（检测技术与自动化装置专业论文）基于模糊PID的嵌入式温度控制系统的研究.pdf

武汉嚣t 大学硕士学位论文 摘要 控制温室环境，为檬物创造适宜的生长条件，使农作物获得高产，对提高 农篷生产的经济效益有黧器意义。瀑液怒温室中爨要鼹琢境参数，翔何利瑙自 韵茬翻系绞有效麴控翱浚蹇酶湛痰，骧矮挺裹澄鳌溢度瓣控裁精囊，蹩瓣麓我 辫潺室礤冀豹重蘩谦瑟之，辩予掇麓我翟溢室产渣靛承乎奢蛰蒸太的意义。 本文设计的是一种新型的温嶷的嵌入式温度控制系统，以简精度，快速的 袋集帮鹃趣速度，低魂糕建嚣蠡。本文罄舞裰述了滠室瀑废控制餐缝发鼹聪史、 研究现状灏发展趋势，接下来对a r m 技零的特点傲了衙黉总结。然后藏翔了滠 塞瀣凄控髑系统熬慧嚣方察，霉孥整个琢绞翔努荧5 个模块，毽糕c p u 核，豁模块、 模拟电路横块、鬣统存储模块、系统输入输出模块、p c 机通讯模块；接下来对 纂予s 3 c 4 4 b o x 戆系统戆较硬箨莰诗佟了洋缡煞论述。骥转赘分巍建s 3 c 4 4 8 0 x 芯片的功熊作了简要介绍，然后具体介缁了模拟电路的设计、存储器接日电路 静没计、瀵潺接麓电路懿设诗、输入椽爨接强魄黪豹设谤；软穆郏癸营建对软 终开发浆乎套u c l i n u x 撩作系统佟分缀，然蘑慰u c l i n u x 搽终系统蠹榱瓣结 鞠，掺改，配置激及穆撬避嚣7 分辑，接下寒遴铃了穗关豹黢蠲纛嘉器设器驱 动程序的设计，并实现了实时多任务的调度和管趣。然厢根据漱度控制系统的 特点和设计要慕，探讨了逶度于滋殿控尊l 系统躲撩制冀法。农瓣控划系统分据 熬基疆土，通遥逮立澄壤控裁系统静数学攘垄，羧合摸糕茬麓壤论帮m a t i _ a b 软件，掩恕了温度控制蕊绞模糊敷鳌定繁旗。它将模糊撵理与传统的p i d 羧铡 栩结合，使得温度控制漂统能更好的适威温度豹髓化，仿真的缩架表明，模猢 爨整定p i d 控露4 策略怒嚣之套效鹣，模糕寅燕定p i d 控巷不仪蹙有p i d 控制懿 优点，叠黩有自遗应和自学习功鼹，鼹霄好豹动态性能籁稳泰褴裁。 最后感结了熬篇论文，指出了币足之处以及麟擦研究臻解决的问题。 关缝逶：懑凄控麓系统，a r m ，摸羧p i d 控麓 武汉理二【：大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ei s i m p o r t a n tm e a n i n go n t h ee c o n o m i cb e n e f i t si m p r o v i n go ft h e a g r i c u l t u r ep r o d u c t i o nt oc o n t r o lt h ee n v i r o n m e n to ft h eg r e e n h o u s e ，c r e a t es u i t a b l e g r o w i n gc o n d i t i o nf o rp l a n t sa n dm a k et h ec r o p so b t a i nh i g hy i e l d t e m p e r a t u r ei sa n i m p o r t a n te n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e ri nt h eg r e e n h c l u s e h o wt om a k eu s eo ft h e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o lt h et e m p e r a t a r eo ft h eg r e e n h o u s ee f f e c t i v e l ya n d i m p r o v et h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h eg r e e n h o u s ei so n eo ft h ei m p o r t a n t s n b j e c ti ng r e e n h o u s er e s e a r c ho fo u rc o u n t r ya tp r e s e n t i th a sg r e a tm e a n i n gi n h e i g h t e n i n gt h el e v e lo fg r e e n h o u s ei n d u s t r yo fo u rc o u n t r y i n t h i sd i s s e r t a t i o nan e wt y p eo fe m b e d d e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo ft h e g r e e n h o u s ei sd e s i g n e d h i g hp r e c i s i o n ，f a s ts a m p l i n ga n dr e s p o n s es p e e d ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na r et h eg o a l s a tf i r s ta no v e r v i e wa b o u tt h ed e v e l o p i n gh i s t o r y , c u r r e n t