为e a b ( t 2 ，t 3 ) ；当接点温度 为t l 、t 3 时，其热电势为e a b ( t 1 ，t 3 ) ，则有 e a b ( t 1 ，t 3 ) = e m ( t 2 ，t 3 ) + e a s ( t 1 ，t 2 ) ( 3 - 7 ) 这就是中间温度定律。这个定律为对于冷端温度不是0 时，如何使用分度表的问 题提供了依据。如果冷端温度不是o ，而是某个中间温度t o ，仪表读出的热电势就是 e a b ( t 1 ，t o ) ，这时 e r a ( t 1 ，0 ) = e r a ( t 1 ，t 0 ) + e m ( t 0 ，0 ) ( 3 - 8 ) 只要利用分度表查出e r a ( t 0 ，0 ) ，就可算出e a b ( t 1 ，o ) ，再反查分度表可以得到测 量端实际温度。这种方法也称为二次查表法。利用此方法可以对冷端温度变化造成的误 差进行实时补偿。在工程应用中主要的实现途径有： a 1 补偿电桥法 由式( 3 6 ) 可知，当热电偶的冷端温度大于0 c 时，热电势就会相应减小，如果在回 路中串入一个随冷端温度升降而自动相应增减的热电势，就可以实现自动。因此可以在 回路接入补偿电桥，用外加的能随冷端温度变化的补偿电势，来补偿由于冷端温度变化 所引起的测试误差。该法可用于冷端温度变化的场合，但缺点是不能进行实时补偿，补 偿精度不高，外围器件复杂。它只在额定的温度2 0 c ( 或2 5 c ) 及5 0 两点能进行正确 的补偿，温度变化后，只能近似的补偿。 b 1 基于微机的智能化实时补偿 利用其它温度传感器测量冷端实时温度值，根据中间温度定律，由微机采用二次查 表法实现高精度实时补偿。本次设计也用到这种补偿方法。 3 3 3 热电偶的选型 工业测试中常用的标准化热电偶主要有八种，分别是；铂锗1 0 铂热电偶( 分度号为 s ) 、铂锗1 3 铂热电偶( 分度号为r ) 、铂锗3 0 铂锗6 热电偶( 分度号为b ) 、镍铬镍硅热 电偶( 分度号为k ) 、镍铬康铜热电偶( 分度号为e ) 、铁康铜热电偶( 分度号为j ) 、铜康 西华大学硕士学位论文 铜热电偶( 分度号为t ) 、镍铬硅镍硅热电偶( 分度号为n ) 。各种不同热电偶的特性可以 参阅相关的参考资料。不同的热电偶，其测温范围、精度、价格以及使用场合都有所不 同。依据课题给出的测量要求，选用k 型热电偶进行测量。 k 型热电偶正极材料为镍铬合金( 用8 8 4 8 9 7 镍、9 1 0 铬，o 6 硅，0 3 锰， o 4 0 7 钻冶炼而成) ，负极材料为镍硅合金( 用9 5 7 9 7 ，2 3 硅，o 4 0 7 钻冶炼而 成) ，因此价格比较便宜。其测温范围长期1 0 0 0 ，短期可以达到1 3 0 0 。k 型热电偶 复现性好，热电势大，热电动镍为势与温度关系近似线性，在全量程范围内的允许误差 为0 4 e 9 1 。 3 3 。4 热电偶调理电路的设计 热镀锌是大气中应用广泛的金属腐蚀防护方法，是把表面活化的钢材浸入到熔融的 锌或锌合金中，在钢材的表面形成纯锌和锌铁化合物层的工艺过程。在热浸镀锌过程中， 锌锅内温度的高低、均匀性和稳定性都直接影响热浸镀锌产品质量、锌耗、电耗和生产 效率。对企业的影响非常大。在实验室热镀锌或线材、板材热镀锌时，锌液温度范围一 般保持在4 5 0 4 6 0 。若锌液温度较低，所得到的镀层表面光洁度差，纯锌层厚，锌的耗 用量也大；若温度达到4 8 0 ，将引起合金层的快速成长，使镀层的厚度和脆性增加， 更严重的是由于铁的溶解速率增大等原因，降低了锌液的质量【l 习。查k 型热电偶分度 表可知， 表3 2k 型热电偶分度表 t a b l e3 2i n d e x i n gt a b l eo ft y p ekt h e r m o m e t e r ( 参考端温度为o ) 温 o1 02 03 04 0 5 0 6 0 7 0 8 09 0 度 热电动势m v o0 0 0 00 3 9 70 7 9 81 2 0 31 6 1 12 0 2 22 4 3 62 8 5 03 2 6 63 6 8 1 1 0 04 0 9 54 5 0 84 9 1 9 5 3 2 75 7 3 36 1 3 76 5 3 96 9 3 97 3 3 87 7 3 7 2 0 08 1 3 78 5 3 78 9 3 89 3 4 19 7 4 51 0 1 5 l1 0 5 6 0 1 0 9 6 91 1 3 8 11 1 7 9 3 3 0 01 2 2 0 71 2 6 2 31 3 0 3 91 3 4 5 6 1 3 8 7 4 1 4 2 9 21 4 7 1 21 5 1 3 21 5 5 