（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式平台的船舶水位自动监测系统研究.pdf

t h e d e v e l o p m e n t o fas h i pc a b i nw a t e rl e v e l m o n i t o r i n g 【l e v i c e based,mbeddedevicea s eo ne m d e e 【 p l a t f o r m at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t f o rt h em s d e g r e ei np h y s i c a le l e c t r o n i c s b y c h e n y u u p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h u a z h o n g n o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：l iz h i y a n g a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o rs i r l t u reslgnatur e a p p r o v e d m a y 2 0 1 1 吣22 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律结果由本人承担。 作者签名：件玄 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师 范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中师范大学可以用不同方式在不同媒 体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名： i 厍云 - 导嗍菇n 习 允许北京万方数据电子出版社出版的中国学位论文全文数据库将本人论文以电子、网 络、镜像及其他数字媒体形式公开出版。 储挠两云 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文 提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的规定享受相关权益。 园童途塞埕銮卮澄卮：旦坐生旦二生i 旦三生筮查! 作者签名：诗。幺 ， 日期历1 年 月多6 日 锄签名万唧 日期：扣年r 月厉日 摘要 船舶水位监测对保障船舶的安全航行，提高船舶进出船闸的安全及效率有重要 作用，利用现代科技手段实现船舶水位的自动监测是船舶运行自动化的一个重要方 面，本论文针对传统水位检测系统普遍采用单片机和模拟数据传输等方面存在的不 足，把嵌入式和c a n 总线等技术引入水位自动监测，进行了系统开发研究。 本论文采用c a n 总线和基于嵌入式平台的上、下位机设计了一套船舶水位自 动监测系统，其中上位机选用a r mc o d e x m 3 系列的微控制器s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 ， 下位机选用a r mc o d e x m 0 系列的微控制器l p c i l l c 4 ，设计并n i 完成了整个电 子硬件控制系统，并实现了c a n 、u s b 、串口和网络通信功能，以及j i n k 调试、 收音机和m p 3 播放等功能。论文同时编制了上、下位机控制软件，实现了图形界 面交互式管理。 本论文还提出了种基于二进制编码尺的新型水位方法，并采用一体式光电传 感器r p r 2 2 0 设计制作了高精度水位传感器，保证了水位自动检测中的精度和数字 化传输要求。 实验表明本论文设计研制的基于嵌入式平台的船舶水位自动监测系统具有抗干 扰能力强、功能丰富、扩展性强、使用方便等特点，基本满足了船舶水位自动监测 的需求。 关键字：嵌入式平台、c a n 总线；水位传感器 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t s h i pw a t e r - l e v e lm o n i t o r i n gi sv e r yi m p r o v et ot h es a f e t yo ft h es h i ps a i l i n ga n d e f f i c i e n c yo fs h i p l o c k b yu s i n gm o d e mt e c h n o l o g ym e t h o d st or e a l i z es h i p sw a t e rl e v e l a u t o m a t i cm o n i t o r i n gr e a l i z ei sa ni m p o r t a n ta s p e c to fs h i p p i n go p e r a t i o na u t o m a t i o n t h i st h e s i sa i m