（大气物理学与大气环境专业论文）基于双单片机的智能遥测微型气象站.pdf

南京信息工程大学硕士论文基于双单片机的智自b 遥测微型气象站 摘要 本文针对智能交通系统中气象信息系统的特殊性，提出并研究设计了一种 基于双单片机的智能遥测微型气象站，完成了系统的硬件和软件设计。该系统 以a t m e l 公司推出的a v r 单片机为核心，构建了包括压、温、湿等基本气象 要素的采集系统，并引入了超声波测距原理进行积雪深度的测量，进一步提高 自动气象站的集成度。系统还采用了无线传输、g p r s 通信等多种数据通讯与存 储方式，增强了网络互连功能，便于与其他装置一起共同构建智能交通系统。 同时针对目前用于智能交通系统中的气象要素采集卡的某些缺点加以改进，采 用模块化设计的思想，以通用采集卡的形式提供各种类型的传感器接口以及通 信接口，方便根据需求进行配置和扩展，提高了系统的灵活性，达到分布式测 量的效果。 第一章简要陈述了论文研究背景后，综合论述了本文研究工作的目的和意义 以及国内外研究现状，并对本文各章节内容作了概述。 第二章扼要介绍了嵌入式系统的定义、分类及其应用特性，并简单介绍了嵌 入式系统软硬件协同设计思想。 第三章给出了系统在构思定义阶段所作的主要内容。 第四章详细探讨了采集装置的实现方案分析与选择并给出了其硬件设计原 理图与软件设计流程图。 第五章详细探讨了接收终端的实现方案分析与选择，并给出了其硬件设计原 理图与软件设计流程图。 第六章对本文的主要研究工作进行了总结。 关键词：自动气象站，a v r 单片机，嵌入式系统，超声波，智能交通系统 南京信息工程大学硕士论文基于双单片机的智能遥测微型气象站 a b s t r a c t a i m i n ga tp a r f i c u l a r i t yo fw e a t h e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ( w i s ) i nt h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) t h i sp a p e ra d v a n c e da n dd e s i g n e da ni n t e l l i g e n tr e m o t e m e a s u r e m e n tm i c r oo b s e r v a t o r yb a s e do nd o u b l em i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u l a n d f i n i s h e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h i ss y s t e m i nt h i ss y s t e m w et a k et h e a v rm c uw h i c hi s p r o d u c e db ya m a e lc o r p o r a t i o na si t sc o r e c o n s t r u c t a c o l l e c t i o ns y s t e mi n c l u d i n gt h eb a s i cw e a t h e re l e m e n t ss u c ha sa i r p r e s s u r e 。 t e m p e r a t u r e h u m i d i t ye t c i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m si n t e g r a t i o nl e v e l w e a l s oa d dt h es n o wd e p t hm e t e r a g eb vt h et h e o r yo fu l 乜a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n t i na d d i t i o n w ea d o p tm u l t i r l l ed a t ac o m m u n i c a t i o na n ds t o r a g ew a y sl i k ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o na n dg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s lt oe n h a n c et h en e t w o r k i n t e r l i n k a g ef u n c t i o na n dm a k ei tm o r ec o n v e n i e n tt oc o n s t i t u t e 也ei t sw i 也o t h e r f a c i l i t i e s m e a n w h i l e i 1 1v i e wo fs o m ed i s a d v a n t a g e so fa c t u a lw e a t h e re l e m e n t s c o l l e c t i o nc a r d sw h i c ha r ea p p l i e di nt h ei t s