（计算机科学与技术专业论文）实验室智能监控系统的设计与实现.pdf

壹 ， 一母 j t ； at h e s i si nc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y l73 2 6 87 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fl a b o r a t o r y i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m b yg u o z h e n h u a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rj i a n gl i n y i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一盖 j 一 一_ _ v 伊 _ - 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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谢 意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：寺俄取舞 签字日期：2o o q 占 导师签名：互旗 签字日期：叼、i 峙 m 角二 f 矗 两j 罗 东北大学硕士学位论文 摘要 实验室智能监控系统的设计与实现 摘要 计算机技术、自动化技术和通信技术在各个领域的广泛应用，不仅推动了社会信息 化的不断发展，也改变了人们同常的生活与工作方式。数字家庭、智能监控等概念的出 现，使人们对智能监控系统产品充满了期待。 通过分析国内外实验室智能监控系统的发展与现状，并结合我国当前国情，提出了 一种新的实验室智能监控系统的解决方案。采用嵌入式技术来降低功耗和成本，引入模 块化设计和警报制度提高系统的开放性和智能性的软硬件设计思路。最终构建一个实验 室智能监控系统。监测实验室环境的各种实时数据及状态，自动判断环境指数，检测外 人闯入，并发出声光报警。该实验室智能监控系统能通过有线与上位机通信，能较好地 满足无人值守实验室的需要。使实验室智能监控系统实现普及化。 本文主要完成的工作：分析实验室智能监控系统的特点，确立采用a v ra t m e g a l 2 8 作为主控制器；对传感器技术进行研究，并通过分析传感器及实验室智能监控系统的特 点，确定实验室智能监控系统采用的温度，湿度，酒精，二氧化碳等传感器；以a v r a t m e g a l 2 8 为核心，向外扩展外围电路，连接温度，湿度，酒精，二氧化碳等传感器模 块设计实验室智能监控系统；各个功能模块则由传感器及应用电路等组成；在系统硬件 平台的基础上，uc o s i i 在a v r a t m e g a l 2 8 上的移植，为进一步的应用开发打下了基 础；在系统硬件平台和操作系统uc o s i i 的基础上，完成系统的应用软件设计，实现 了实验室环境参数智能监控、监控中心对采集数据的存储分析、远程监控终端对采集数 据的图形化显示等。 关键词：嵌入式；a v r ；传感器；实验室智能监控系统；i lc o s i i _ - 目l4 0 = 【工】 q2 0 o 只 d ， p 天 h 1 01 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 g a sc o n c e n t r a t o n ( p p m ) 图2 5t g s 4 1 6 1 灵敏度特性图 f i g u r e2 5t g s 4 161s e n s i t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c s 为此在较为理想的环境下，分别测得室温为5 4 0 ( 公差为1 ) 下二氧化碳浓 度为3 5 0 p p m 时的e m ，并将其对应的数值存入数据库，在实际的测试环境中，根据温 度传感器测得的室温选择不同的e m 即从而提高测量的精度。 2 5 酒精传感器 t g s 8 2 2 4 0 1 有以下特点：对乙醇等有机溶剂有高灵敏度；长期稳定性优良；长寿命、 低成本；结合简单电路即可使用。可以被应用于酒精检测，工厂、干洗店、半导体产业 的有机溶剂检知等。 t g s 8 2 2 传感器的气敏素子，使用在清洁空气中导电率低的二氧化锡( s n 0 2 ) 。当存 在检知对象气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的电路即 可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 t g s 8 2 2 的灵敏度特性如图2 6 所示。纵坐标以传感器电阻比( r s r o ) 表示，r s 表示不同浓度气体中的电阻值，r o 表示3 0 0 p p m 乙醇中的电阻值( 即正常空气中测得的 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术 电阻值) 。 