st ot r a d i t i o n a lw a t e rl e v e ld e t e c t i o n s y s t e mg e n e r a l l yu s e st h e m o n o l i t h i ca n ds i m u l a t i o nd a t at r a n s m i s s i o ne t cd e f i c i e n c y , t h ee m b e d d e da n dt h ec a n b u s t e c h n o l o g y a r eu s e di n t ot h ew a t e ra u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e m s ，a n d d o d e v e l o p m e n tr e s e a r c h t h i sp a p e rd e s i g n e das e to fs h i p p i n gw a t e rl e v e la u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m w h i c hi sb a s e do nc a nb u sa n de m b e d d e dp l a t f o r mu n d e rt h eu p p e ra n dl o w e rl e v e l c o m p u t e r w i t ht h ea r m c o r t e xo fj i x u a np cm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l l e r m 3s e r i e s u n d e rj i x u a ns t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 ，、) l ，i mt h ea r mc o r t e x - as e r i e so fm i c r oc o n t r o l l e r l p c111c 4m 0 d e s i g na n d c o m p l e t e dt h ee l e c t r o n i ch a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m ，a n d r e a l i z e dc a n ，u s b ，s e r i a lp o r t s ，a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n , a n dj i n k d e b u g g i n g ，r a d i oa n dm p 3 ，a n do t h e rf u n c t i o n s p a p e ra l s oc o m p i l e dt h eu p p e ra n dl o w e r l e v e lc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r e ，r e a l i z e dt h eg r a p h i c a li n t e r f a c ei n t e r a c t i v em a n a g e m e n t t h i sp a p e ra l s op u t sf o r w a r dam e t h o db a s e do l lb i n a r yc o d i n gf e e to fw a t e r , a n d a d o p t s n e wm e t h o dr p r 2 2 0o n e p i e c e p h o t o e l e c t r i c s e n s o rw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e dh i g h p r e c i s i o nw a t e r - l e v e ls e n s o r ，a n dg u a r a n t e et h e a c c u r a c ya n dt h e d e t e c t i o no fw a t e rl e v e la u t o m a t i cd i g i t a lt r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sp a p e rb a s e do ne m b e d d e dp l a t f o r md e s i g nt h es h i pl e v e l a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mh a ss t r o n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , f e a t u r e - r i c h ，e x t e n