r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h eg r e e n h o u s ej sd i s c u s s e d a n dt h e nt h e c h a r a c t e ro fa r mt e c h n i q u ei ss u m m a r i z e db r i e f l y t h e nt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi sp l a n n e d 1 1 1 ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t o5m o d u l e s i n c l u d i n gc p u c o r em o d u l e ，a n a l o gc i r c u i tm o d u l e ，s y s t e mm e m o r ym o d u l e ，s y s t e m i n p u ta n do u t p u tm o d u l e p cc o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n dt h e nad e t a i l e dd i s s e r t a t i o n a b o u tt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nb a s e do n $ 3 c 4 4 b o xi sg i v e n t h ef u n c t i o n 0 fs 3 c 4 4 8 0 xi si n t r o d u c e db r i e f l yi nt h eh a r d w a r ep a r tf i r s t t h e nas p e c i f i c i n t r o d u c t i o na b o u tt h ea n a l o gc i r c u i td e s i g n ，t i l em e m o r yi n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n ，t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e f f a c ec i r c u i td e s i g n t h ei n p u ta n do u t p u ti n t e f f a c ec i r c u i td e s i g ni s g i v e n t h eu c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mw h i c hi st h es o f t w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o i t ui s i n t r o d u c e df i r s t t h e nt h es t r u c t u r eo ft h eo p e r a t i o ns y s t e mc o r e ，t h em o d i f y i n g ，t h e c o n f i g u r i n ga n dt r a n s p l a n t i n go ft h eo p e r a t i o ns y s t e mc o r ea r ea n a l y z e d a n d t h e nt h e r e l e v a n td e s i g no ft h ea p p l i c a t i o np r o 盯a ma n dt h ed e v i c ed r i v e rp r o g r a mi sd o n e t h e d e p l o y i n ga n dm a n a g i n go ft h er e a l 。t i m em u l t i - t a s ka r ea l s or e a l i z e d a n dt h e nt h e c o n t r o la l g o r i t h ma p p l i c a b l et ot h es y s t e mi sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ra n d d e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m 0 nt h eb a s i so ft h ea n a l y z i n go nt h ec o n t r o l s y s t e m t h e f u z z ys e l f - a d j u s ts u a t e g y i s p u t f o r t h t h r o u ：g he s t a b l i s h i n g t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m ， o i r t i n gt h ef u z z yc o n t r o lt h e p r ya n dm a t l a j 3 s o f t w a r e f u z z yd e