1 0 翌 5 0 0 ( ) 5 0 1 0 05 0 0 i 0 0 0 c o n c e n t r a t i o n ( p p m ) 图2 6 酒精传感器的灵敏度特性 f i g u r e2 6t h es e n s i t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so fa l c o h o ls e n s o r 酒精传感器t g s 8 2 2 受湿度温度的影响如图2 7 所示。纵坐标以传感器电阻比 ( r s r o ) 表示，r s = 含3 0 0 p p m 乙醇、各种温湿度下的电阻值。r o = 含3 0 0 p p m 乙醇、 2 0 6 5 r h 下的电阻值( 即：正常空气中测得的电阻值) 。 1 0 5 2 o 毫1 名 o 5 迤蕊 ：、 、，：叁 - - - r h 3 5 5 0 6 5 1 0 0 2 0 - 1 00 1 02 0 3 04 05 0 a m b i e n tt e m p e r a t u r e ( c ) 图2 7 酒精传感器温湿度的影响图 f i g u r e2 7t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yt oa l c o h o ls e n s o r s 2 6a v rg c c 简介 a v r 开发过程中主要运用了标准的c 交叉编译器a 、佩g c c 4 1 1 。p r o g r a m m e rn o t e p a d 是a v rg c c 集成开发环境( i d e ) ，如图2 8 所示。 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术 图2 8a v r g c c 集成开发环境( i d e ) f i g u r e2 8a v rg c ci n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to d e ) a v r g c c 是一款优秀的a v r 编译软件，是流行的g u nc 编译器在a v r 上的移植。 g c c 支持多种操作系统，m s d o s ，w i n 3 2 ，l i n u x 都可以使用。在使用w i n 3 2 时，会 有一个软件包w i n a v r ，不仅仅包括c 编译器，虽然也不是集成开发环境，但也还包括 了编辑，编译，下载整个开发流程中所需的所有软件。g c c 最大的特点是开源，发展 较快。 2 7 本章小结 本章主要介绍了本文所实现的系统中所用的相关技术。a v r 单片机是8 位r i s c 单片机，速度快，耗电少，使用方便。温度传感器d s l 8 2 0 可以方便地与a v r 连接。湿 度传感器h s l l 0 1 通过频率输出回路可以与a v r 连接。二氧化碳浓度的对数值与a e m f 呈线性关系。酒精传感器t g s 8 2 2 使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气 体浓度相对应的输出信号。g c c 最大的开源，发展较快，适合于a v r 系统的开发。 i 东北大学硕士学位论文第3 章需求分析和总体设计 第3 章需求分析和总体设计 3 1 系统需求分析 现在人们对智能监控系统已经熟悉。有关调查显示，各个地方的实验室都有安装监 控系统的意向。所以实验室智能监控系统蕴涵了商机。 嵌入式控制器的应用几乎无处不在：移动电话、家用电器、汽车，无不有它的踪影。 嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到工 业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品 更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。 嵌入式技术在最近几年的飞速发展，为以嵌入式为基础的实验室智能监控系统的发 展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。 3 1 1 功能性需求分析 可以通过该实验室智能监控系统实时地获取实验室的环境信息，下面列出最终可以 实现的功能： ( 1 ) 用户可通过监控中心的监控软件随时查看各个实验室的情况； ( 2 ) 用户可通过监控中心的监控软件统计数据，对发生情况做出处理； ( 3 ) 监控中心可以存储实验室的温度值、湿度值、二氧化碳浓度值等信息； ( 4 ) 监控中心可以图形化显示实验室的温度值、湿度值、二氧化碳浓度等信息； ( 5 ) 管理员通过任何一远程终端都可以登录监控中心主机； ( 6 ) 管理员操作监控软件，查看监控中心数据，查看实验室的环境状况； ( 7 ) 如果家中有人走动，系统就会自动通过蜂鸣器和语音实现自动声光报警； ( 8 ) 系统可以同时显示多个实验室的情况，用户能同时监控多种参数。 在对实验室智能监控系统的需求分析后，本系统的定位是建立一个面向大众的、能 为一般实验室和中小企业实验室提供服务的、能满足基本实验室环境信息监控的实验室 智能监控系统。