s i b l e ， u s ec o n v e n i e n tw a i tf o rac h a r a c t e r i s t i c ，b a s i c a l l ys a t i s f yt h ed e m a n do fa u t o m a t i c m o n i t o r i n gs h i pw a t e rl e v e l k e yw o r d ：e m b e d d e dp l a t f o r m , c a nb u s ；w a t e r - l e v e ls e n s o r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 目录 1 1 应用背景一1 1 2c a n 及a r m 技术及其发展现状1 1 2 1c a n 技术简介2 1 2 2a r m 技术及其发展5 1 3 传感器技术8 1 4 本文研究内容及论文章节安排”9 第二章总体方案和传感器设计 1 1 2 1 功能需求分析及其框图设计1 1 2 2 上位机c p u 的选择一1 3 2 2 1cort e x m 3 特点分析1 3 2 2 2s t m 3 2 简介”1 4 2 3 下位机控制器的选择1 5 2 4 水位传感器设计16 2 5 水位测量系统总线的选择1 9 第三章硬件控制系统电路设计 2 1 3 1 概述2 l 3 2 上位机设计【3 2 】2 1 3 2 1 供电电路及启动方式“2 3 3 2 2u s b 接口电路和c a n 接口电路2 4 3 2 3 显示及触摸接口模块2 6 3 2 4 时钟源电路”2 7 3 2 5r s - 2 3 2 接口、t t l 异步通信接口2 8 3 2 6 模数转换a d c 和数模转换d a c 电路2 9 3 2 71 0 m 以太网接口”2 9 3 2 8f m 收音机功能和音频放大电路模块3 0 3 2 9j i n k 调试接口部分及整个电路板的调试3 1 3 3 下位机设计3 3 第四章系统软件设计3 5 4 1 下位机软件设计3 5 4 1 1c a n 数据报文的传输”3 6 4 2 上位机软件设计。3 8 第五章总结与展望” 参考文献 致谢 4 0 4 1 4 3 第一章绪论 1 1 应用背景 水位测量在我们的生产实际中是一项非常重要的工作【l 】，设计一个安全可靠的 水位监控系统对整个国民经济和具有重大意义；水位信息作为库区汛情、保障船舶 的安全航行、指示河流的基本要素之一，是水情信息非常重要的组成部分，同样也 是洪水预报及防洪调度的重要依据，获取水位信息的水位监测工作也是船闸及大坝 安全监测的重要内容。水位的实时测量与自动控制在我们生活的各个领域中都有着 广泛的应用和举足轻重的作用，比如在船舶、水电水利、石油化工、自来水厂以及 环境监测等领域水位都是非常重要的技术参数。 船舶水位监测在船舶的安全航行方面起着重要作用，需要根据货物的重量、分 布以及有关水文情况进行水位调整【2 1 ，传统船舶储水仓的水位是由人工用目测来完 成，这种方式测得的水位精度差且观测结果也不及时，而且需要工作人员多次往返 现场工作过程非常繁琐，影响船舶进出船闸的安全及延长船舶的过闸时间。随着科 学技术的飞速进步水位测量的方法越来越先进，水位检测方法也在不断的发展变 化，精度也有了进一步的提高。特别是单片机技术和传感器技术的发展使得水位测 量方法得到了更进一步的发展。 采用计算机技术是水位测量系统的发展趋势，据调查了解目前船舶储水仓水位 测量普遍采用的是单片机技术和传感器进行水位测量；通过充分利用单片机的控制 功能以及内部硬件资源等功能【3 】大量的减少外围电路设计，而且稳定性、可靠性、 测试精度等技术参数都有了较大的提高，能方便的实现对整个采集过程以及控制过 程的自动化处理，实现水位的智能监控，比其他传统的测量方法在测量精度和成本 上都有很大的改善。但是最近几年a r m 技术发展突飞猛进，由于体系结构设计以及 器件技术上的一些特点，使得a r m 处理器可以与一些复杂得多的微处理器相抗衡， 特别是在需要很少能耗的嵌入式处理场合，更能突t 丑a r m 技术的突出优点。 1 2c a n 及a r m 技术及其发展现状 传统的水位测量系统通信部分大多是采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2 总线进行内 部数据传输。r s 2 3 2 c 接口规标准有很多不足之处：接口信号电平值较高易损坏接 口电路的芯片且与t 1 凡电平不兼容、传输速率低，在异步传输时，波特率为2 0 k b p s ， 共地传输模式容易产生共模干扰，抗噪性能弱、传输距离也只在2 5 m 左右。理论上 r s 4 8 5 、r s 4 2 2 总线的传输距离可以达到1 2 0 0 多米，数据传输速率最高也可达 1 0 m b p s ，它采用的差分接收形式的抗噪性能也很好。但是这三种总线同时存在一个 很大不足之处就是都存在主从设备之分即一个主设备( m a s t e r ) ，其余为从设备 ( s a l v e ) ，从设备之间不能通信，加大了系统的复杂性且使总线工作效率大大降低。 