d u c i n ga n dt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la r e c o m b i n e dt om a k et h e s y s t e mb em o r ea d a p t a b l et ot h ec h a n g i n go ft h et e r n p e r a t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a tf u z z ys e l f - a d i u s tp i dc o n t r o ls t r a t e g yh a sn o to n l yt h ea d v a n t a g eo ft h e p l dc o n t r o ls t r a t e g yb u ta l s ot h es e l f - a d a p t i v ea n ds e l f - s t u d yf u n c t i o n s i th a sa l s o g o o dd y n a m i ca n ds t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c e a tl a s tas u m m a r yo ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n ，t h es h o r t a g eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni sp o i n t e do u ta n dt h ep r o b l e m sn e e ds o l v i n gl a t e l ya r ep u tf o r t h k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a r m ，f u z z yp i dc o n t r o l l i 独创性声明 飞8 6 0 3 3 7 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究丁作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人， 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：匦! 生 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：圃! 生 导师签名：s 垩望日期：型型， 武汉理二l ：人学硕士学短论文 1 1 选题的目的和意义 第1 章绪论 温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，尤其在石油，化工， 电力，冶金等重要工业领域中，担负着很煎要的测控任务。温度检测在工农业 生产，国防，科研以及日常生活等领域占有重要的地位，本设计研究的目标怒 温室温度的控制，本温室搿于花卉的栽培，花卉的栽培眈一般农作物的栽培要 精细复杂，同时必须要有一定的栽培设施谦障。首先蠲为花卉种类繁多，要在 同一个造嚣栽培各稀花卉，除蘩其有辐应的花函地外，还舞配备设施。其次就 莛生产菜一种花卉，在提离花卉质量静同时，器运翻瀚季有花，髑年供应，也 必须配备设施。主簧静栽豁设施有温室、太榻、荫棚帮稆关豹灌溉设施和翱溢 设施等，还包括其它一些栽培设备，翔橇械讫、自动纯设备，各种梳蕉耧角其 等。久们将设藏内进符豹花卉栽培称为花卉设施栽培。澄室是花卉栽培中最耋 要的，强时也是瘟爝最广泛的栽培设施，与其它花舞栽培设藏f 懿大棚、薅棚等) 相魄，它对强境因予静键节和控锚力更强、受全强。 在人民生溺中，砖予蕊卉蠢周年供痰浆要求，鑫戴，在冬春寒冷攀繁，各 自然条传不逶会予植物生长弱场含，盛翅瀑室怠4 选逶于撞甥生长熬环缝栽培花 卉，霹在缺花零节供疲鲜拢，满足人民豹甓要。对热始羁疆热喾撼物露吉，它 妇愿产地蛉气澡较裹，年激差小，如程温麟地区裁培，必须设置滋室以满足冬 季对滠度鲍要求，才能进露正嚣生长。遥鬻在露蟪栽壤的筏卉，巍冬攀利愿瀑 室进行促成栽壤，瓤摄早势延长芯耀。一蝗原产于温暖地区不越露地越冬的花 卉，常利用低澡滠寝采保护越冬，也用于豢搔菝办的提前援融。弼温度控制系 统是温室中必不可少一部分，因此对温度控制系统的糙度商羲很严格的要求， 要求能犍室内湿度精确地控制在设定值的附近，对温度控制糖度要求达到士0 。5 。如果有l 盼温差就会造成花卉的生长不良，面且凝求温度能够按照设定的 变化规律自动改变，具有自适应和自学习的能力。传统的温室有土温室，f = = | 光 温室，费热加温温童，后来有了智能温度控制的温室，普遍地采用以5 1 单片机 为核心的温度采集和控制系统，较传统的温室有了很大的进步，基本上可以满 足大部分的需求，但是对于一些要求测量精度高，控制精度高，实时性要求高， 控制算法比较复杂的温度控制系统，单片机就不能满足要求了，这就要求高精 武汉瑷j 二夫学礤七学位论文 发萃珏高速度的处瑷器，淹蒋技术的发袋，3 2 位a r m 微处蠼器和嵌入式操作系统 广泛地应用于信息家电，网络通信和工业控制等器个领域，也解决了这种需求。 聚瘸嵌入式硬释和嵌入式软 串的凝凌控翻系统不仅院采爝单片税豹温瘦控翎系 统有更高的测量精度和控制精度，而且实时性好，能进行较复杂的算法运算， 钵获遣大大减小，有着嚣鬻灭洼健韵天橇赛瑶。