w ei n t r o d u c e dt h er o o d a l eb a s e dd e s i g n i d e 扎p r o v i d e dm a n yk i n d so fi n t e r f a c ef o rt r a n s d u c e ra n dc o r r e s p o n d e n c ei 1 3 f o r n lo f u n i v e r s a lc o l l e c t i o nc a r d i nt h i sw a y , 也es y s t e mi sm o r ef l e x i b l ea n dd i s t r i b u t e dt o m e e tt h ec o m m a n di nr e s u l to fi t sc o n f i g u r a b l ec h a r a c t e ra n de x p a n s i b i l i t y i n c h a p t e r 1 ，b a s e do nt h eb r i e fs t a t e m e n to fr e s e a r c hb a c k g r o u n d a c o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na b o u tt h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hi s g i v e n t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fb o 也h o m ea n da b r o a da n dt h em a i nc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa l s od e s c r i b e d i nc h a p t e r2 ，t h ed e f i n i t i o n ，s o r t a p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds o f t w a r ea n d h a r d w a r ec o d e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mi si n 订o d u c e d i nc h a p t e r3 ，吐1 em a i nc o n t e n to f c o n c e p t i o na n dd e f t n i f i o np h a s ei sp r e s e n t e d i nc h a p t e r4 ，t l l er e a l i z a t i o ns c h e m ea n dc h o i c eo fc o l l e c t i o ne q u i p m e n ti s p a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d ，a n dt h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m a t i ca n ds o f t w a r ed e s i g nf l o w c h a r ta r ea l s og i v e nh e r e i n c h a p t e r5 ，t h e r e a l i z a t i o ns c h e m ea n dc h o i c eo fr e c e i v i n gt e r m i n a li s p a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d ，a n dt h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m a t i ca n ds o f t w a r ed e s i g nf l o w d l a r ta r ea l s og i v e n i nc h a p t e r6 ，t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o no f t h i s 口a 口e ri ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：a u t oo b s e r v a t o r y , a v rm c u ，e m b e d d e ds y s t e m ，u l t r a s o n i c ，i t s i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学耪神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：盘色量 日 期：生! ! ：皇。兰z 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：盘f 幺互 日 期：纽z 圭 甫京信息工程大学硕士论文基于双单片机的智能遥测微型气象站 1 1 背景 第一章前言 1 1 1 智能交通系统的定义与必然性 智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) 目前尚无公认的定义。