在功能上既有基于w e b 方式的客户端保证管理的便利性，又要实现实 验室智能监控系统的数据实时性，为用户提供个性化的特定服务。实验室智能监控系统 用例图如图3 1 所示。 国j 1 兴越至智能监控系统用例图 ，f i ? 3 ju 8 e c a s e d i a 鲫l o f l a b 。r a t o r yi n t e l l i g e n tm 0 i l i t o 血g s y s t e m ( 1 ) 嵌入式前端机需求分析 一 理佳霎全兰竺竺蛩竺三实验室中，所以其主要功能就是对实验室环境参数进行采集。而 委黧耋冬登兰寻矍繁麟可以及帆参数进行分析以及时发现磊矗- 蒿淼萎 黎篓耄耄应该可以发送给服务端进行存储，以便以后可以对数据进存募荔：茹；i i 薹 f 啦山 一7 “i j vj v i ，匕 钵士斤妻三三兰竺苎竺及时通知管理员，嵌入式前端机还应具备对采集的传感器数据进行 耋竺妻裳篓筹阀竺? ! 警进行报警，在恢复正常范围时还可以自动取磊聂喜! 日蒸莩孬釜 妻篓竺篓。坠萼箭端机还应可以对阀值进行设置，这样就亩i 蔓磊三主桌篙荔 实验室需要，做到更具通用性。 一“一川叫 出黧兰凳曼堂全式前端机还应该可以自动进行应急处理，以最大限度的减小损 耋二! ! 兰二更好的对危险进行处理，嵌入式前端机还应能接受服磊差主磊；：r 霁 进行解析执行。 一。川。刀 隶灰兰竺中黛全 竺端机相连，可以接收嵌入式前端机传来的数据，并分析后进行 喜耋亨萎二翌! 苎芝号警理员对嵌入式前端机进行控制的主要部分。善刍二；夏主差芸 向嵌入式前端机发送命令。 一。”哪u 。 ( 3 ) 远程监控终端通过监控中心发送命令。可以对嵌入式前端机采集的数据讲行 一 东北大学硕士学位论文第3 章需求分析和总体设计 远程实时查看，同时当发生报警时也可实时通过声音等方式进行提醒并强制用户先进行 警报处理。管理员同样可以通过数据管理单元向嵌入式前端机发送命令对警报进行处 理。 3 1 2 非功能性需求分析 此处分析的主要是与系统各模块整合相关的非功能性需求，这也是在进行设计实现 时需要考虑的重要因素。 ( 1 ) 可用性 作为一个要实际使用的软件，能不能给企业带来收益，主要是看软件的引入能否提 高工作效率，更高质量地完成企业的各项工作。同时软件的实现应按照用户的操作习惯 完成，提高软件的可用性。 本系统是为保证实验室设备的安全而设计的，所以避免了设备上的损失也会减少企 业不必要的损失，减少企业的成本。另外本系统在实现上充分考虑到软件使用的方便性， 并从操作的习惯上考虑进行设计，所以软件的方便性以及智能性也可以其可用性。 ( 2 ) 可靠性 实际使用过程中，企业用户对系统可靠性要求很高。因为实验室智能监控系统在运 行中要采集环境参数，并根据对数据的分析要执行处理，如果发生错误，可能对设备造 成严重损失所以为了保证系统的可靠性，本系统采取严格测试的方法，以保证软件长时 问正常稳定地运行。 3 2 系统总体设计 实验室智能监控系统包括数据的采集与分析，数据的存储，动态监控等，根据硬件 实现的功能不同，本系统总体架构分成三个层次，由低到高分别是：嵌入式前端机( 下 位采集层) 、监控中心( 中间分析层) ，远程监控终端( 上位用户层) 。 嵌入式前端机主要负责从实验室采集实时数据并经过处理后，上传送给监控中心。 监控中心。监控中心实时掌握各个被监控点的情况。管理员通过远程监控终端查看实验 室的环境状况。 3 2 1 系统的体系结构 实验室智能监控系统的体系结构如图3 2 所示。嵌入式前端机采用连接温度传感器， 湿度传感器，二氧化碳传感器，热释电红外传感器还有烟雾传感器等，这些传感器自动 东北大学硕士学位论文第3 章需求分析和总体设计 监测实验室内的温度、湿度、二氧化碳等气体浓度以及有无外物入侵。传感器通过a v r a t m e g a l 2 8 的i o 端口将实时数据采集到嵌入式前端机，前端机经过数据转换整理，将 各类数据结果通过射频、t c p i p 或u s b 等方式向上传送给监控中心。嵌入式前端机通 过控制传感器和应急处理设备对环境参数进行采集，并对环境发生的变化做出应急反 应，同时还要对监控中心发送的命令进行解析执行。由于其处理过程是多任务并行进行， 所以需要引入嵌入式实时操作系统来对任务进行管理以实现多任务的功能。 笔记本、 远程监控终端 监控中心 囱 p d k , 夕 臆膨晰 一7 。一一一一一一 一糟 鬻豢缝鬻鬻鬻黼 传感器 温 图3 2 实验室智能监控系统体系结构 f i g u r e3 2t h ea r c h i t e c t u r eo ft h el a b o r a t o r yi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m 监控中心是一台具有固定i p 的计算机，通过以太网卡连入i n t e r n e t 。监控中心通过 监控软件，实时掌握各个被监控点的情况，以进行数据统计和分析并对发生的情况做出 反应和处理。它可以非常直观地监控每一个实验室的环境状况。可以对嵌入式前端机传 回来的数据进行分析处理后实时存储并图形化显示实验室的温度值、湿度值、二氧化碳 浓度值等状态信息。可以向嵌入式前端机发送命令来控制各传感器的阀值与监控开关， 从而实现对嵌入式前端机的报警控制。