5 2 1 5 9 7 4 4 0 01 6 3 9 5 1 6 8 1 81 7 2 4 11 7 6 6 4 1 8 0 8 81 8 5 1 3 1 8 9 3 8 1 9 3 6 31 9 7 8 8 2 0 2 1 4 5 0 02 0 6 4 0 2 1 0 6 62 1 4 9 32 1 9 1 92 2 3 4 6 2 2 7 7 2 2 3 1 9 8 2 3 6 2 4i 2 4 0 5 0 2 4 4 7 6 6 0 02 4 9 0 2 2 5 3 2 72 5 7 5 12 6 1 7 6 2 6 5 9 92 7 0 2 22 7 4 4 5 2 7 8 6 72 8 2 8 8 t2 8 7 0 9 7 0 02 9 1 2 82 9 5 4 7 2 9 9 6 53 0 3 8 33 0 7 9 93 1 2 1 4 3 1 2 1 43 2 0 4 23 2 4 5 5 3 2 8 6 6 8 0 03 3 2 7 73 3 6 8 6 3 4 0 9 53 4 5 0 23 4 9 0 9 3 5 3 1 43 5 7 1 83 6 1 2 13 6 5 2 4 3 6 9 2 5 9 0 03 7 3 2 5 3 7 7 2 43 8 1 2 23 8 9 1 5 3 8 9 1 53 9 3 1 03 9 7 0 3 4 0 0 9 6 ；4 0 4 8 8 4 0 8 7 9 基于a r mc o r t e x - m 3 的智能监控器的设计 1 0 0 04 1 2 6 9 4 1 6 5 74 2 0 4 5 4 2 4 3 2 4 2 8 1 7 4 3 2 0 2 4 3 5 8 5 4 3 9 6 8 4 4 3 4 9 4 4 7 2 9 1 1 0 04 5 1 0 8 4 5 4 8 6 4 5 8 6 3 4 6 2 3 8 4 6 6 1 2 4 6 9 8 54 7 3 5 64 7 7 2 6 4 8 0 9 54 8 4 6 2 1 2 0 04 8 8 2 8 4 9 1 9 24 9 5 5 5 4 9 9 1 6 5 0 2 7 65 0 6 3 35 0 9 9 05 1 3 4 4 5 1 6 9 7 5 2 0 4 9 l1 3 0 05 2 3 9 8 5 2 7 4 75 3 0 9 3 5 3 4 3 9 5 3 7 8 2 5 4 1 2 5 5 4 4 6 6 5 4 8 0 7 当被测温度0 6 0 0 为时热电偶的热电势近似为0 2 4 9 0 2 m v 。s t m 3 2 内集成a d 模块电压输人 1 0 ( k 5 v t i | 1 3 熬+ 并i n2 。 1 2 掣：4 4 _ 1 1 t n ；1r 【l i 1 0 9 8 | i i 财 i p a 2a 郇a l h p ；位 。 l 寸 j l i 、 j - r 2 2 险 - 。k j 5 产、z 一 2 0 k _- 一 j占 k 彳 l u = i r 刀 占 丽k 毒 图温度信号调理电路 。 p - l d 6 3 3 v i1 2 2 03 厂 l t j 1憾 1 图外部温度模拟信号输入 的其主要技术参数见表3 3 表3 3的主要技术参数 放大器特性技术参数 闭环增益 输入补偿电压 热电偶热端温度值 4 0 o 输入偏置电流 0 基于a r mc o r t e x m 3 的智能监控器的设计 差分输入电压范围 1 0 5 0 m v 共模范围 v s 0 1 5 v s 4 共模灵敏度范围 1 0m v 为了实现温度1 0m v o c 的比例输出，在电路的额定工作范围内准确补偿冷端参考 点，a d 5 9 5 输出需要修正以配合2 5 0 c 时的k 型热电偶传输特性。对于k 型热电偶来说， 此温度范围内输出是4 0 4 4 p v 。c ，a 。5 9 5 最终的增益是2 4 7 3 ( 即器) 。此 外，绝对的微调输入又感应出一个为1 l g v 的补偿值到输出端，在2 5 0 c 条件下热电偶 输入端，这个补偿值还会上升，因为a d 5 9 5 的输出端是被修正到要输出一个2 5 0 m v 的 值。热电偶输出电压与温度值是非线性关系，a d 5 9 5 是放大了线性补偿后的信号，下面 的传递函数应当用于确定实际输出电压【1 7 】： a d 5 9 5o u t p u t = ( t y p ek v o l t a g e + 1 1p v ) 木2 4 7 3( 3 - 9 ) 按照上述公式，6 0 0 0 c 的a d 5 9 5 输出电压为6 1 6 1 m v 。设计中用了两个电阻分压得 到3 v 的a d 输入信号。为了实现高精度实时冷端补偿，可以采用实时测温法实现。