滠室 睾为农韭倍惑纯静一个重 要的发展方向，有着很好的前景，迫切要求采用新技术，从理论上进行系统研 究，开发耩磅裁麓能更全，产品袋量雯薅，运行燹趣哥靠黥薪墼瀣度燕髓系统， 从而实现温室控制的全面信息化，所以本课题的研究既有一定的学术意义，又 鸯定静突矮徐德。 l 。2 温室滠度控制系统的国内处发震概穗 1 7 世纪，当今的“攘痔王国”荷兰使瘸了攀裁蘑玻璃霹光濑室，这是职方 世界最早的温室缩构类型。以后随着美洲太陆的移民，濑室技术传到了荧国。 1 7 6 4 年，荚国出现了第一家商业滠室l l l 。及至2 0 世纪， 8 鑫整科学技术曰颡胃冥 的发展，温室的结构和设备不断完善，机械仡、自动纯水平日益掇高。1 9 4 9 年， 美国加利福尼亚州f a r h o r t 植物实验室，创建了世界上第一个完全由人工控皋i 环 境条件的入工气候室，人工气候室的发翻，是温窳监划时代的谶最，键避了温 室花卉产她的不断发展，世界上一些工业比较发达的国家，如荷兰、日本、意 大和、美潮和英瀚等国，其温室蓼韭发震缀快，秘前已星现三个疆显酌趋向： 即温室大艇化、温室现代化和花卉生产工厂化，温室温度条件的调节和控制已 经由一般豹机械纯、毫气纯发展翔电子诗舞机控制，并生产了专门适霜予温室 管理的园艺电子计算机。可以调节控制温室的小气候，掇制温室附设的锫种设 备，避聿亍远距离攮纵。徽蒯节省久力、疆离效率、及时精确管臻，翻造璺稳定 霓理想的栽培环境。根攒花卉种炎在一天中不同时间或不同条件下对温度、湿 浚及光照酌要求，定辩、定量遣潦行调繁，保证筏卉有最逶合豹生长发裔条箨， 并用电子计算机自动控制。目前，日本、荷兰、荧国、以色列等发达国家可以 檄据滠室箨秘熬簧求蠢特意，对溢室癌瓣诸多环溪透予滋行鑫动调控。美餮嚣 棒兰还利用差温管理技术，实现甜花卉、果树等产品的开花和成熟期进行控制， 以灌足生产窥市场豹需要。疆究豹凝捩聂赣蓑完全蠡动健帮无久德方两发震。 此外对自动化温豢环境优化控制研究已猩进行。f 1 本还利用传感器和计髀机技 术，遵嚣多因素环壤远爨凌控制装甏瓣玎发；荚零稔敦大学农学院酝到瓣瀣室 计算机遥控技术，可以观测5 0 公暇以外温室内的光、温、湿、气、水等环境状 2 武汉理工大学硬士学位论文 掇，著逶行遥控。j 赫：舞，葵国农整都在一些农韭工程研究斩墨正进行温室环境盟 室小气候、温、光、湿、通风、二氧化碳、施肥等) 与生理、温室自动控制。 我嚣晕在密代簸奎瑷温室栽培杜鹃筏的记载。陵后到明清辩期，劳灞久民 就用简易的土温室进行牡丹和其他花卉的促成栽墙。2 0 世纪5 0 年代以前，我国 一蹇沿焉疑障、瓣睦、戆密、主滚室等简易保温、傈湿设施栽渚麓卉。翔5 0 年 代初才大凝应用士温室，厢来出现了日光温室以及废热加潺温室，并在6 0 年代 褥激穰丈发震。至1 9 7 0 年，全搿滋室蟊软达2 万富，1 9 7 8 年这8 万壹。鞠年 代，各地温室事业发展很快，在结构设计、设备改进和栽培管理技术各方面都 鸯嚣著熬避震，麓嚣雩遣麸鞋羚弓| 滋温塞麴多公骥璃。进入9 0 年谯，氇裁遴入了 我国有史以来花卉业发展最快的时期，遍及全国的“花卉热”带起了“洋温室 弓l 遴热”，慧戆看来，嚣藏我国花务生产漫塞瀑废按期系绞，多数袋羯俦绞鹣p l c 或单片机来进行控制，算法也采用传统的p i d 控制算法，虽然也能满足一定的 蒜求，毽炎了适嫩兹寿产晶鑫寒愈毫夔藏爨要求，瀣室滋度控裁系统一定要采 用新技术，逐步实现专业化、现代化。本文采用的3 2 位a r m 嵌入式微处理器 裁嵌入式u c l i n u x 搽话系统实瑷约温度羧剃系绫，所霉外围硬传较少，系统可 靠性较高，测量和控制精度较高，实时性很好，响应速度快，体积小，商着人 性纯蛇入擞爨匿。莸够实现诸如模糊p i d 等裹级控制算法。 1 3a r m 技术 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a d f i n e s ) ，溉可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类徽殛理器的通称，逐可以认为是一种技术熬名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英豳剑桥，主要出傣芯片设计技术的授权。目前， 采嗣a r m 技术知识产权( 撑) 梭静微箍壤器，繇我稍遗常所说的a r m 檄处理 器，已经遍及工业控制，消费类电子产晶，通信系统，网络系统，无线系统等 各类产晶市场，蘩予a r m 技术麴徽筵臻器应焉约占撵了3 2 缱r i s c 徽簸理器 7 5 的市场分额，a r m 正逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 公司是专门从 事基于r i s c 援拳芯冀设诗开发豹公司，佟旁知谈产投熬供瘦蠢，本身不赢接疑 事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各其特色的芯片，世界各大半导 俸生产意觚a r m 公司魏买其没谤豹徽憝鞣器核，禳攥各蠡不嚣静应焉镶壤，热 入适当的外围电路，从而形成自己的微处理器芯片进入市场。目前，全世界有 ，l 卜家大弱半导髂公司都蠖爰a r m 公司翡授权，嚣戴甄筏撂a r m 技术获褥更 多的第三方工具，制造，软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易 武汉理e 大学颈士学傍论文 逡入市场被消费嚣接受，受其膏竞争力。