可以进行数据匹配分析，时刻监视温湿度等状态 信息是否处于正常情况，在出现异常时发出警告。通过安装在实验室的烟雾传感器和热 释电红外传感器能监视机房有否烟雾报警，是否有外人闯入等。当监控中心发现异常时 可以以短信等形式给管理员发送通知，以便管理员能及时对紧急事件进行恰当处理。管 东北大学硕士学位论文 第3 章需求分析和总体设计 理员在收到报警通知后，也可以发送命令从而实现对嵌入式前端机的远程控制。 远程监控终端则以网站的形式将存储在数据库里的数据实时以图表等非常直观的 形式显示给管理员，同时管理员也可以在发现问题时通过网页对嵌入式前端机进行控制 以实现对紧急事件的应急处理。同时远程监控终端还要对人员进行管理，已实现对人员 进行分级。不同级别的人员拥有不同的权限。远程监控终端它们通过g s m 网络【4 2 1 、 p s t n 4 3 】、w i f i 及t c p i p 与监控中心相连。管理员通过任何一远程终端都可以登录监 控中心主机，操作监控软件，查看监控中心数据，查看实验室的环境状况。 3 2 2 嵌入式处理器的选择 在系统的硬件中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性能的好坏直接决定整 个系统的运行效果。由于应用各不相同，嵌入式处理器种类多，因此选择一款合适的处 理器并不是一件容易的事，在选择处理器时要考虑的主要因素有三方面： ( 1 ) 应用的类型 面向应用是嵌入式系统的特色，具体的应用需求决定着嵌入式处理器的类型选择， 不同的应用领域所需的处理器类型是不同的。当今嵌入式处理器发展的一个主要趋势是 面向不同行业应用的特点进行丌发，并且多采用s o c ( s y s t e m o nc h i p ) t 删技术。因此，根 据应用的类型选择合适的处理器不仅是必需的，而且也是可能的。 ( 2 ) 处理器的性能和技术指标 通过应用需求分析获取设计方案的功能性和非功能性指标后，分析研究市场上各大 厂商提供的各款嵌入式处理器的性能指标( o n 功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理 能力等) 以选择满足应用需求的嵌入式处理器。嵌入式处理器选择的基本原则是满足具 体功能性和非功能性指标需求的、市场应用反应良好的、硬件配置最少的嵌入式处理器。 ( 3 ) 其他因素 此外，还有一些其他因素的考虑，比如：处理器是否有较好的软件开发工具支持、 是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等。根据以上三点因素，系统选用的嵌入式 处理器是a v ra t m e g a l2 8 。 3 2 3 操作系统选型 简单的嵌入式产品开发不需要操作系统的支持，但对复杂应用就要实时操作系统 ( r t o s ) 4 5 】的支持了。使用r t o s 可以使复杂问题分而治之，减轻开发人员的劳动、提高 产品的可靠性、加快产品的上市时间。 东北大学硕士学位论文第3 章需求分析和总体设计 由于具体嵌入式应用的功能需求差异以及众多的r t o s 间不同的性能指标。因此， r t o s 的选择也有许多因素要考虑：首先是它们的性能评价指标；其次，要考虑是选用 商用的还是免费的；此外，还要考虑支持何种处理器硬件平台以及何种a p i ，是否支持 内存管理单元m m u 、可移植性、调试支持、标准支持等。如果丌发网络应用，还需要 考虑该r t o s 是否支持t c p i p 的网络组件和1 1 0 服务等。 综上所述，本文选用了u c o s i i 操作系统作为本设计中软件系统的r t o s 。u c o s i i 具有以下特点： ( 1 ) 更加面向硬件系统，而不是操作者。嵌入式系统处理器一般都是独立工作的， 没有人的直接参与，即使参与，也没有大量的文字信息输出。因此r t o s 着重面向的是 硬件，而不是具有完整的人机界面。一般情况下，r t o s 不是直接可用的，一般需要经 过针对专门平台的移植操作系统才能正常工作。 ( 2 ) 实时性。单片机系统的监测、控制、通信等工作都要求实时性，一旦出现有 关情况，c p u 能够及时响应，刻不容缓。为此，一个实用的r t o s 都应具有完善的中断 响应机制，保证中断响应潜伏时间足够短。 ( 3 ) 多任务。半导体技术的发展和应用复杂性的增长促使c p u 的处理能力越来越 高，在这样强大的处理器上运行应用程序，可以根据需要，将应用要求划分为数个任务， 这样有利于软件的开发和维护。因此单片机系统中采用的r t o s 必然是支持多任务的， 并能够根据各个任务的轻重缓急，合理地在它们之间分配c p u 和各种资源的占用时间。 ( 4 ) 不同的典型外设驱动支持。单片机的典型片内外设为定时器、a d ，p w m ， d a 、串行口、l c d l e d 接口等。根据不同的操作系统，在出厂时一般附带若干上面硬 件接口的驱动程序，而网卡等片外设备的驱动程序以及其它一些高级驱动函数，如兼容 d o s 的文件系统、t c p i p 协议等，则需要自己开发或者另行选购。以r t o s 为基础和 接口标准，可以设计出大量的库函数驱动模块，并根据实际需要选择或裁剪。 ( 5 ) 高可靠性。