先 利用补偿导线将热电偶的冷端远移到环境温度较低的场合，通常为测温系统的外接线端 子处，再用其它温度传感器测量该点温度，然后通过软件利用二次查表法求得被测温度。 根据中间温度定律，只要设法测出e a b ( t 0 ，o ) ，并将其与热电偶测出的e a b ( t 1 ，t o ) 求 和，即可计算出对应热源温度的标准热电势e a b ( t 1 ，o ) ，并由已知试验结果确定出热端 温度t 。k 型热电偶热端温度t 和标准电势e a b ( t l ，0 ) 存在如下拟合关系： t = 2 4 5 0 2 0 木e a b ( t 1 ，o ) - 4 0 4 4 6 ( 3 1 0 ) 式中：t 为待检测的热端温度( ) ；e a b ( t 1 ，0 ) 为热电偶冷端温度为0 c 时的标准电 势( m 1 9 】。 3 3 5 温控电路的设计 一般调节炉温的方法都采用移相触发晶闸管，控制晶闸管的导通角来控制输出功 率，触发电路要求一定幅值且相位能改变的脉冲，而且还需要解决与主回路电压同步的 问题，采用移相触发晶闸管瞬间会产生高次谐波造成电网波形畸变，影响其他用电设备 和通讯系统的正常工作，加之由于温度控制一般惯性较大，综合考虑，设计中采用长周 期p w m 的方式实现占空比从0 1 0 0 的控制。p w m 周期设置成2 s ，最小导通周期分 度设为2 0 0 m s 。脉冲信号输出通道采用7 4 l s 0 6 作为反相驱动器，7 4 l s 0 6 是集电极开路 输出的反相器，其电源电压是5 v ，但输出级晶体管最大可承受3 0 v 的高电压。所以在 输出端可接继电器，7 4 l s 0 6 最大输出电流只有4 0 m a ，超过额定电流输出低电平会升高， 西华大学硕士学位论文 以至于芯片过热。负载端的高电源电压根据负载的要求而定，但不得高于3 0 v 。开关控 制采用s s r 3 5 0 d a r 固态继电器输出电路。通常晶闸管的触发方式有移相触发和过零 触发两种，常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压的波动和电源 波形畸变的影响，为解决同步问题往往又使电路复杂，设计中采用m o c 3 0 6 1 系列过零 触发光电双向可控硅驱动器，它是美国摩托罗拉公司推出的光电器件，它很好的解决了 这个问题，输出为正弦波、波形无畸变、电磁干扰小、无噪声，而且触发电路简单可靠。 由于输入与输出采用光电隔离，绝缘电压可达7 5 0 0 v ，最大触发电流为1 5 m a ，可以用 来驱动工作电压为2 2 0 v ( 2 4 0 v ) 的交流双向可控硅。当交流负载电流较小时，如2 0 0 m a 以下，也可以直接用它带负载。其输入控制电流小，可以与t t l 、c m o s 的集成电路直 接相连。因为加热器是一种感性元件，为了增加电路的可靠性和保护可控硅，在可控硅 输出端外加了r c 吸收回路r 4 3 、c 5 0 。当初级有触发信号时，次级只有电压过零时才 导通，电流过零时才关断。当检测到的温度高于预设定的值时，加热器停止加热，即 p w m 输出为零。检测的温度小于预定值时，开始加热；而且预设值与测量值差距越大， p w m 输出脉冲的占空比就越大【勿。温控电路如图3 1 0 所示。 5 v 图3 1 0 温控电路 f i g3 1 0t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t 3 4 系统总电源与a d 电源 3 4 1 系统总电源 s t m 3 2 的工作电压( v d d ) 为2 0 - - 一3 6 v 。本设计用一片l m l1 1 7 给主控制器提供稳定 的3 3 v 直流电源，同时也可以通过u s b 接口采电的方式供电，如图3 1 l 所示 基于a r mc o r t e x - m 3 的智能监控器的设计 西华大学硕士学位论文 图3 1 2s t m 3 2 电源框图 f i g3 12d i a g r a mo fs t m 3 2p o w e rs u p p l y s t m 3 2 内部有一个完整的上电复位( p o r ) 和掉电复位( p d r ) 电路，当供电电压达到 2 v 时系统既能正常工作，复位后调节器总是使能的。调节器以正常功耗模式提供1 8 v 电源( 内核，内存和外设) 。当v d d d d a 低于指定的限位电压v p o r f v p d r 时，系统 保持为复位状态，而无需外部复位电路。 3 4 2a d 转换器供电和参考电压 为了提高转换的精确度，a d c 使用一个独立的电源供电，过滤和屏蔽来自印刷电路 板上的毛刺干扰。