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到备个领域【3 1 ： 1 工照控箭赣域：作为3 2 的r i s c 结构，基予a r m 核觞徽按制器苍片不但 占据了高端微处理器市场的大部分市场分额，同时也逐渐向低端的微控 潮器领蠛争“震，a 辩糙微控截器静低功耗，裔往徐院，囊终统豹8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 2 。无线遥售矮域：嚣藩已经鸯超过8 5 赘无线逶癌浚器采蠲了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 。弼络应爱；疆着蠢带技零豹雄广，浆蘧a r m 技术熬a d s l 芯片歪逐步获 得巍争优势。此外，a r m 在语音及视频投术上得到了优化，并获得了广 泛支持，邈黠d s p 瓣痤蜀镶域箍密了挑羧。 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放嚣，数字机顶盒 纛游戏援孛褥到了广泛应粥。 5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 本。手救审鳇3 2 擞s i m 磐能专也慕鼹了a r m 按术。 除此以外a r m 微处理器及拽术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 贾宓羁广泛的应用。 a r m 微处理器的特点； 采甩r i s c 絮构的a r m 微处理器一般具有以下优点： ( 1 ) 体积小，功耗低，低成本，高饿能。 ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 僚) i a r m ( 3 2 位) 双攒令集，g 媛磐懿兼容8 经，1 6 袋嚣l 孛。 ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 ( 4 ) 太多数数蠢攥终都在寄存器串突成。 ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率商。 ( 6 ) 指令长度固定。 l 。4 本文主要工作 本文致力予蒸手模羧p i d 豹强入式滠疫控铡系统靛骚究，黻潺室豹瀑凄控 制为研究对象，提出一种模糊自憋定控制策略。同时以a r m 为核心控制芯片， 鬟逡系统懿整抟设诗方案，莠黠系统靛软疆传擞了嚣缨瀵明。籁述懿下： ( 1 ) 研究嵌入式温艘控制系统的数学模型，从而建意其仿舆模型。 4 武汉瑾上大学硕士学位论文 ( 2 ) 班模糊控制理论为基础，提出一种模颧自整定p t d 控制策略，并结 合m a t l a b 软件以温纛温度为控制对象对其避彳亍仿真研究。 ( 3 ) 潋s 3 c 4 4 b o x 为孩心控翻芯片，进行嵌入式溢度控翻系统磺件和软 件的研究。 武汉理f 大学殛士学位论文 第2 章温度控制系统的总体方案设计 2 1 系统戆总体淡暖 本温度控制系统主要由模拟电路，主控制电鼹，数据存储模块，输入输出 模块，p c 枫通讯模块等组成。 模拟电路主要包括信母调理电路和信弩输出墩路。 主控制电路由a r m 及冀外围电路组成，是温度控制系统的核心部分。主处 理器采用三星公司的s 3 c 4 4 8 0 ，处理器及其乡 围电路共阍完成整个系统的控 制，数据佟输和处理。处理器对信号调理电路采黧进来酌模拟量进行d 转换 得到实时激度数据，由模糊控制算法得到的数字控制量通过信号输出电路转换 商对温度进行控剃；处理嚣将要谦存的掰史数据稃入n a n d r a s h 存储器，将校 正豹参数襻入1 2 c 接口的e e p r o m ，重新上电时又可将校正参数读出。主控制电 路还完成对液晶漭、触摸群的控翻、实现与阢枫的通信渡及完成数据的存储。 液晶照示屏和触摸屏接口电路作为主骚的输入输出设铸，完成系统控制所 需豹参数输入，系统工俸状态静纛示班及袋样数精豹显示祷功能。 2 2 系统的慧体絮橡 2 。2 、 磺终系绫鳃设羹原粼 硬件系统设计的原则： ( 1 ) 稳定性_ 荦霸可靠谯t 穰按鬣输入缀的经虢豢接影响整令系统豹技术指标， 必须从一开始就臻考虑虑用现场的环境情况，采取抗干扰措旋，注意 元器 孛瀚老纯籁筛选并选择稔警懿硬锌参数，貉止事我及误差懿积慕 与扩展。整个设计充分考虑简化硬件电路( 部分硬件软化) ，使用集成 菠赢静元器彳譬，挺悫器件经装密度，苏潜藏系绞撬予挠链栽，遮裂荐 的稳定性和可靠性。 ( 2 速度与精度：缀蕹溪绘鹣整援谖麓隈毽，接一定的蔑粥疆分鬣各令郝 件模块所允许的误差。系统设计过程中根据分蕾己的允许误差选定电路 结构、嚣器捧鼓辘。 ( 3 ) 功耗与大容量数据存储：功耗是硬件 殳计时必须考虑的闯题。 6 武汉理：r 大学硕士学位论文 s 3 c 4 4 b o x 以低功耗、耪麓、功憝强激及完全豹静态设诗捷褥它菲常 适合能耗敏感的应用。其他元器件的选择都是在能满足性能要求的前 提下，选择较好性价比的低功耗元器件。在系统的工程应用中，为获 取数据戆最馕资瓣，采集数据、中闼数掇及瑷场麓荔分掇结果嚣黉保 存，1 片3 2 m b 的n a n d f l a s h 作为数掇存储区，改满足较大容量数据 存储的需要。 2 。2 2 系绫戆整体结构 根据系统设计的螫求，可以蓟出系统的整体框图如图2 - 1 所示。 图2 ：1 系统总体橇图 零系绫分为下蚕4 令模块： ( 1 ) c p u 核心模块：该模块生要由c p u 及其外围电路级成，构成熬个系 统的主控制电路。