这 一方面是因为，不同的研究者从不同的角度考虑，对智能交通系统的认识不同：另一方面， 智能交通系统本身正处于迅速发展时期，其内涵和外延都处于发展变化之中【1 ”。 但是，虽然关于i t s 概念的理解各有差异，而其共同点是主要的。可以归纳地认为： 智能交通系统是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术 以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系。从而建立起的一种在大范围内、 全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。其目的是使人、车、路密切地 配合、和谐地统一，极大地提高交通运输效率、保障交通安全、改善环境质量和提高能源 利用率。 简而言之，“智能交通系统”是交通运输领域内各种高科技系统的一个统称。凡是运用 高新技术手段组成的旨在改善交通运输状况，缓解“交通祸害”的各种技术系统，都可称 为智能交通系统。 智能交通系统的快速发展有其必然性，主要表现在： i 、交通因素 2 0 世纪6 0 7 0 年代世界经济高速发展汽车数量急剧增加，交通状况不断恶化。尤 其是近十几年来，无论是发达国家还是发展中国家，都不同程度地受交通问题的困扰，交 通拥挤、事故、环境污染已成为最难消除的现代社会公害之一。 为此，在摸索缓解交通困境的几十年中，随着近2 0 年来计算机技术、通信技术、信息 技术的飞速发展，将人、车、路综合起来，用系统的观点进行思考，并把先进的计算机、 通信、控制技术运用于运输系统的i t s 就很自然地诞生了。 2 、经济因素 智能交通以现代高新技术为基础，知识、技术密集，不仅可带来提高运营率、减少事 故率和减少能源消耗、降低大气污染的社会效益，而且可促进智能化交通电子设备的开发， 形成一个新型的交电产业，带来巨大的经济利益。因此，i t s 技术竞争实质上就是为了争 夺明天市场的经济竞争。 3 、技术因素 信息技术的迅速发展，必然要求开创新的应用市场，寻找新的增长点。智能交通正好 适应了这种需求。智能交通系统i t s 的主要目标就是比以往更广泛地将信息技术应用到公 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 路运输系统，以及利用最新的有用信息将驾驶者、车辆、道路设施集合成为一个广泛的综 合系统。 概括地说，发展i t s 的主要动力有如下几点： 1 、拥挤和事故造成的经济损失非常大，解决这些问题追在眉睫； 2 、由于土地资源和资金有限，单靠基础设施建设一个途径无法很好地解决交通问题， 必须考虑现有设施的最有效利用； 3 、通过减少交通拥挤和事故，提高生产效率，强化国际间的竞争力； 4 、培育未来的新产业。 1 1 2 气象信息与道路交通的关系 交通与气象是一种不对等的弱势与强势对手关系。气象对交通的影响是交通部门无法 阻止的，但是了解和掌握气象的规律却可以为交通更好的发展提供科学决策依据，交通气 象信息无疑是智能交通系统的重要组成部分。 在影响交通通行因素中气候条件是主要因素。雾、雪、暴雨、雷电、大风、潮水、冰 冻等恶劣气候常导致航班、高速公路、海运船舶被迫取消或者延后，给居民出行带来不便， 也间接影响了经济的发展【j j 。 不仅如此，自然气候条件也常常会影响到交通基础设施的使用寿命。尤其对于公路来 说，一条修建好的公路随着运营时间的延长需要不断小修、大修才能保持正常通行能力。 每年的养护成本占据全年养路费的大部分。公路损坏除了来自于人为的超载因素外，自然 气候的侵蚀也是不可忽视的”j 。 恶劣的气候条件还带来了大量的交通事故，给人民和国家的生命财产安全带来了很大 的损失。据英国统计，所有公路致伤事故中，由刹车引起的约占2 0 ，主要由于路面潮湿 而造成，其中一半事故发生在降雨时期。另据英国、美国、澳大利亚等国统计，雨天公路 事故增加约3 0 ，起因于能见度低，刹车失灵( 滑行) ，若同时有强风，事故率更高，损失 更大。1 9 9 4 1 9 9 7 年4 年中发生在我国河北省内的公路交通事故中，受天气影响造成的占 4 3 8 。其次，雾、冰、雪对公路交通的干扰也较严重，但一年中出现的日数相对较少。据 统计，下雪天公路事故率增加2 5 ，伤亡率增加近一倍。 目前在国外，气象与交通的合作已不仅仅是提供简单的气象出行信息，交通与气象已 经走向了一体化进程。通过加强对气候条件的预测，结合交通养护工作已经成为降低交通 建设成本、提高交通运输能力的一种流行的方法。其中应用比较广泛的是s w i s 系统。这 是公路使用状态和气象信息系统，是公路养护管理的辅助决策系统，可帮助公路养护部门 安全、有效地完成公路养护工作，包括养护人员的安排、机械的调度以及撤布材料的使用 等。通过建立s w i s 系统，确保各公路管理处准确了解管辖区域气象变化状况、公路使用 状态、路面温度、空气温度和湿度。依据监测数据、专业人员科学的预报和长期积累的经 2 南京信息工程大学硕士论文 基于取单片机的智能遥测微型气象站 验，养护部门可适当决策采用可行的养护措旖，从而缩短恶劣气候对交通的影响时间，达 到经济和安全的双重效益。 