a d c 的电源引脚为v d d a ，独立的电源地v s s a ，v r e f 引脚( 根据 封装而定) ，必须连接至i j v s s a 。为了确保输入为低压时获得更好精度，用户可以连接一 个独立的外部参考电压a d c 到v 】辽f + 和v r e f 脚上。在v r e f + 的电压范围为2 4 v v d d a 。下图3 1 3 、3 1 4 分别是a d 电源接入图和外接参考电压源选择图。 基于a r mc o r t e x - m 3 的智能监控器的设计 ， - ， 如4 9 ：b t l ： 、d dl、s s1 4 、d d ：、s s ： b a t t e 薹 y 1 0 09 9 _ 、d d3、s s3 v c c ；2 8 、d d4、s s4 l l 1 0 v d d5v s s5 二2 1 9 v d d a v s s a j ； 一 r l l ：_ 二：q - f1- v c c a ； ，_ 、，_ 价 1 0 i 蛆 ：- i c c 【_ _- - c = = c 1 1 j 一 1 0 5l o 时 一 l 图3 1 3a d c 电源接线 f i g3 1 3p o w e rs u p p l yo f a d c 图3 1 4a d c 参考电压源选择 f i g3 1 4 c h o i c eo f a d cr e f e r e n c ep o w e rs u p p l y 3 5c a n 总线接口电路 3 5 1c a n 总线介绍与收发器选型 c a n 是c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写( 以下称为c a n ) ，是i s 0 1 国际标准化的 串行通信协议。在当前工业控制产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低 成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数 据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，为了满足大量数据的 高速通信的需要，提出了c a n 总线通信协议并在此后不久通过i s 0 11 8 9 8 及 i s 0 1 1 5 1 9 进行了标准化。现在，c a n 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于 工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面1 1 4 j 。 西华大学硕士学位论文 下图3 1 5 为c a n 的连接示意图： 图3 1 5c a n 总线连接 f i g3 1 5 c a nb u sc o n n e c t 设计中应用了德州仪器公司生产的s n 6 5 h v d 2 3 03 3 vc a n 收发器，实现 l v t t l l v c m o s 的转换。该器件适用于较高通讯速率、良好抗干扰能力和高可靠性 c a n 总线的远程串行通信。该器件在不同的速率下均有良好的收发能力，其主要特点 【1 3 】： 完全兼容i s 0 1 1 8 9 8 标准： 高输入阻抗，允许1 2 0 个节点； 低电流等待模式，典型电流为3 7 0 a ： 信号传输速率最高可达1 m b s ： 具有热保护，开路失效保护功能： 具有抗瞬间干扰，保护总线的功能； 斜率控制，降低射频干扰( r f i ) ： 差分接收器，具有抗宽范围的共模干扰、电磁干扰( e m i ) 能力。 s n 6 5 h v d 2 3 0 具有高速、斜率和等待3 种不同的工作模式。其工作模式控制可通过 r s 控制引脚来实现。 基于a r mc o r t e x m 3 的智能监控器的设计 3 5 2c a n 总线接口电路 s t m 3 2 自带c a n 2 0 模块，其p d l 输出引脚接到s n 6 5 h v d 2 3 0 的数据输入端d 。 s t m 3 2p d 0 引脚r x 与s n 6 5 h v d 2 3 0 的数据输出端r 相连，用于接收数据。s n 6 5 h v d 2 3 0 方式选择端口r s 通过一端接地的斜率电阻器连接，通过硬件方式可实现3 种工作模式 的选择。其中斜率电阻器为o 1 0 0 k 的电位器。v 黜为加在r s 引脚上的电压。使r s 接 逻辑低电平可以使收发器工作在高速模式。在高速模式下，收发器的通信速率达到最高。 此时没有内部输出上升斜率和下降斜率的限制。但在该方式下，最大速率的限制与电缆 的长度有关。