单片机系统一般都是和工业控制、交通工具、医用器械等机电系 统密切相关，不适当的输出甚至不及时的输出都可能会带来财产损失和安全问题。因此 嵌入式系统中的r t o s 要求高可靠性，发行之前必须经过严格的测试。 3 3 本章小结 本章先对实验室智能监控系统进行系统的需求分析，功能性需求分析从用户的角度 分析了系统为用户提供的功能，非功能性需求分析提出了系统对可用性和可靠性的要 求，在总体设计里介绍了系统的体系结构、嵌入式处理器的选择和操作系统选型。 东北 4 1 正确可行的硬件设计是整个实验室智能监控系统开发的基础和主要部分。一个好的 可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能目标，还应该为整个系统调 试和升级留下足够的冗余设计和自由度。另一方面，硬件设计的同时要考虑到与软件开 发相协调的问题，在保证软件设计j 下确和简明的同时，也必须考虑到该硬件基础上进行 软件开发的可行性和难度。 4 1 1 系统整体硬件结构 系统整体硬件结构如图4 1 所示。嵌入式前端机采用a v ra t m e g a l 2 8 作为主控制器， 连接d s l 8 8 2 0 温度传感器，h s l l 0 1 湿度传感器，t g s 4 1 6 1 二氧化碳传感器，p 2 2 8 8 热 释电红外传感器还有烟雾传感器等。监控中心是具有固定i p 的通用计算机。远程监控 终端包括手机、固定电话、p d a 、普通p c 机或移动p c 等。 棍八j l 远程p c 终端 。e 1 阴 、 一7 视、红、，氧 r f 喷淋、到迎八譬 ，一 i 强 i 肾h 嵌入式前端机 呻 监控巾心 一 、裔，7 洒、7 痖、温、 jl u、精度，八度， ( g s m 卜 ，厂、 手机终端 _ 、 图4 1 整体拓扑结构 f i g u r e4 1t h eo v e r a l lt o p o l o g y 4 1 2 前端机控制器硬件设计 根据系统功能分析提出的要求，嵌入式前端机以a v ra t m e g a l 2 8 为核心，通过传 感器检测环境数据，上传给监控中心，并将数据保存到f l a s h 中，同时将处理后的实验 室环境变量信息显示在l c d 液晶屏幕上，如有警告则亮起相应的l e d 指示灯。图4 2 是 嵌入式前端机的硬件结构框图。 东北大学硕士学位论文 第4 章系统详细设计 图4 2 嵌入式前端机的硬件结构框图 f i g u r e4 2t h ee m b e d d e df r o n te n dh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 实验室智能监控系统的硬件结构主要分为以下几个部分： 嵌入式前端机控模块：主要由a v r 处理器及其外围电路( 包括存储器连接电路、l c d 显示电路、串口扩展电路和电源电路等) 组成。 温度传感器模块：由单根总线的温度传感器d s l 8 8 2 0 直接与a v r 的端口相连。 湿度传感器模块：主要是将湿敏电容h s l l 0 1 置于t l c 5 5 5 振荡电路中。 酒精传感器模块：酒精传感器及其外围测试回路电路。 二氧化碳模块：二氧化碳传感器t g s 4 1 6 1 的与a d c 的连接。 ( 1 ) 系统存储器的分配 a t m e g a l 2 8 具有1 2 8 k 字节的在线编程f l a s h 。因为所有的a v r 指令为1 6 位或3 2 位， 故尔f l a s h 组织成6 4 k 1 6 的形式。考虑到软件安全性，f l a s h 程序存储器分为两个 区：引导程序区和应用程序区。 f l a s h 存储器至少可以擦写1 0 ，0 0 0 次。a t m e g a l 2 8 的程序计数器p c 为1 6 位，因此可 以寻址6 4 k 的程序存储器。 存储器映像 常数可以保存于整个程序存储器地址空间。程序存储器和数据存储器映像如图4 3 所示。 东北大学硕士学位论文 第4 章系统详细设计 m e m o r yc o n f i g u r a t i o n $ 0 0 0 0 d a t am e m o r y 3 2r e g i s t e r s$ 0 0 0 0 - $ o o i f a p p l i c a t i o n 6 4i or e g i s t e r ss 0 0 2 0 - $ 0 0 5 f f l a s h s e c t i o n 1 6 0 e x t i o r e g $ 0 0 6 0 $ o o f f $ 0 1 0 0 i n t e m a is r a m ( 4 0 9 6 x 8 ) $ 1 0 f f $ 1 1 0 0 一一_ 二二二 e x t e m a ls i 认m ( o 一6 4 k x 8 ) 一 ：一一一一一一一 b o o tf l a s hs e c t i o n $ f f f f 图4 3a v r 程序存储器映像和数据存储器映像 f i g u r e4 3a v rp r o g r a mm e m o r ya n dd a t am e m o r yi m a g e 在普通模式下，数据存储器f i n 4 3 5 2 个数据地址，从$ o o o o 到$ l1 0 0 ，包含寄存器文件， i o 存储器，扩展的i o 存储器以及内部数据s r a m 。