1 2 课题的目的和意义 本文主要针对目前用于智能交通系统中的气象要素采集卡的某些缺点加以改进，提出 了模块化设计的思想，以通用采集卡的形式提供各种类型的传感器接口以及相关通信接口， 方便根据需求进行配置和扩展，系统分气象要素采集装置与信息接收终端两部分进行设计， 之间通过无线传输当距离较远时，可以采用无线中继的形式，且两部分功能可以根据实 际情况进行重新分配组合，提高了系统的灵活性，达到分布式测量的效果。系统主要具备 如下几个特点：1 、便于安装调试，采用便携式一体化设计，预留多种气象传感器的接口， 方便系统维护与升级；2 、收集尽可能多而必备的气象要素，可以根据用户需求以模块化的 方式进行配置：3 、互连性强，系统提供了多种接口与外界通信；4 、集成度高，采用增强 型微控制器，内部资源丰富，属于s o c 级苍片；5 、费用低，由于离密度布网，一般需求 量较大，故价格也是一个熏要因素，也就是说要提高性价比；6 、结构简单，提供友好的人 机交互界面，便于理解和操作。 另一方面，气象作为一项服务性行业，正从传统的单一预报工作向着系统化、业务化 方向发展。而这一智能遥测微型气象站可以劈便地移植应用于一般用户( 可以是智能小区、 数字家庭，也可以是酒店、旅馆等服务场所等) ，这将为拓宽气象业务的发展做出一份贡献， 从而更好的推动气象事业的发展，并使其更好地为大众服务【5 】。 1 3 国内外研究现状 目前，自动气象站己被广泛应用于气象、环保、机场、工业、农业、林业、旅游业、 服务业、海洋、水文、军事、仓储、教育、科研等多个领域。顺应市场的需求，国内外在 自动气象站的研制方面也取得了非常迅猛的发展。 国内生产自动气象站的厂家主要有：天津气象仪器厂、长春气象仪器研究所、长春气 象仪器厂、上海气象仪器厂、江苏省无线电科学研究所有限公司等。这些厂家已先后研制 出了用于多个不同行业的自动气象站，总的说来，它们测量的气象要素一般都包括气压、 气温、湿度、风速、风向这些基本量，采用的方法一般是通过各气象传感器将被测气象要 素转换成电信号，再经电子处理电路( 通常是微处理器) 输出存储与显示。而目前随着高 速公路建设的迅速发展，公路迫切需要大量的高密度气象观测资料，一些气象仪器研究者 和生产厂家在自动气象站的基础上，根据高速公路气象观测的需要，提出并生产了适应于 高速公路的自动气象站，但仍然处于尝试阶段，大都是将其他应用场舍的模型稍加修改， 普遍存在对公路交通的针对性还不够强的问题。 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 目前，美国基于路面环境的地面气象观测网络正在发展之中，并在许多地区根据当地 的需要建立了地面环境自动观测网络。系统由多个遥感器组成，包括地表温度探测仪、雨 量计、能见度检测仪以及测量气温、湿度、风场等的探测仪器，可以测量大气、路面和水 面的相关信息。该观测网络采集的信息直接输入到公路天气信息系统( r w i s ) 中，经过处 理后分发给自动预警中心、交通管理部门、紧急处理中心以及公路维护单位。日本和北欧 等一些经济发达国家也相继建立了高速公路的气象监测系统。 而超声波测量雪深这一技术。目前国内暂无人使用，国外也很少见，只有芬兰等个别 国家将其使用在自动气象站上。 1 。4 论文各部分主要内容 事实上，智能遥测微型气象站是单片机与嵌入式系统在气象仪器方面的应用。因此， 论文首先介绍了单片机与嵌入式系统的关系以及嵌入式系统的定义、分类与应用，并简要 介绍了嵌入式系统的软硬件协同设计的思想，将其与传统的嵌入式系统设计方法进行比较， 阐明了它的优点。接着介绍了基于单片机的项目开发流程，为后面的内容做好铺垫。然后 以项目开发流程为线索，并将此微型气象站作为基于单片机的项目开发的实例，从采集装 置和接收终端两方面分别介绍系统的实现方案分析与选择、软硬件协同设计。实现方案分 析与选择主要讨论了同一实现目标的不同实现手段的方法与利弊，并给出本文最终选择的 方案，主要是关键元器件的选型与关键模块的确定；硬件设计阶段主要分模块地讨论了各 功能电路的实现原理与方法，并给出了相应的电路原理图；软件设计中主要给出了软件设 计思路与流程图及关键模块的软件代码。 4 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 第二章嵌入式系统概述 单片机自2 0 世纪7 0 年代发展以来已有非常悠久的历史，而在这后p c 时代，嵌入式 系统几乎无处不在，作为电子领域中很重要的一个部分，单片机与嵌入式系统有着广泛的 应用，他们将以其独特的方式改变着电子设计的理念与人们的生活习惯。 2 1 嵌入式系统的定义、应用与分类 2 ，1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相 结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新 的知识集成系统。 目前关于嵌入式系统的定义有很多，可以简单的定义为含有微处理器的系统即为嵌入 式系统。更普遍的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 2 1 2 嵌入式系统的应用 嵌入式计算机系统广泛地用于办公自动化、消费电子、通信、汽车、工业和军事领域， 典型应用包括： 1 、过程控制( p r o c e s sc o n t r 0 1 ) ：对生产过程中的各种动作流程进行控制。这种控制是 在对被控对象和环境进行不断检测的基础上做出及时的、恰当的反应。在控制过程中，处 理器扮演着中心的角色。