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 只能代表通讯的物理介质层和数据链路层，若想要实现数据的 双向访问，必须还得自己来编写通讯应用程序，但这种程序大多数都是不能符合 i s o o s i 规范的。所以这些类型的总线只能实现较单一的功能，适用于单一设备类 型，通讯速度较慢，且程序不具备通用性 4 1 ，在r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等设备联成的设备 网中，如果设备总数量超过2 台，就必须使用r s 4 8 5 做为通讯介质，r s 4 8 5 网的设 备之间若要想互通信息就只有通过m a s t e r ( 主) 设备中转才能实现，这个m a s t e r 设备通常是p c ，而这种设备网中只允许存在一个m a s t e r 设备，其余全部是s l a v e ( 从) 设备。且由于r s 4 8 5 通信本身的局限性，在实际应用中存在许多不足：总线 效率低、通信可靠性低、网络工程调试复杂、系统实时性差、单总线可挂接的节点 少应用不灵活等。r s 4 2 2 最大传输距离可达1 2 1 9 米，也可以实现全双工的工作方 式，但是它也存在主从设备之分，从设备之间不能进行通信，同样影响了通信的效 率与实时性。 而最新兴起的现场总线技术则是以i s o o s i 模型为基础的，具有完整的软件支 持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等复杂问题。现场总线不仅在数 据传输速率、抗干扰性能上有很大优势外，且现场总线设备自动成网，无主从设备 之分。由于采用现场总线将使控制系统结构变得简单，系统安装方便，费用减少且 易于维护，用户可以自由选择不同品牌、不同厂商的的现场设备以达到理想中的效 果。随着网络化及信息化的发展，越来越多的工业现场过程参数的传输控制都采用现 场总线技术，其中c a n 总线由于其优越的性能已被广泛地采用。 1 2 1c a n 技术简介 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，是i s 0 国际标准化的串行通信 协议，c a n 总线属于总线式串行通信网络，是一种多主方式的串行通讯总线。c a n 最初是出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出的i 川，当时，由于 消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这样的话，车上的电控单元也就不断增加， 这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时也就意味着需要有更多的连接信号 线。这样就促进了现场总线的发展，c a n 总线的出现，使所有的外围器件可以被挂 接在该总线上，降低了系统成本也使结构大大的简化。c a n 总线的最初动机就是为 了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。 2 c a n 控制器是根据两根线上的电位差来判断总线电平的。总线电平分为显性 ( 0 ) 电平和隐性( 1 ) 电平，两者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，由 此将消息发送给接收方，c a n 连接图如图1 1 所示。 c a n 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，由于c a n 总线采用了多种新技 术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，c a n 总线通信具有突出的可靠性、实 时性和灵活性，使人们乐于选择。c a n 的这些特性包括以下几点1 6 j ： 1 、消息的发送机制：在c a n 协议中，所有的消息都是以固定的格式发送。当 总线处于空闲状态时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。若两个以上 的单元同时开始发送消息时，则根据标识符( i d e n t i f i e r 以下称为i d ) 决定优先级。 这里所说的i d 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两 个以上的单元同时开始发送消息时，则对各消息i d 的每位逐个进行仲裁比较。仲裁 获胜( 被判定为优先级最高) 的单元可以继续发送消息，而仲裁失利的单元则立刻 停止发送而转而进行接收的工作。 2 、多主控制机制：在总线空闲时，所有的单元都可以开始发送消息( 即多主 控制) ；而最先访问总线的单元可获得发送权；在多个单元同时开始发送时，发 送 优先级高的消息单元可获得发送权。 3 、性价比高：c a n 总线在理论上可挂接的节点数非常多【_ 7 1 ，但实际上c a n 总 线所能挂接的节点数受总线驱动电路的影响，目前可达1 1 0 个。c a n 是到目前为止 为数不多的有国际标准的现场总线，总线协议已被国际标准化组织认证，技术成熟， 控制的芯片已经商品化，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。 