起始的3 2 个地址为寄存器文件，然 后是6 4 个i o 存储器，接着是1 6 0 个扩展的i o 存储器，最后是4 0 9 6 字节的内部数据s r a m 。 a t m e g a l 2 8 还可以访问直銎j 6 4 k 的外部数据s r a m 。其起始紧跟在内部s r a m 之后。 在普通模式下，寄存器文件、i o 存储器、扩展的y o 存储器以及内部数据s r a m 占 据了低4 3 5 2 字节。 当访问s r a m 的地址超出内部s r a m 的地址时，m c u 将对外部s r a m 寻址 ( 指令相同) 。访问内部s r a m 时读写锁存信号( p g o 和p g l ) 无效。若要访问 外部s r a m ，必须置位m c u c r 的s r e 。 f l a s h 存储器设计 a t m e g a l 2 8 包含4 k 字节的e e p r o m 。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以 按字节读写。e e p r o m 的寿命至少为1 0 0 ，0 0 0 次( 擦除) 。e e p r o m 的访问由地址寄 存器，数据寄存器和控制寄存器决定。因为a t m e g a l 2 8 自身具有的e e p r o m 容量很小， 因此必须外接r o m 器件来存储掉电后仍需保存的代码和数据。 闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) ，具有非易失性，并且可轻易擦写。k 9 f 5 6 0 8 u o c 概述， 提供3 2 m x 8 b i t 或1 6 m x l 6 b i t 的存储空间，k 9 f 5 6 0 8 u 0 c 是2 5 6 mb i t 并带有多余的8 mb i t 的空间。它的n a n d 单元为固态大容量存储市场提供了性能价格比最高的解决方案。编 程操作可以在典型的2 0 0 m s 时间内在5 2 8 字节( 8 块设备) 或2 6 4 字( x1 6 块设备) 的页 上被执行，擦除操作可在典型的2 m s 时间内在1 6 k 字节( 8 块设备) 或8 k 字( x1 6 块设 东北大学硕士学位论文 第4 章系统详细设计 备) 块上被执行操作。页面中的数据可以在5 0 n s 的时钟周期内被按字节读出。i 0 7 1 脚 当作寻址、数据输入输出和命令输入的端口提供服务。片上的写控制使所有编程和擦除 功能，必要时包括脉冲循环、数据的内部核查和旁注都自动化。即使是写密集型系统也 可以充分利用k 9 f 5 6 0 8 u o c 的1 0 0 k 的编程擦除周期的延长的可靠性通过提供带有实时 定制算法的e c c ( 纠错码) 。k 9 f 5 6 0 8 u o c 对大型非易失性存储应用来说是一个最佳的 解决方案，如固态文件存储及其它需要非易失性的便携式应用。a t m e g a l 2 8 与 k 9 f 5 6 0 8 u o c 的连接电路图如图4 4 所示。 1 1 lf l a s h r b 甜lf l a s h _ r d 1 1 l f l a s h _ c 8 1 1 1 1 1 j l l 扣4 l 峭非唔a 随u o c r a s h d e 1 1 1 f l a s h 0 6i 1 1 f l a s h _ d 51 1 l f l a s h d 41 1 l 图4 4a t m e g a l 2 8 与k 9 f 5 6 0 8 u o c 连接图 f i g u r e4 4t h ec o n n e c t i o no fk 9 f 5 6 0 8 u o ca n da t m e g a12 8 ( 2 ) 人机交互接口设计 l c d 液晶显示设计 这里使用的s t 7 9 2 0 点矩阵l c d 控制驱动i c ，可以显示字母、数字符号、中文字型及 自定图形显示等。所有功能包含显示r a m ，字形产生器，以及液晶驱动电路和控制器都 包含在一个单晶片里面，使用a v r 的最小微处理系统，就可以操作l c d 控制驱动i c 。 s t 7 9 2 0 的字型r o m 包括8 1 9 2 个1 6 x1 6 点的中文字型以及1 2 6 个1 6 8 a 半宽的字母 符号字型，另外绘图显示画面提供一个6 4 x 2 5 6 点的绘图区域( g d r a m ) 及2 4 0 点的i c o n r a m ，可以和文字画面混合显示。a t m e g a l 2 8 与l c d l 2 8 x 6 4 s t 的连接电路如图4 5 所 示。 陵戮 一一一一 洲洲绷铋 认队敞执 f f f f瓣一一 薹 j | l l 1 1 1 l l l 1 1 l 主1 l | 1 l 1 1 l l l 。