它通过传感器从外部接收有关过程的信息，对这些信息进行加工 处理，然后对执行机构发出控制指令。 2 、网络通信( t e l e c o m m u n i c a t i o n ) ：程控交换机、路由器、手机、桥接器、集线器和 m o d e m 等是网络通信的必备设备。 3 、智能仪器( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ) ：如示波器、医疗仪器等。 4 、消费电子( c o n s u m e re l e c t r o n i c ) ：掌上电脑、数字电视、游戏机、洗衣机和微波炉 等属于家庭和办公所用消费电子产品。 5 、计算机外设( c o m p u t e rp e r i p h e r a l ) ：包括打印机、扫描仪、终端和磁盘驱动器等。 6 、军事电子( m i l i t a r ye l e c t r o n i c s ) ：如雷达、电子对抗、坦克、战机和战舰等。 7 、气象领域( m e t e o r o l o g yf i e l d ) ：如气象卫星、气象雷达、自动气象站、能见度仪等 各种气象探测仪器。 南京信息工程大学硕士论文基于双单片机的智能遥测微型气象站 2 1 3 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划 分。 2 1 3 1 嵌入式系统的软件 软件方面，主要可以依据操作系统的类型划分。目前嵌入式系统的软件主要有两大类： 实时系统和分时系统，其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统，如图2 - 1 所 示。实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。其最大的 特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个 确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽 然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要 添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实 现时限的管理p j 。 图2 - 1 嵌入式系统按软件分类 2 1 3 2 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。目 前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过i o o o 种，流行体系结构包括m c u 、 m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都开始大规模 生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也己经成了未来嵌入式领域的一大趋势，其 中从单片机、d s p 到f p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来 越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可以达到 2 0 0 0 m i p s ，封装从几个引脚到几百个引脚不等。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面 几类( 如图2 - 2 所示) ：嵌入式微控制器( m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d s p ) 、嵌入式微 处理器( m p u ) 、嵌入式片上系统( s o c ) 。 6 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 1 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp t o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了 特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 、频谱分析等各种仪 器上d s p 获得了大规模的应用。 d s p 的理论算法在2 0 世纪7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现， 所以这种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。m p u 较低的处理速度无法满足d s p 的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。 圈2 - 2 嵌入式系统按硬件分类 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运算速度 比m p u 快了几十倍，在语音台成和编码解码器中得到了广泛应用。至8 0 年代中期，随着 c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和 运算速度都得到了成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。 