在有些场合中，考虑到系统成本等问题，使用非屏蔽电缆时，收发器必须 满足电磁兼容等条件。为了减少因电平快速上升而引起的电磁干扰。在s n 6 5 h v d 2 3 0 中引入了斜率控制方式。这种控制方式可通过连接在r s 引脚上的串联斜率电阻器来实 现。在r s 引脚加上逻辑高电平( = 0 7 5 v c c ) ， 可使器件进入等待模式。处于待机状态。 系统只“听”发送过来的消息。在“听”状态下，收发器的发送功能处于关断状态，接 收功能仍处于有效状态。此时，接收器对于总线来说总是隐性的【l 引。 图3 1 6c a n 收发器电路 f i g3 1 6 c a nb u st r a n s c e i v e rc i r c u i t 为了进一步提高系统的抗干扰能力，在两个s t m 3 2 的c a n 通讯之间使用了高速光耦 6 n 1 3 7 构成隔离电路如图3 1 6 所示。采用6 n 1 3 7 高速光电耦合器，c a n 的网络速度可以 达到和电阻网络驱动时的速度一样。数据发送隔离图中c a n t x 和数据接收隔离电路中 的c a n r x 均为s t m 3 2 上的引脚，c a n t x 为c a n 发送数据引脚，c a n r x 为c a n 接受数 据引脚，电路中的r 3 1 、r 3 2 为限流电阻， 光耦6 n 1 3 7 输入电流不能小于7 5 m a ：电阻 r 3 3 、r 3 4 、r 3 5 为上拉电阻。 西华大学硕士学位论文 3 6 t f t l o d 显示模块设计 t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) l c d 即薄膜场效应晶体管l c d ，是有源矩阵类型液晶显示 器( a m l c d ) q = 的一种。是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合 性能上全面赶上和超过c r t 的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化 程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品，是2 1 世纪 全球经济增长的一个亮点。设计采用大小为2 8 寸3 2 0 * 2 4 0 ( r g b ) t f tl c d 的屏， s s d l 2 8 9 控制器，1 6 位数据线模式。接口电路如图3 1 7 所示 d o ) 1 8 9mn!bm：2垢墙垮加扒丝 为m巧拍”丝力射弛”弘弱 需噩掣一 盟 一 _ 一1 。”1 。1 基于a r mc o r t e x m 3 的智能监控器的设计 高速数据传输。无须c p u 任何干预，通过d m a 数据可以快速地移动。这就节省了c p u 的资源来做其他操作。设计中三路温度和三路电流a d 转换完成之后都产生d m a 请求。 d m a l 有7 个通道，每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。 还有一个仲裁器来协调各个d m a 请求的优先权。1 2 个独立的可配置的通道( 请求) d m a l 有7 个通道，每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过软件来配置。在七个请求间 的优先权可以通过软件编程设置( 共有四级：很高、高、中等和低) ，假如在相等优先权 时由硬件决定( 请求0 优先于请求1 ，依此类推) 。独立的源和目标数据区的传输宽度( 字 节、半字、全字) ，模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。 支持循环的缓冲器管理每个通道都有3 个事件标志( d m a 半传输，d m a 传输完成和 d m a 传输出错) ，这3 个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求。存储器和存储器间 的传输外设和存储器，存储器和外设的传输闪存、s r a m 、外设的s r a m 、a p b la p b 2 和a h b 外设均可作为访问的源和目标。可编程的数据传输数目：最大为6 5 5 3 6 。电流数 据和温度数据进入a dd r 寄存器后通过d m a l 通道快速的移入s r a m 里，以防止下一个 转换数据覆盖当前数据。下图3 1 7 为功能框图： 话华大学硕士学位论文 d m a 控制器和c o r t e x t m m 3 核共享系统数据总线执行直接存储器数据传输。