4 l l e dr s l c dr w l c 0e n l c do o l e dd 1 l c dd 2 l c dd 3 l c d 阻 l c dd 5 l c od 6 l c dd 7 r e s e t 图4 5l c d12 8 x 6 4 s t 的连接电路图 f i g u r e4 5l c d 12 8 x 6 4 一s tc i r c u i tc o n n e c t i o n l c d l 2 8 x 6 4 s t 的对比度调节和并行模式选择如图4 6 电路图所示。 v o c 图4 6l c d l 2 8 x 6 4 s t 的对比度调节和并行模式选择电路图 f i g u r e4 6l c d 12 8 x 6 4 - s tc o n t r a s ta d j u s t m e n ta n dp a r a l l e lm o d es e l e c t i o nc i r c u i t 3 x 3 矩阵键盘设计 键盘布局由9 个按键组成，在a t m e g a l 2 8 中正好可以用一个p b 2 p b 7 实现9 个按键功 能，这是最常用的形式，3 x 3 矩阵键盘的内部电路图4 7 所示。 1 1 1 理匕o 圻 l l 雠匕0 哪2 i l l 瞄匕o u n l lk e v _ i h i i t l 旺y j 旺 1 1 l 豫u 瞄 图4 73 3 矩阵键盘的内部电路 f i g u r e4 7t h ei n t e r n a lc i r c u i to f3x3m a t r i xk e y b o a r d 2 7 东北大学硕士学位论文第4 章系统详细设计 当无按键闭合时，p b 2 p b 4 与p b 5 p b 7 之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的 两条i o 口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置列线p b 5 p b 7 为输入 状态，从行线p b 2 p b 4 输出高电平，读入列线数据，若某一列线为高电平，则该列线上 有键闭合。第二步，置行线p b 2 p b 4 为输入状态，从列线p b 5 p b 7 输出高电平，读入行 线数据，若某一行线为高电平，则该行线上有键闭合。 l e d 灯设计 l e d 灯电路如图4 8 所示：l e d1 接p g 3 输入逻辑0 t i p 低电平时灯d 2 亮，输入逻辑1 即高电平时灯d 2 灭。l e d2 接p g 4 输入逻辑o f l p 低电平时灯d 4 亮，输入逻辑l 即高电平 时灯d 4 灭。 l e d l e d2 、，l 。i c 图4 8l e d 灯电路图 f i g u r e4 8l e dl i g h t sc i r c u i td i a g r a m ( 3 ) 预留端口设计 预留i o 端口设计 p b 0 、p d 0 、p d l 、p d 4 、p d 5 、p d 6 和p d 7 为预留的端口，它们既可以做为普通的i o 端口用，也可以作为其第二功能使用。功能越全使用越方便。就像上面有供调试的l e d 一样。预留的i o 端口如图4 9 所示。 v c c 5v c c 3 3 图4 9 预留的1 0 端口 f i g u r e4 9r s e r v e di op o r t p b 0 ：s s 从机选择输入。当工作于从机模式时，不论d d r b 0 设置如何，这个引脚 都将设置为输入。当工作于主机模式时，这个引脚的数据方向由d d r b 0 控制。设置为输 入后，上拉电阻由p o r t b 0 控制。 p d 0 ：t 2 为t c 2 的计数输入源。 p d l ：i n t l s d a ，i n t l 是外部中断源1 。p d l 可以作为m c u 的外部中断源。s d a ， 东北大学硕士学位论文第4 章系统详细设计 两线接口的数据引脚。当寄存器t w c r 的t w e n 置位时使能两线接口。引脚p d l 与端口 脱离开而成为两线接口的串行数据i o 引脚。此时，引脚配置一个尖峰滤波器以抑带l j s 0 n s 以下的尖峰信号，而引脚由具有斜率限制功能的开漏驱动器驱动。 p d 4 ：i c p l 一输入捕捉引脚l ，p d 4 可以作为t c 1 的输入捕捉引脚。 p d 5 ：x c k l 为u s a r t l 的外部时钟输入输出。 p d 6 ：t 1 为t c l 的计数输入源。 p d 7 ：t 2 为t c 2 的计数输入源。 预留a d c 端口设计 a d c 3 一a d c l ，端u i f ，b i t 3 0 是模数转换器通道3 0 。a t m e g a l 2 8 有一个l o 位的逐 次逼近型a d c 。a d c 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，能对来自端v 1 f 的8 路单端输 入电压进行采样。预留a d c 端口图4 1 0 所示。 图4 1 0 预留a d c 端口 f i g u r e4 10r e s e r v e da d cp o r t ( 4 ) i s p 设计 如图4 1 1 为a v r 的串行编程接口图，它使用了a v r 的s p i 功能引脚。 