到8 0 年代后期，d s p 的运算速度迸一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信 和计算机方面。9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为广泛应用的是t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列等。 2 、嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处 理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌 入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样 就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处 理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 3 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 题之一，s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统 的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言， 实现一个复杂的系统。 用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制， 只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后 通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产，由于绝大部分系统构件都是在系统内部， 整个系统就特别简洁，体积小功耗低，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 4 、嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现到今天，虽然 已经经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛 的应用。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时器计数器、 看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要功能和外 设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗 和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设 资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 国内采用最广的单片机，最早由i n t e l 推出。2 0 世纪8 0 年代中期，i n t e l 公司将8 0 5 1 内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名的1 c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 制造厂商， 如p h i l i p s ，s i e m e n s ，a t m e l 等。这些公司在保持与8 0 5 1 单片机兼容的基础上，改善了8 0 5 1 许多特性，如提高速度、提高集成度、放宽电源电压的动态范围等。 2 2 嵌入式系统的软硬件协同设计 2 2 1 嵌入式系统开发的一般方法 在嵌入式系统的应用开发中，整个流程如图2 - 3 所示。 嵌入式系统的开发通常采用“宿主机目标机”方式。首先，利用宿主机上丰富的资源 及良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件。然后，通过串行口或网络将交叉编译 生成的目标代码传输并装载到目标机上，并用交叉调试器在监控程序或实时内核操作系统 的支持下进行实时分析和调度。最后，目标机在特定的环境下运行。 一般而言，对应于每一个处理器的硬件平台都是通用的、固定的、成熟的，这就减少 了在开发过程中硬件系统错误的引入机会；同时，因为嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件 的很多复杂信息，使得开发者通过操作系统提供的a p i 函数可以完成大部分工作，大大简 化了开发过程，提高了系统的稳定性。所以，嵌入式系统的开发可以说是把开发者从反复 进行硬件平台的设计过程中解放出来，从而可以把主要的精力放在编写特定的应用程序上。 这个过程更类似于在系统机( 如p c 机) 上的某个操作系统下开发应用程序。 8 南京信息工程大学硕士论文基于双单片机的智能遥测微型气象站 圈2 - 3 嵌入式系统的开发流程 2 2 2 嵌入式系统的软硬件协同设计技术 图2 - 4 嵌入式系统的硬件软件协同设计方法 从理论上讲，对每一个应用系统，都存在一个适合于该系统的硬件、软件功能的最佳 组合。