4 、具有极高的总线利用率：c a n 总线采用非破坏性的总线仲裁技术，即载波 侦听多路访问冲突检n ( c s m a c d ) 的总线仲裁方式，当多个节点同时发送数据 时，优先级低的节点会主动停止发送，而高优先级的节点则可继续传输，节省了总 线仲裁时间。避免多个节点同时开始发送消息而造成的总线冲突，保证优先级高的 报文能够优先被发送。 5 、通信的实时性高：c a n 总线没有采取传统的地址编码，并不是对节点进行 地址规定，而是把通信数据块进行编码。这种方法可使网络内的节点数在理论上不 受限制，数据块的标识码可由1 l 位或2 9 位二进制数组成。这种按数据块编码的方式， 使用报文的标识符来指定报文的优先级以及报文内容，优先级高的节点享有优先传 送报文的权力。还可使不同的节点同时接收到相同的报文数据，这个特点在分布式 控制系统中有很重要的作用。c a n 总线采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 ，这样就使数据传输时间短，受干扰概率低，重新发送的时间短，从而保证了通 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 信的实时性。 6 、错误检测、错误通知以及错误恢复功能：所有的单元都可以检测错误( 即 错误检测功能) 。检测出错误的单元会立即并同时通知其他所有的单元( 即错误通 知功能) 。正在发送消息的单元一旦检测出错误，就会立即强制结束当前的发送任 务，强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止( 即错误 恢复功能) 。 7 、结构简单灵活性好：c a n 为多主工作方式，工作网络上任何一个节点均可 在任一时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，与总 线相连的单元没有类似于“地址 的信息，因此在总线上增加单元时，就不需要地 址节点等信息，利用这一特点我们可方便地构成多机备份系统。 8 、故障封闭：c a n 总线能够判断出错误的类型是持续的数据错误( 如单元驱 动器故障、内部故障、断线等) 还是总线上暂时的数据错误( 如外部噪声等) 。由 于具有此功能，当总线上发生持续数据错误时，可以将引起此故障的单元从总线上 隔离出去，以免对其他造成干扰。 9 、高速的数据传输速率：c a n 总线采用了多主竞争式总线结构，通信介质可 是双绞线、同轴电缆或光纤。c a n 总线上任意节点可以点对点，一对多及广播集中 方式传送数据和接收数据，而且可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息 而不分主次，所以可在各节点之间实现自由通信。c a n 通讯距离最大是l o 公里( 速 率为5 k b p s 下时) ，通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最远可达4 0 m ) 。c a n 系统内任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关。两个节点间的最大距离 如表1 1 所示。 基于以上优点所以本文拟采用c a n 总线来进行内部数据的传送。c a n 总线所传 输的是数字信号，在选择传感器的时候，那么我们就采用r p r 2 2 0 ( 光电对管探测器) 来采集水位信号，实现信号的数字化传输。 表1 1c a n 总线通信距离与通信速率 最大位速率最大总可靠传输总线路阻抗 线路横截面积 线长度线长度 l m b i f f s 4 0 m2 3 6 m 7 0 m q m 0 2 5 0 3 4 m m 2 5 0 0 k b i t s 1 0 0 m1 0 0 m 6 0 m q m 0 3 4 0 6 m m 2 10 0 k b i t s 5 0 0 m 5 0 0 m 4 0 m q m o 5 0 6 m m 2 2 0 k b i f f s 1 0 0 0 m 1 0 0 0 m 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 为八部分，每部分轮流涂白或涂黑；依次类推，第五列尺子被垂直均分为3 2 个部分， 每部分轮流涂白或涂黑。通过安装在浮子上的五个光电传感器可读出液位高度处编 码尺每列的颜色，如果在液面处某一列尺子的颜色为白，则用0 表示，反之如果尺 子为黑，则用1 表示。五个光电传感器的读数组成一个五位二进制数，其中最左边 的光电传感器的读数对应最高位，最右边的光电传感器的读数对应最低位。由此二 进制数可以确定液面的高度，例如，最高位的读数为l 则表示液位高度高于尺子总 高度的一半，次高位的读数如果也为l ，则表示液位高度高于尺子总高度的3 4 ，由 此类推，一个8 n - - 进制编码尺可保证水位测量精度达到尺子总高度的1 2 5 6 ，而一 个1 2 y u 的编码尺，则可使测量精度达到尺子高度的1 4 0 9 6 。 