u l v c c 图4 1 1a v r 的i s p 接口 f i g u r e4 11a v r si s pi n t e r f a c e p i n l ：s c k ，与p b l 相连，s c k 是s p i 总线的的串行时钟，s p i 通道的主机时钟输出， 从机时钟输入。当工作于从机模式时，不论d d r b l 设置如何，这个引脚都将设置为输入。 当工作于主机模式时，这个引脚的数据方向由d d r b l 控制。设置为输入后，上拉电阻由 p o r t b l 控制。 p i n 5 ：r e s e t 复位输入引脚。超过最d , l 3 限时间的低电平将引起系统复位。低于 此时间的脉冲不能保证可靠复位。 东北大学硕士学位论文 第4 章系统详细设计 p i n 3 ：p d o t x d 0 一端h e ，b i t1 ，p d o ，s p i 争行编程的数据输出。在串行下载程 序时这个引脚用来输出数据。 p i n 9 ：p d i r x d 0 一端v i e ，b i t0 ，p d i ，s p i 串行编程的数据输入。在串行下载程序 时这个引脚用来输入数据。 ( 5 ) 复位电路 复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。如图4 1 2 所示是复位电路。 ( 6 ) 上位机通信接口设计 r s 2 3 2 电路图 图4 1 2 复位电路图 f i g u r e4 12 r e s e tc i r c u i t s 田 r e s e t 。瑚 p e l 是t x d 0u s a r t 0 的发送引脚，p e 0r x d 0u s a r t 0 的接收引脚。r s 2 3 2 电路如 图4 1 3 所示。 1 1 1w 峨t x 1 1 l u 冀l r x d 0 、一c c 3 3 0r r 5 2 3 2d r i v e r ”i k 1 2 l n r 1 0 u t r 苏m c 1 t 1 0 u t t 2 0 u t r 1 i n r 2 1 n c 2 c 1 c 2 翻芤w 疆鄹冒r c 露 两g f ：i 0 了c 历西阿 c _ 4 q dv c c v v c 0 n l u 眩承， v c c 髓 o 1 唰捌 8 p 必匝y c 1 1 1 n u 限爵- 0 1 n r v 图4 1 3r s 2 3 2 连接电路图 f i g u r e4 13r s 2 3 2c i r c u i tc o n n e c t i o l l u s b 2 r s 2 3 2 电路图如图4 1 4 所示。 u s b 2 r s 2 3 2 电路图 3 0 东北大学硕士学位论文 第4 章系统详细设计 u s b 2 r s 2 3 2 u 5 v i 毽b l ；lu u 觚a r 邙tr x 阴d 1 篱 三 t x d 抛c ，nv r x d 再7 季憾b d p 53 i l学匿 u 3 m ， 2 d t r d s r 监 暖墨 量雨 c l- j l 一 r c 2j 溘一 盥 葡丽 t e s t 越 c t ov c c i o 1 31 瑚0 颡、呦讹默盔 c 8 u 美u t ”一一q n c b u 3 l _ j上，上： j 生 c 8 u s 2 v c i o c b u 蕊焉一 i 从 c b u s 4 铡d 卫 蜊0 o s c i g n d 般 0 6 。oa c - , n d 图4 1 4u s b 2 r s 2 3 2 连接电路图 f i g u r e4 1 4u s b 2 r s 2 3 2c i r c u i tc o n n e c t i o n 4 1 3 传感器模块硬件设计 实验室智能监控系统集温度监测、湿度监测、二氧化碳浓度监测、酒精浓度监测、 红外报警等多功能于一体。本系统设计了温度监测、湿度监测、二氧化碳浓度监测、酒 精浓度监测、红外报警等模块，每个模块都由a v r 作为控制器构成，并通过a v r 连接温 度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、酒精传感器等。模块通过i o 端口与嵌 入式前端机相连，并最终受到嵌入式前端机的控制。 ( 1 ) 温度传感器模块 温度传感器的方框图如图4 1 5 所示。方框图表示d s l 8 2 0 的主要部件。d s l 8 2 0 有三 个主要的数据部件6 4 位激光l a s e r e d r o m 、度灵敏元件和非易失性温度告警触发器t h 和t l 器件从单线的通信线取得其电源在信号线为高电平的时间周期内把能量贮存在内 部的电容器中在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新 接上寄生电容电源为止。作为另一种可供选择的方法d s l 8 2 0 也可用外部5 v 电源供电。 与d s l 8 2 0 的通信由d q 经过一个单线接口与a v r 的一个i o 端口连接。 ( 2 ) 湿度传感器模块 h s l1 0 1 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度 的增大而增大。将电容的变化量准确