在传统的嵌入式系统设计中，一般把硬件和软件分为两个独立的部分，由硬件工程 师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。这种设计方法只能改善硬件软件各自的性 能，而不可能对系统进行较好的性能综合优化，更为关键的是，一旦系统出现错误，就很 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 难定位；进彳亍修改时，往往会涉及整个软件结构或硬件配置的改动。为避免这种灾难性问 题的出现，一种新的开发方法硬件软件协同设计方法应运而生，其典型的设计过程如 图2 - l 所示。 硬件，软件协同设计过程可归纳为需求分析、软硬件协同设计、软硬件实现和软硬件协 同测试及验证4 个步骤，它使用统一的表示方式描述硬件和软件，硬件儆件划分可以选择 多种方案，直到满足要求。这种方法的特点是在协同设计、协同测试和协同验证过程中。 充分考虑软硬件的关系，并在设计的每个层次上加以钡试验证，使得能尽早发现和解决问 题，避免灾难性错误的出现。 1 0 南京信息工程大学硕士论文 基于取单片机的智能遥测微型气象站 3 1 构思阶段 第三章项目构思定义阶段 近年来，智能交通系统发展迅猛，而交通与气象是一种不对等的弱势与强势对手关系； 气象对交通的影响是交通部门无法阻止的，但是了解和掌握气象的规律却可以为交通更好 的发展提供科学决策依据，交通气象信息无疑是智能交通系统的重要组成部分。 虽然目前国内一些气象仪器研究者和生产厂家在自动气象站的基础上，根据高速公路 气象观测的需要，提出并生产了适应于高速公路的自动气象站，但仍然处于尝试阶段，大 都是将其他应用场合的模型稍加修改，普遍存在对公路交通的针对性还不够强的问题。因 此，若能针对目前用于智能交通系统中的气象要素采集卡的某些缺点加以改进，采用模块 化设计的思想，以通用采集卡的形式提供各种类型的传感器接口以及通信接口，方便根据 需求进行配置和扩展，提高系统的灵活性，达到分布式测量的效果。那么势必会有较为广 阔的应用前景。 概括说来，系统应主要具备如下几个特点：1 、便于安装调试，采用便携式一体化设计， 预留多种气象传感器的接口，方便系统维护与升级：2 、收集尽可能多而必备的气象要素， 可以根据用户需求以模块化的方式进行配置；3 、互连性强，系统提供了多种接口与外界通 信；4 、集成度高，采用增强型微控制器，内部资源丰富，属于s o c 级芯片：5 、费用低， 由于高密度布网，一般需求量较大，故价格也是一个重要因素，也就是说要提高性价比；6 、 结构简单，提供友好的人机交互界面，便于理解和操作。 同时可以考虑分成气象要素采集装置与信息接收终端两部分进行设计，分别负责气象 要素的采集和信息接收、处理、存储、转发等功能，之间通过无线传输，当距离较远时， 可以采用无线中继的形式，且两部分功能可以根据实际情况进行重新分配组合。 3 2 定义阶段 接着可以将构思阶段得出的需求进一步细化，修饰或定义在纸上列出的每一个构想。 在此还没有进行可行性分析。项目在本阶段的目标是开发系统的基本框图和一套完整项目 规格说明。 从扩展所列的构想开始： 1 、便于安装调试 无线传输，为满足升级需求，采用双向收发； 采集装置通常安装在露天，可以无需外部电源，用太阳能电池组供电； 太阳能电池要能满足一周左右的阴雨天气； 运输、安装、搬移简单，降低施工费用； 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥坝l 微型气象站 采用模块化设计，预留多种传感器接口，便于系统升级与维护： 接收终端预设友好的人机交互界面，需要时可以进行选配。 2 、收集尽可能多而必备的气象要素 温度； 风速i 风向； 降雨量； 大气压： 相对湿度； 雪深： 露点； 风寒。 3 、互连性强 终端提供多种接口与外界通信。 4 、集成度高 采用s o c 级增强型微控制器，内部资源丰富； 外围器件尽量采用集成块的形式； 通过软件扩展，充分利用硬件资源。 5 、费用低 尽量使用现有的且能满足性能需求的公用模块； 估计每个模块( 包括测量、传输、存储、网络、交互、智能模块等) 的花费； 根据用户需求，量身定制所需功能模块，保持总体开销尽量低，提高性价比。 6 、结构简单 保证功能实现的基础上，尽量选用常用器件，便于购买： 提供友好的人机交互界面，便于理解和操作。 这张扩展的列表提供了我们工作范围的思维蓝图。扩展这张表时，形成了需求，指出 了复杂度和花费情况。 3 2 1 电气规范 现在有了需求列表，可以扩展定义来建立一个性能规范。在这里要对对应于每个功能 或特性的参数赋值，指明性能和公差的范围。并不总是需要从零开始创建性能规范，在很 多情况下，通过已有的相似的或有竞争性的产品也可阻找到性能规范。表3 1 所示为此微 型气象站的初步功能规范。 3 2 2 操作说明 1 2 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 表3 - 1 各气象要素的精度指标( p r c c i f i o ni n d e x e s ) 要素测量范围 分辨力准确度单位 k e ye l e m e n m r a r l g eo f m e a s u r e m e n t d i s t i n g u i s h a b i l i t y u n i t 气温a i rt e m p c r a t u r s 5 0 5 001 0 2 o c 湿度r e l a t i v eh u m i d i t y o 1 0 01 3 州t o 。