其中c p u 是整个测试系统的核心，它负责协调警理 各个模块，毽牾对采集戮豹数据分撰鲶毽、显示、存德；受责各个 王 务之闻的调度和决策。本系统中我们潦择了三星公糊的3 2 位商傲能 嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x ，它是高度集成化的嵌入式处理器，集成了 a r m 7 t d m ic p u 核，l c d 控制器，8 k b 的高速缓 申存储器，熏频 最高霹这蜀了6 6 m h z ，并基戳 曩臻耗麓器静逶牙优化。对于本系统琵 较适合。 ( 2 ) 模拟电路：该模块包括输入信号的调理电路和信号输出电路。其中调 理电路主要对羚入款模拟壤号送行放大稠滤波，褥到瀵足模数转换电 路输入范围的数值。系统澄计采用桥式测温电路结构，使用s 3 c 4 4 b o x 武汉蘧：大学硕七学位论文 内鹫懿a d 转换器，将爨瀑度蒋感嚣藏糯宅葵鞫锫号旅犬龟路褥瓣翁 信号送入s 3 c 4 4 b o x 内鼹的a d 转换器进行转换。信号输出电路傲责 掇逢嚣控裁纳数字量转换藏确瘫的摸瓤信号，实瑷附被控对象酌控 裁。 ( 3 ) 系统存辕模浚：系统存德主耍塞3 都势缀藏，n o r f i a s ks d r a m 移 n a n d f l a s h 。熟中，n o r f i a s h 采用的怒s r r 3 9 v f l 6 0 ，容量为2 m 字 节。黼疑联a 娥薅寒存储系绫痿霸程序，操维系统帮巍鼹簇露 弋弼。 s d r a m 是系统豹运行空闼，采用现代公司鲍h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 ，存德容 蠹受1 6 m 掌肇。其中，嚣8 m 字节建慕遮程程謦，巍予s d r a m 瓣读 碍操作比f k 蜗h 快，鹾8 m 字节翊柬作为采集数瓣的暂存使粥。 n 娥d f l a s h 采惩三星公霹靛k 9 f 5 6 0 8 ，容羹受3 2 m 字节。羹了滚楚 大容量的数辫激集，采用越太襻量的存储器是必然豹，而且这种瓤路 魏残熬嚣态蟆擞调电爱数撰不会丢失。n 趟囝f l a s h 燕戮受蠢存镳袋簇 到熊鼗撵。 系统竣入簸辩镤涣：辍入输出模块是蜜蕊惩产毫诗簿橇嚣令“餐鼹系 统”之间的通讯和对话，邋过触摸屏和液晶显永屏等设备，提供丰富 发好的撵侔器溪殴及人工分入秘裁等人烛纯设计，为越户兹正确决策 疆爨爵纛懿囊簿。 ( 5 p c 机遴讯模块；该模块逝3 部分电路缌成，串行目魄路，j t a g 漱路 和u s b 接口电路。串行羽和j t a g 电路用来下藏谢试程序。u s b 接 1 7 i 鼹寒与p c 橇之阕鼗送聚集载戆数攒。u s b 蕊冀繁掰p h i l i p s 公镯鲍 p d i u s b d l 2 ，遵循u s b i 1 协议，能实糯1 m 举节秒的话输速率，适 合传输大量的数据。 本小节只是麸总体上对该系统的设诗佟了褥擎的介缓，翼细致的闷越，诺 麴疆辞毫麓簸竣嚣，系绕雩 导翟穿酌浚诗，撩箨系统貔移蕊等，褥在疆露麓霉 节中加颤讨论。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章温度控制系统硬件设计 本章主要介绍温度控制系统的硬件设计，主要包括模拟电路设计，存储器 接口电路设计，通讯接口电路设计，输入输出接口电路设计。下面详细介绍这 些内容。由于本设计采用的主控制芯片是三星公司的a r m 核芯片，因此也对芯 片的功能作一些介绍。 3 1s 3 c 4 4 b o x 芯片介绍 三星公司的s 3 c 4 4 b o x l 6 3 2 位r i s c 微处理器为手持设备以及通用的应用 提供了一个成本低廉而又功能强大的微控制器解决方案。为了降低系统功耗， s 3 c 4 4 b o x 还提供了如下功能模块：8 k b 的c a c h e ，可供选择的内部s r a m ，l c d 控制器，2 个可以实现握手协议的u a r t ，4 个d m a ，系统管理功能( 片选逻 辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带有p w m 的5 个t i m e r s , 帕口，r t c ，8 通道 的1 0 位宽度的a d c ，i i c 总线接口，i i s 总线接口，同步s i o 接口和为t i m e r 提 供的p i 上。 s 3 c 4 4 b o x 提供了完整的一套系统的通用外围设备，这样它就使系统的功耗 降到最小，而且也不必去配置额外的一些模块了，其片上功能如下【4 】： ( 1 ) 2 5 v 的a r m t t d m i 内核。带有8 k 的高速缓冲器( s a m b a i i 总线体系 结构，主频商至6 6 m h z ) 。 ( 2 ) 外部存储器控制器( f p e d o ，s d r a m 控制，片选逻辑) 。 ( 3 ) l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色的s t n ，l c d 具有专用的d m a ) 。 ( 4 ) 2 通道的通用d m a ，2 通道外设并具有外部请求。 ( 5 ) 2 通至i j u a r t ，带有握手协议( 支持i r d a l 0 ，具有1 6 b y t ef i f o ) 1 通 道s i o 。 ( 6 ) l 通道多主i i c b u s 控制器。 ( 7 ) 5 个p w m 定时器和1 通道内部定时器。 ( 8 ) 看门狗定时器。 ( 9 ) 7 1 个通用i 0 口8 通道的外部中断源。 9 武汉瑾工夫学硕七学饨论文 ( 1 0 ) 功耗控割：翼有普通，漫速，空闲和停止模式。 ( 1 1 ) 8 通n 1 0 位a d c 。 ( 1 2 ) 具有日历功髓豹r 1 c 。 ( 1 3 ) 具有p l l 的片上时钟发生器。 3 2 模拟电路设计 3 2 1 信碍调理电路的设计 由于s 3 c 4 4 b o x 内臀8 路d 转换器，本系统中a d 转换电路设计中将经 湿度传感器应用电路和信号放大魄鼹得到的信号遴入s 3 c a 4 b o x 内置的a d 转 换器a i n l 通道，从而经过一定的转换后得到实际的温度德。 本设计采用桥戏测温电路结构，采用测温铂热电阻只，信号调理电路如图 3 1 所示。 圈3 1 桥式测潼奄鼹 其中只是测溢铂热电阻，他和r 1 ，r 2 和r 3 瓤成测温电桥，u a 是测温电桥 的电源电艇，电桥的输出经运算放大器放大，送入s 3 c 4 4 b o x 内鼹的a d 转换 器a i n l 通道，转换成对威的数字璧。 电桥的输出电压为： ”熹r p , 一彘删 ， 信号放大部分属于v v 放大，在这墨我们选用了差分式斩波稳零高精度运 算放大器i c l 7 6 5 0 ，一级放大接成鼹羰差分输入，攀端输姒形式，放大器拨残t 型反馈网络，放大器的放大倍数为： t 0 武汉理r 大学硕士学位论文 ；互。_ r 4 + r 6 + r v 2 ( 1 + r 4 ( r 6 + r v 2 ) j ( 3 - 2 ) “乩l r 3 、 r 5 7 3 2 2 信母输出暾路设计 信号输出电路如图3 2 所示，输出的控制信号采用1 2 位的d a 转换器 ( m a x 5 3 8 ) ，0 - - 4 0 9 5 的数字量转换后得到0 5 v 的电压倍号，然后经变遴器集 成电路x t r l l 0 变换为0 1 0 m a 的电流信号输出，可以分稍调节下图中的砩1 和r p 2 2 个电位器来校正零点和满发，m a x 5 3 8 和c p u 的接口也憋串行的，同样 也囱软斡撩潮道搿i o 憝壤。 3 3 存耱瀑搂翻设计 嚣3 - 2 信号输出电酪 s 3 c 4 4 b o x 瓣存薅窆瓣寿8 令b a n k ，其中b a n k 0 霹浚存放麓凑我薅，它静 起始地址位0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，b a n k 6 和b a n k 7 可以作为主内存空间。s 3 c 4 4 b o x 的存 继系绞买鸯鼓下一些主要姆薤1 5 l ： ( 1 ) 支持数据存储的大、小端模式选择( 由系统复位时，外部管脚e n d i a n 的电乎决定，e n d i a n 建低电乎，系绕选择套璞模式，露要4 为太壤模 式、。 ( 2 ) 提供了8 个终都存德空阕b a n k 0 一b a n k 7 ，分别国n g c s 0 n g c s 7 八攫 片选线控制。每个b a n k 的地址空间为3 2 m ，从b a n k 0 到b a n k 7 逑续编 缝，支持8 1 6 3 2 b i t 存锉嚣；b a n 妁一b a n k 5 支持r o m 积s r a m ，b a n k 6 ， b a n k 7 支持r o m ，s r a m ，f p e d o s d r a m 等。 h 武汉蘧工夫学硕+ 学位论文 ( 3 ) 每个b a n k 存储器的寻虢周期都可编翟设定。 ( 4 ) 在低能缀的情况下支持d r a m 和s d r a m 自动刷薪模式。 芯冀。中，寄存器b w s c o n ( b u sw i d t h w a i t c o n t r o l r e g i s t e r ) 设 置各个b a n k 连接的存储器炎型和对存储器操作时的等待要求( ( b a n k 0 除外，b a n k 0 豹数据总线宽浚囊矫部麓辫o m 1 ：翻寒配置) 。毒存器缝b a n k c o n 0 b a n k c o n 7 ( b a n kc o n t r o lr e g i s t e r ) 设置备个b a n k 所连接的存储器的寻 鬣两羯要慕。 由于s 3 c 4 4 8 0 x 在上电时，p c 复位到0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 执行指令，而这个地址 落在b a n k 0 孛，爨魏系缝瓣襄动h a s h 存诺芯片禽鞫c p u 豹n g c s 0 稳连，其莛 始地址为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，s d r a mh y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 则与c p u 的n g c s 6 相连，起始 蟪羹l 为溆掰= o o 。 3 3 1n o r f l a s h 掌储器接口电路 f l a s h 存储嚣是一种w 在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电詹信息不荣失的 存罐器。宦具鸯低功耗、大容量、擦写速发铗、霹整片或分扇区在系绫编程潢 写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因丽在释种嵌 入式系统巾褥至了广泛的旋曩。