1 7 图2 5 水位传感器整体结构示恿图 上述水位传感器系统中的光电传感器我们选用r p r 2 2 0 ，它是一种一体化反射型 光电探测器，由一个砷化镓红外发光二极管和一个光电三极管组成，其电路结构如 图2 6 所示。红外发光二极管和光电三极管前有塑料透镜以提高灵敏度，同时减小体 积，保证测量精度。如图2 7 所示，当r p r 2 2 0 中砷化镓红外发光二极管发射的红外 光遇到白色尺子时，则反射回来的光很强，光电三极管受到光照射导通输出低电平； 若尺子为黑，则被反射回来的光很弱，光电三极管截止，输出高电平p u j 。由此五个 r p r 2 2 0 光电探测器就可读出五位二进制编码尺的读数，测量出液面的高度。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 篓革聍氍l ( 麓嗣 图2 6r p r 2 2 0 钡i j 试电路 图2 7r p r 2 2 0 3 _ 作原理 2 5 水位测量系统总线的选择 根据第一章c a n 总线与其他总线的比较，本论文决定采用c a n 总线来实现水位 的数字化传输。c a n 总线系统中，总线上的信息是以不同的固定报文格式发送的， 但长度受限，当总线空闲时任何所连接的单元都可以开始发送新的报文。在c a n 系 统中不需要改变任何节点的应用层及相关的软件或硬件，就可以在c a n 网络中直 接添加节点。任何数目的节点都可以接收报文，并同时对此报文做出反应，在c a n 网络内，可以确保报文同时被所有的节点接收或者不接收。c a n 总线的错误检测机 1 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 制也非常完善，错误检测的机制具有以下属性【3 l 】： 1 、检测到发送器所有的局部错误； 2 、检测到所有的全局错误； 3 、检测到一报文里长度低于1 5 ( 位) 的突发性错误； 4 、可以检测到一报文里多达5 个任意分布的错误； 5 、可以检测到报文里任一奇数个错误。 对于那些没有被检测到的错误报文，其残余的错误可能性概率也非常低，低于t 报文错误率 4 7 1 0 1 1 。 综合上述各节的讨论，本论文设计的船舶储水仓水位自动测量系统原理方框图 如图2 9 所示。 显示屏 s t m 3 2 控制 电路 t j a l 0 5 0 c a n 总线 t j a l 0 5 0 t j a l 0 5 0 ； l p c il c l 4l p c i1 c 1 4 控制电路控制电路 r p r 2 2 0 传r p r 2 2 0 传 感部分感部分 图2 9 船舶储水仓水位自动测量系统原理方框图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章硬件控制系统电路设计 本章详细讨论了船舶储水仓水位自动测量系统中各个电路模块的设计。 3 1 概述 硬件设计是项目设计中的一项非常重要的工作，其设计质量直接影响到后续的 开发和结果，因此在进行硬件设计时一般应在满足系统功能需求的前提下尽量参考 已有的成熟方案，这样可以在很大程度上降低开发的风险和难度，而且可以确保硬 件系统的稳定可靠，加快开发进度。本论文设计的船舶储水仓水位自动测量系统， 其硬件控制电路是在s t m 3 2 系列的s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 开发板的基础上进行的，总 结我们以往在a r m 硬件电路开发中的经验，在设计中应该考虑以下几个原则： 1 、采用新型并且合适我们所设计系统的a r m 控制器可以在很大程度上提高系 统的执行效率，缩短系统的反应时间，满足实时性等要求； 2 、采用贴片封装类型的元器件和低功耗器件，可以有效的减小p c b 面积，这 样可以降低功耗，提高电路本身的抗干扰能力，从而提高系统的可靠性与稳定性； 3 、所设计的硬件电路板在调试的过程中可能会遇到各种问题，为了调试时的 方便，可以在硬件电路板上设计一些l e d ，可以为我们后期的调试做准备； 4 、简化设计，硬件设计时尽可能的选用集成电路，少用分立元件，以提高系 统的集成度，减少元器件之间的干扰，这样可以大大提高系统的稳定性； 5 、模块化设计，硬件设计应根据需要划分为若干个子功能模块，尽量选用模 块化结构的典型电路，为硬件系统的标准化和模块化打下基础。 总之在进行硬件设计时，我们要充分考虑产品未来的设计改进以及需求的不断 发展，做到功能的完善和降低开发成本结合起来考虑，从而在投入最低成本的基础 上发挥出最大的性能。 3 2 上位机设计1 3 2 l 图3 1 是本论文设计的上位机原理方框图。它由微处理器模块、c a n 接口模块、 收音机模块、m p 3 模块、供电模块、j i n k 调试接1 2 1 模块等组成。其中电路板的核心 是微处理器模块芯片s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 ，图3 2 是s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 内部所包含的各个 功能模块，可以看出该芯片具有丰富的内部资源。 