c 1 5 f t 蔓oo c ) 风向w i n dd i r e c t i o no 0 6 0 2 5 5 风速w i n dv e l o c i t y0 - - 9 0 01 r 03 + 0 0 3 v )m s 气压a i rp l c s s l l r c4 5 0 - - 1 0 6 00l03h p a 降雨量r a i n f a l l0 - - 9 9 99 0 1 0 3 ( 1 0 m m ) 3 f ) 1 0 m m ) 雷深s n o wd e p t h 0 一i 0 0 01 2 最好的方法就是画出草图，标明显示器会显示什么，以及写出一张表( 甚至是一本操 作手册) ，说明如何选择按钮来操作设备。在很多情况下，早点做这一步可以大大缩短软件 开发时间，因为有一张这样的表对心理有很好的影响。当表中的各项完成后，核对一下即 可。气象站的操作说明书如下。 i 、采集装置操作说明 保持装置正常，模数转换器和计时器计数正常； 测量温度； 测量湿度； 测量风速； 测量风向： 测量降雨量； 测量雪深； 测量大气压； 测量电池太阳能板电压； 将信息传送到接收终端，每隔一段时间一次( 根据测量时间和系统需求确定) ； 只允许在传送时才打开无线传输模块的电源，以节省能量。 2 、接收终端操作说明 电量监视： 校对时钟： 日历功能； 智能提醒； 当采集卡传来信息包时，收集信息包； 提供g p r s 接口； 1 3 南京信息工程大学硕士论文基于双单片机的智能遥测微型气象站 在需要的场合使用l c d 显示器，每屏显示尽可能多的必要信息； 提供控制调节按钮，允许用户进行一些参数设置； 仅当可以使用独立电源时允许液晶显示器使用背光，以节省能量： 低压指示灯，采集装置电压低时，l e d 闪烁，接收终端电压低时，l e d 长亮； 提供无线传输信号灯，用于指示采集装置传送信息。 控制面板示意图、按键控制显示界面以及l c d 正常显示的内容初步方案分别如图3 1 、 3 - 2 、3 - 3 所示。 图3 - 1 控制面板示意图 闸钟关仅一次 1 ，设定闹钟每天 用户设置工作目 2 ，调整时间时钟分钟按s e t 键完毕退出 3 ，调整日历年月日按s e t 链完毕退出 4 ，开启关闭智能提示功能 图3 - 2 按键控制显示界面 温度：x xo c风向：( s e ，s )风力：( 微、大、暴) 雨量：( 大、小、无)湿度：( 大，中)气压： 雪深： 露点： 风寒： y 日星期时) o ( ：麟分( a m p m ) 闹钟( 开关) 智能提醒显示模块 图3 - 3l c d 正常显示的内容 3 2 3 基本框图 用当前已有的数据需求表、扩展的定义、初始性能和操作说明我们就可以厩 出一些系统的基本框图。具体如图3 4 、3 5 、3 - 6 、3 - 7 所示。 数据采集r _ 1数据处理卜_ _ 叫 数据发送 图3 - 4 采集装置系统结构 1 4 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智自遥测微型气象站 数据接收r 叫数据处理r 叫 数据显示 【j l 一l j 图3 - 5 接收终端系统结构 这样的框图显示了在定义阶段可行性分析中所定义的细节。在框图中，通往微控制器 的输入以该输入的硬件功能命名。下一步将描述如何实现每个测量和要求有哪些数据要输 入到微处理器。在项目的这一阶段中，这样做很重要，因为专门输入( 如模拟输入或定时 器计数器输入) 的数字量要受到微控制器的限制。 以框图为指导，就可以选择适当的微控制器了，分析可知系统要有如下功能模块： 通用输入输出端口( o p i o ) ：一般四组共3 2 个，但由于端口复用，实际不到3 2 个， 使用中尽量不要扩展 定时器，计数器( w e ) ：2 组以上； 输入捕获器，输出比较器( i c p o c p ) ：各一个以上； 模拟比较器( a c ) ：1 个以上； 通用异步收发装置( u a r t ) ：最好两路； 外部中断端口( e x ) ：2 个以上 模数转换器( a d c ) ：4 个以上，位数尽量高； 图3 - 6 采集装置框图 南京信息工程大学硕士论文 基于双单片机的智能遥测微型气象站 另外就是些通用基本功能，如：支持i s p 功能，f l a s h 存储器，最好内置e e p r o m 存储空间耍足够( 包括r o m r a i v i e e p r o m f l a s h ) 。 图3 7 接收终端框匿 3 2 4 单片机的选型 根据以上要求，在原型开发中我们选择a t m e g a l 6 l ，它与m e g a 8 与m e g a 3 2 是完全兼 容的，只是内存容量不同，分别为1 6 k8 k ，3 2 k 。这使我们在设计阶段有更大的自由空间， 因为我们不能确切知道每个部件中需要多大的代码空间。在项目结束和某些部件变得很慢 时，如果代码可以存放在更小的存储空间或更廉价的组建中，那么这样的选择也是有用的。 a t m e g a l 6 l 的主要特性如下l s l ： 高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器 先进的r i s c 结构 一1 3 1 条指令一大多数指令执行时间为单个时钟周期