当c p u 和d m a 同时访问相同的目标( r a m 或外设) 时，d m a 请求可能会停止c p u 访问系统总线 达若干个周期，总线仲裁器执行循环调度，以保证c p u 至少可以得到一半的系统总线( 存 储器或外设) 带宽。在发生一个事件后，外设发送一个请求信号至i j d m a 控制器。d m a 控制器根据通道的优先权处理请求。当d m a 控制器开始访问外设的时候，d m a 控制器 立即发送给外设一个应答信号。当从d m a 控制器得到应答信号时，外设立即释放它的请 求。一旦外设释放了这个请求，d m a 控制器同时撤销应答信号。如果发生更多的请求时， 外设可以启动下次处理。 3 8 本章小结 本章是智能监控器的硬件部分，它包括了器件选型与介绍，测量原理、采集电路、 温控电路、硬件抗干扰设计、显示通讯硬件设计以及电源部分，其重点在于温度采集电 路与电流采集电路，由于设计中电流采集没有采用电力专用芯片，所以做了很多滤波和 抗干扰设计。 基于a r mc o r t e x m 3 的智能监控器的设计 4 智能监控器的软件系统设计 4 1 系统软件流程 4 1 1 软件总体架构 设计中的软件部分主要由以下几部分组成：s t m 3 2 自带a d c 寄存器设置、看门 狗、数字滤波程序、a d 转换程序( 温度和电流) 、中断控制器( n v i c ) 设置和中断程 序、d m a 通道设置、l c d 驱动、c a n 通讯程序、温度p i d 控制。 整体软件架构如下图4 1 ： 图4 1 软件系统架构 f i g4 1 a r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r es y s t e m 4 1 2 系统流程图 智能监控仪的软件采用了c 语言编制，在设计时考虑软件的可移植性，采用了模块 化设计。主程序由几个功能模块组成：硬件初始化、数据采集、扫描键盘、参数设置、 数据显示、温度p w m 控制、报警处理、c a n 通讯。如图4 2 所示。 西华大学硕士学位论文 图4 2 系统整体流程图 f i g4 1f l o wc h a r to fi n t e g r a ls y s t e m 4 2s t m 3 2 时钟和复位设置 4 2 1s t m 3 2 时钟源简介 在s t m 3 2 中，有五个时钟源：高速外部时钟( h s e ) 、低速外部时钟( l s e ) 、高 速内部时钟( h s i ) 、低速内部时钟( l s i ) 、锁相环倍频输出( p l l ) 。 1 ) 高口速外部时钟( h s e ) ，可接石英陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为 4 m h z l6 m h z 。 2 ) 低速外部时钟( l s e ) ，接频率为3 2 7 6 8 k h z 的石英晶体。 3 ) 高口速内部时钟( h s i ) ，r c 振荡器，频率为8 m h z 。 4 ) 低速内部时钟( l s i ) ，r c 振荡器，频率为4 0 k h z 。 一 基于a r mc o r t e x m 3 的智能监控器的设计 5 ) 锁相环倍频输出( p l l ) ，其时钟输入源可选择为h s e 、h s e 2 或者h s i 2 。倍频 可选择为2 1 6 倍，但是其输出频率最大不得超过7 2 m h z 。 另外，s t m 3 2 还可以选择一个时钟信号输出到m c o 脚( p a 8 ) 上，可以选择为p l l 输出的2 分频、h s i 、h s e 、或者系统时钟。系统时钟s y s c l k ，它是供s t m 3 2 中绝大 部分部件工作的时钟源。系统时钟可选择为p l l 输出、h s i 或者h s e 。系统时钟最大频 率为7 2 m h z ，它通过a h b 分频器分频后送给各模块使用，a h b 分频器可选择1 、2 、4 、 8 、1 6 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 分频。其中a h b 分频器输出的时钟送给5 大模块使用： 1 ) 送给a h b 总线、内核、内存和d m a 使用的h c l k 时钟。 2 ) 通过8 分频后送给c o r t e x 的系统定时器时钟。 3 ) 直接送给c o r t e x 的空闲运行时钟f c l k 。 4 ) 送给a p b l 分频器。a p b l 分频器可选择1 、2 、4 、8 、1 6 分频，其输出一路供a p b l 外设使用( p c l k l ，最大频率3 6 m h z ) ，另一路送给定时器( t i m e r ) 2 、3 、4 倍频器使用。 