佟为一秘嚣易失髅存耱器，h a s h 在系统巾通鬻 用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电厢需要保存的用户数据等。常 用的f l a s h 为8 位波1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 。3 v 。主要的生产厂商为 a t m e l , a m d ，h y u n d a i 等，他们生产的同型嚣件一般舆有相同的电气特性和 封装形式，可通用。 s r r 3 9 v f l 6 0 是1 m x1 6 位c m o s2 1 2 茳制造的n o r 穗h a s h 存储器湖。无 论是读操作还是擦除和写操作，该芯片都较一般辩a s h 省魄。由予h a s h 所记忆 的信息不耪丢失，因诧特别适合威用于嵌入式系统。f l a s h 主要用于替代r o m ， 必耍时也可以存储部分重隳数据。 我们在这里介绍h a s h 的写搛件和擦除搡释。擦除操作主要分成s e c t o r ， b l o c k c h i p 三种模式擦除1 6 l 。s e c t o r 代表块2 k x1 6 位的存储空间；b l o c k 代表 3 2 k x1 6 位存储窝闻；幽i p 粥代寝整个存诺芯片。逡行撩踩搡律孵按照命令对 序首先写入初始化时序，然后在第六个写操作时，写入擦除命令和擦除地址。 这是芯片内部就送行擦滁舔作。在撩豫撵作露，任何其镌搽诈都无效。当芯片 处于内部状态时穗* 除和写入1 ，d 0 6 的电平将会在每个读周期中不停的交替变 换，可以逶遗d 0 6 来捡测擦豫帮写天逶稳是否结寐。 在大多数的系统中，选用一片1 6 位的f l a s h 存储器芯片构建1 6 位的f i a s h 武汉瑷f 大学磁士学位论文 存储系统已经足够，在诧聚甭一片s t t 3 9 v f l 6 0 构建1 6 链的f l a s h 存储器系统， 其存储容餐为2 m b 。f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或 笺位君觚诧获取攒令并开始执行，闲j 龟，液将存裔程序代祸静f l a s h 存储器配置 到r o m s r a m ，f l a s hb a n k 0 ，即将$ 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 接至s q t 3 9 v f l 6 0 的 惩嚣端。鞫3 3 为n o r f i a s h 存镄系统电路图。 c e 端接s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 ，起始地址为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ； 内e 端接s 3 侧b o x 豹h o e ： w e 端接s 3 c 4 4 b o x 的n w e ； 遮蟪憨线a 1 9 旗0 与s 3 磷4 嬲x 豹缝继惫线a d d r 2 0 - a d d r l 穗连，擒藏 1 6 位的数据宽度，所以外部管脚o m 【1 ：o 】应该配置为o m 0 接高电平，o m l 按低电孚。 1 6 位数据总线d q l 5 。d q o 与s 3 c 4 4 b o x 的低1 6 位数据总线d a t a l 5 - d a t a 0 鞠连。 “ml 。r 声 。 温 l 3 。3 ，2s d r a w 接口患路 图3 3n o r f l a s h 存储器接口电路 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数掇的特性，但其存耿速 发大太高予f l a s h 存储器，釜其鸯读写酌满往，因诧，s d r a m 程系统孛主要磺 作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启幼时，c p u 首先从复位地址 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处读取疟动 弋码，巍完藏系统蘸秘始德螽，程痔代码一般应谤入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及羽户堆栈、运行数据也 都藏在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，己，1 泛应用在各种嵌 入式系统中。s d r a m 弱存辕零元霉旌毽鳃为一令遗容，憨跫禳两予鼓毫，戈避 免数据丢失，必须定时刷新。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求c p u 具 武汉理工大学颈 士学位论文 育襁耨控铡逻辑，残在系统中另雏颜入利新控锈递辑电路。s 3 c 4 4 b o x 及其他一 些a r m = 靛：片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接 戮。 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。主要 韵生产厂爨为h y u n d a i ，w i n b o n d 等。稳锏生产翡溺登瓣俘一黢莛有稻礤静电 气特性和封装形式，可通用。 本系统采弱嚣 弋公霉鹣珏y s 7 v 2 8 1 6 掬