2 l 图3 1 总体框图 图3 2s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6 内部模块框图 3 2 1 供电电路及启动方式 a m s l l l 7 3 3 输入直流5 v ，输出3 3 v 的电压，为降低电磁干扰，c 2 、c 3 、 c 4 、c 1l 、c 1 2 为c p u p 4 9 ，p 7 4 ，p 9 9 ，p 2 7 ， 的模拟输入电源供电脚 提供b a n k 电源 p 1 0 ) 滤波。通过 ( v c c ：p 5 0 、p 7 5 、p 1 0 0 、p 2 8 、p 1 1g n d ： b e a d 将数字电压转化为模拟电压，c p u v d d a ( p 2 2 ) 通过2 2 u h 的电感与+ 3 3 v 电压连接，c p u 的 模拟地v s s a ( p 1 9 ) ) 及v r e f ( p 2 0 ) 通过1 0 欧电阻与g n d 连接。v r e f + ( p 2 1 ) 采用 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s v d d a ( p 2 2 ) 电源基准。a m s l11 7 - 2 5 输入+ 5 v ，输出2 5 v 电压，为m p 3 电路v s l 0 0 3 提供电压。图3 3 为s t m 3 2 供电电路： 图3 3 供电电路图 启动方式由b o o t l b o o t 0 ( p 3 7 ，p 9 4 ) 的两种状态控制，x 0 ：内部程序存 储区启动、0 1 ：系统存储区启动( 为异步通信i s p 编程方式) ，在此我们将b o o t l 始 终设置为0 ，而b o o t 0 为可变状态，在正常模式时将其置为0 ，在i s p 编程时将 其置为l 。用j p l 跳线进行设置，j p l 开路为i s p 模式，短路为正常运行模式。如图 3 4 所示 ： 10 03 v c 150 1 g n d p e1 l c d r s t p e o v s x r s t p 2 9 c a n t x p b 8 c a n r x b 0 0 t o p e 0 一v s x r s t 图3 1 4f m 接收机功能模块 图3 1 5 音频放大电路 3 2 9j i n k 调试接口部分及整个电路板的调试 此电路板使用j l i n ka r m 仿真器来调试，j - l i n ka r m 仿真器是s e g e r 公司 为支持仿真删内核芯片推出的j t a g 通用仿真器。j - l i n ka r m 仿真器可以配合 k e i l 、a d s 、w i n a r m 等多种集成开发环境，支持a r m 7 - c o r t e x _ m 3 核内核芯 片的仿真，通过r d i 接口和各种集成开发环境无缝连接，操作方面、连接方便，是 我们用来调试的不错选择。其特点如下【3 5 】： l 、u s b 接口供电，无需外接电源； 2 、带u s b 连接线和2 0 芯扁平电缆； 3 、u s b 接口符合u s b 2 0 规范； 4 、支持r d i 接口； 5 、j l i n k 支持对目标板5 v ，3 3 v 供电 6 、最高j t a g 速度1 2 m h z ，完全即插即用。 j i n k 调试接口原理图如下图3 1 6 所示： 磊潲 旧一一一一黼妣 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s c o n a 图3 1 6j 1 n k 调试接口原理图 完整电路板加工好后，用j l i n k 调试器进行调试。将j l i n k 仿真器的下载电缆 与板子上的j l i n k 接口相连，电缆另一端连p c 机u s b 接口，将j p 3 短路，用u s b 对 电路板进行供电。设置好j l i n k 参数后，使用k e i l 软件将写好的收音机程序下载到 电路板后，我们就可以看到如下图3 1 7 所示的收音机模块正常工作，将耳机插入耳 机插孔即可听到清晰的电台声音。在如图3 1 7 所示的电路板的显示屏上，我们可以 使用触屏进行调台和搜索。 图3 1 7 收音机模块正常运行图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 3 3 下位机设计 下位机只需负责水位信息的采集以及传输，如下图3 1 8 为核心电路的连接图， 可看到此c p u 自带一路c a n ，在外围电路我们只需添加一个c a n 收发器。 图3 1 8 下位机核心芯片图 c a n 收发器采用的是c t m 8 2 5 1 t ，如图3 1 9 所示。c t m 8 2 5 1 是一款带隔离的通 用c a n 收发器模块，该模块内部集成了所有必需的c a n 隔离及c a n 收、发器件，这 些都被集成在不到3 平方厘米的模块上。模块的主要功能是将c a n 控制器的逻辑电 平转换为c a n 总线的差分电平并且具有d c2 5 0 0 v 的隔离功能。该模块符合i s o 11 8 9 8 标准，因此，它可以和其他遵从i s ol1 8 9 8 标准的c a n 收发器产品互操作。