该倍频器可选择1 或者2 倍频，时钟输出供定时器2 、3 、4 使用。 5 ) 送给a p b 2 分频器。a p b 2 分频器可选择1 、2 、4 、8 、1 6 分频，其输出一路供a p b 2 外设使用( p c l k 2 ，最大频率7 2 m h z ) ，另一路送给定时器( t i m e r ) 1 倍频器使用。该倍频 器可选择1 或者2 倍频，时钟输出供定时器1 使用。另外，a p b 2 分频器还有一路输出 供a d c 分频器使用，分频后送给a d c 模块使用。a d c 分频器可选择为2 、4 、6 、8 分 频。在以上的时钟输出中，有很多是带使能控制的，例如a h b 总线时钟、内核时钟、 各种a p b l 外设、a p b 2 外设等等。当需要使用某模块时，记得一定要先使能对应的时 钟。需要注意的是定时器的倍频器，当a p b 的分频为1 时，它的倍频值为1 ，否则它的 倍频值就为2 。连接在a p b i ( 低速外设) 上的设备有：电源接口、备份接口、c a n 、u s b 、 1 2 c 1 、1 2 c 2 、u a r t 2 、u a r t 3 、s p l 2 、窗口看门狗、t i m e r 2 、t i m e r 3 、t i m e r 4 。注意 u s b 模块虽然需要一个单独的4 8 m h z 时钟信号，但它应该不是供u s b 模块工作的时钟， 而只是提供给串行接口引擎( s i e ) 使用的时钟。u s b 模块工作的时钟应该是由a p b l 提 供的。连接在a e b 2 ( 高口速外设) 上的设备有：u a r t l 、s p l l 、t i m e r l 、a d c l 、a d c 2 。 4 2 2s t l d 3 2 时钟源设置 以下为选择c p u 的运行频率，系统已经默认了用户是使用8 m 的晶振了 # d e f i n es y s c l k j r z q _ 7 2 m h z7 2 0 0 0 0 0 0 ，宰宰木宰木幸| 宰幸事幸 幸木毒木枣木幸幸宰枣木宰宰幸宰 i 木宰木奉宰木宰木宰宰幸枣木木幸宰宰宰木幸幸宰幸牛宰宰宰宰幸宰，i 宰幸宰幸幸，i 宰 宰 c 1 0 c kd e f i n i t i o n s 幸木木木 i 木宰宰宰木幸宰，i 宰幸枣幸幸木j i c 拳木宰牛宰，i 车宰，i 木宰木宰宰木枣木宰木幸幸幸宰宰宰木幸宰宰宰幸宰宰宰+ 宰宰水宰木幸木枣幸幸撑i f d e f s y s c l kf r e q 西华大学硕士学位论文 c o n s tu i n t 3 2 一ts y s t e m f r e q u e n c y = s y s c l k _ f r e q _ h s e ； 宰! s y s t e mc l o c kf r e q u e n c y ( c o r ec l o c k ) 木 c o n s tu i n t 3 2 一ts y s t e m f r e q u e n c y _ s y s c l k = s y s c l k _ f r e q _ h s e ； 严! s y s t e mc l o c k 木 c o n s tu i n t 3 2 一ts y s t e m f r e q u e n c y _ a h b c l k = s y s c l k _ f r e q - h s e ； 产! a h bs y s t e mb u ss p e e d木 c o n s tu i n t 3 2 一ts y s t e m f r e q u e n c 心翼b1c l k = s y s c l k _ f r e q _ h s e ； 木! a p bp e r i p h e r a lb u s1 ( 1 0 w ) s p e e d c o n s tu i n t 3 2 一ts y s t e m f r e q u e n c y p b 2 c l k = s y s c l k _ f r e q _ h s e ； 严! a p bp e r i p h e r a lb u s2 ( h i g h ls p e e d 宰 设置嘀嗒时钟 s t a t i cv o i ds e t s y s c l o c k ( v o i d ) # e l i fd e f i n e ds y s c l k _ f r e q _ _ 7 2 m h z s e t s y s c l o c k t 0 7 2 0 , # e n d i f ) 当时钟配置完成后，里面变量的值就直接反映了器件各个部分的运行频率，只需要调 用s y s t e m s t m 3 2 f l o x c 文件中s y s t e m l n i t ( ) i 函数，则可完成r c c 的配置。