其 特点课总结为以下几点： 1 、速率最高达1 m b i t s ； 2 、在2 4 v 系统中防止电池对地的短路； 3 、热保护，对电磁干扰有高的抗干扰性； 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 4 、至少可连接1 1 0 个节点； c a n 一砭x d 4 锄 c a nt x d3c a n 丑c z i 国c a n 甚 c 2 2 1 0 2 忍x v ii ic g n d l | | 2 g n dc k g l | 7c n lc v d d 5 引1 v c cc a n l w t 。 图3 1 9c a n 收发模块 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第四章系统软件设计 本章讨论上位机与下位机的软件设计。 4 1 下位机软件设计 下位机软件功能包括三个方面：第一，控制水位传感器进行水位探测；第二， 对传感器采集到的水位信息数据进行封装，以便于c a n 总线的传输。第三是与上 位机通信； 将采集水位信息的五个光电传感器的输出端分别接到下位机控制器的五个i o 口，这样水位信息就传送到了下位机控制器，然后由c a n 控制器对这八位数据信 息进行封装。对于c a n 总线网络中的通信，每次发送的报文数据信息可以为肌8 个字节，每字节包含八位。对所要传输的各个报文对象都要进行单独配置，每个报 文都配置有表示优先级的标识符( i d ) ，通过这个i d 上位机就可以根据优先级来 接收信息，避免多个节点同时开始放松消息而造成总线冲突。 ，j ! c a n 控制器中的寄存器可由外部c p u 通过a p b ( 外围总线) 总线来进行直接访 问。这些寄存器用来控制配置c a n 核和报文处理程序，以及访问报文r a m ，如 下图4 1 所示。 c n 了燔c a nr x o a p 8 舄撬 图4 1cc a n 方框图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 1 1c a n 数据报文的传输 首先要对报文对象与变量进行定义，c a n 的报文识别位有两种格式：标准格式 和扩展格式，标准格式地址范围由1 1 个识别位定义，扩展格式由2 9 个识别位定义。 报文传输是由以下四种帧类型所表示和控制的 3 6 - 数据帧：数据帧携带数据信息从发送器至接收器，数据帧由7 个不同的位场组 成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结尾；数据帧结 果如图4 2 所示，数据场的长度可以为0 。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧； 令过载帧：它用在先行和后续的数据帧( 或者远程帧) 之间提供一附加的时延； 错误帧：任何单元检测到一总线错误时就发出错误帧； 图4 2数据帧结构 c a n 通信主要负责上位机与各监控节点的联络，本论文中c a n 驱动的通信步 骤大致可分为：配置设备、报文结构与变量定义、调用c a n 端口配置函数、设置 c a n 控制器参数( 如波特率、滤波等) 、收发数据、查询状态。其数据采集和发送 的流程图如图4 3 所示。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s l 系统初始化( 堆栈，i o 设置，终端屏蔽，存储器初始化) 上 搜索r o m 子程序，读出各传感器数据信息 上 将传感器数据信息分组存储 上 发送位状态请求 i n 图4 3 数据采集和发送流程图 3 7 n 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 4 2 上位机软件设计 本论文采用两种数据处理的方案，第一种方案用p c 机做上位机，直接在p c 机上显示水位信息，第二种方案采用上一章讨论的嵌入式上位机，在嵌入式系统中 设计界面来显示水位信息。本节主要讨论第一种方案。 本论文在p c 机上采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 语言设计了数据接收与显示界 面，其中数据接收过程如图4 4 所示。 n 中断入口 l 从接收缓冲区读出数据 y - 释放接收 缓冲区，响 应远程帧， 发送相应 一数据 读取数据 释放缓冲区 上 t 清中断标志 上 中断返回 图4 4 数据接收 数据接收到后的显示界面如图4 5 所示，要看实时的水位信息只需单击刷新按 钮即显示当前时间的水位信息，若单击复位按钮则水位信息都复位到零状态。 3 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 图4 5 实时水位信息 5 琵莲蒸耄茇：蒸麓茏戮溺搦翳溺搦搦凌懋搦愿霪戮蒸蓊愿飘愿，：淘 船舱号水位信息 单位 船舷1 厂 翻 囡 船舱2 一 c r 船舱3 一 翻 i 船徘 卜 明 则 船舱5 筘一 明 船舱6 一 阴 。 船舱t 一 c h 、 船舱8 一 明 图4 6 复位水位信息 3 9 硕士学位论炙 m a s t e r st i i e s i s 第五章总结与展望 船舶水位监测对保障船舶的安全航行，提高船