s y s t e m i n i t 0 程序 如下： v o i ds y s t e m l n i t ( v o i d ) 严! r c c s y s t e mr e s e t ( 调使用) 严! c r i - ( u i n t 3 2 _ _ t ) 0 x 0 0 0 0 0 0 01 ； 产! c f g r & 2 ( u i n t 3 2 j ) 0 x f 8 f f 0 0 0 0 ； 产! c r = ( u i n t 3 2 _ t ) 0 x f e f 6 f f f f ； 宰! c r = ( u i n t 3 2 _ _ t ) 0 x f f f b f f f f ； 枣! c f g r 2 ( u i n t 3 2 _ t ) 0 x f f 8 0 f f f f ； 产! c i r = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ； 3 9 基于a r mc o r t e x m 3 的智能监控器的设计 宰! 配置系统时钟，h c l k , p c l k 2a n dp c l k l 域分频器木 严! d r ) ) ； a d c l 数 据寄存器 “ d m a i n i t s t r u c t u r e d m a _ m e m o r y b a s e a d d r = ( u 3 2 ) a d c c o v ；n 获取a d c 的数组 d m a i n i t s t r u c t u r e d m a d i r = d m a _ d i r _ p e r i p h e r a l s r c ；片内外设作源头 d m ai n i t s t r u c t u r e d m ab u f f e r s i z e = 1 6 ；每次d m a l6 个数据 d m ai n i t s t r u c t u r e d m u e r i p h e r a l l n c = d m a - p e r i p h e r a l l n c _ d i s a b l e ；p t - 设地址不 增加 d m a i n i t s t r u c t u r e d m a _ m e m o r y l n c = d m a _ m e m o r y l n c e n a b l e ； 内存地址增 加 d m a _ i n i t s t r u c t u r e 。d m k 3 e r i p h e r a l d a t a s i z e = d m 入3 e r i p h e r a l d a t a s i z e _ h a l f w o r d ； “、羊字 d m a _ i n i t s t r u c t u r e d m a _ m e m o r y d a t a s i z e = d m a _ m e m o r y d a t a s i z e _ h a l f w o r d ；n 半 字 、 d m ai n i t s t r u c t u r e d m am o d e = d m am o d en o r m a l ；普通模式 ， d m ai n i t s t r u c t u r e d m u r i o r i t y = d m a - - p r i o r i t y _ h i g h ；高优先级 d m ai n i t s t r u c t u r e d m am 2 m = d m am 2 md i s a b l e ；删 内存到内存 d m a _ i n i t ( d m a l _ c h a n n e l l ，& d m ai n i t s t r u c t u r e ) ； d m a _ i t c o n f i g ( d m a l 一c h a n n e l l ，d m a i t - t c ，e n a b l e ) ；d m a 通_ 道1 传输完成 中断 i e n a b l ed m a lc h a n n e l l 肆| d m ac m d ( d m a i _ c h a n n e l l ，e n a b l e ) ； ) 重新允许d m a ， v o i dd m a r e c o n f i g ( v o