（控制科学与工程专业论文）基于嵌入式技术的人体舒适度指数测量系统开发.pdf

- l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 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：章阻 日期：2 。j7 年石月 f 。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：l o l l 年舌月ioe t 日期：矽f j 年月i oe l h u m a nc o m f o r ti n d e xm e a s u r e m e n ts y s t e md e v e l o p m e n t b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y l i uy a h ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y uz u o j u n a b s t r a c t h u m a nc o m f o r ti n d e xi sa ni n t e g r a t e dv a l u ew h i c hi n c l u d e st e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ya n dw i n dv e l o c i t ye t c i t i sa l s ot h ec o r n e r s t o n eo ft h ec u r r e n tc i t y m e t e o r o l o g i c a l s e r v i c e s t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h e c u r r e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hr e l a t e dt oh u m a nc o m f o r ta n dt h ed e v e l o p m e n t si n t r o d u c e db y t h ef a m o u sa m e r i c a nm e t e o r o l o g i s ts t e a d m a n sb i o l o g i c a lh u m a nb o d yh e a tb a l a n c e b a s e dm o d e lo fa p p a r e n tt e m p e r a t u r ea n dt h eb e i j i n gm e t e o r o l o g i c a lb u r e a u , i st h e c o m f o r tm o d e l i no r d e rt om a k et h ee n v i r o n m e n tab e t t e rm e t e o r o l o g i c a ls e r v i c e s ， d e v e l o p m e n to fas e to fa p p l i c a b i l i t y , s t a b l ea n dr e l i a b l e ，h i 曲s e n s i t i v i t y , l o wc o s t m o n i t o r i n gs y s t e mf o rh u m a nc o m f o r t i n d e xi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e do l lt e s t i n gt e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e m s r e s e a r c h , t h i sp a p e r d e v e l o p e da s e to fe m b e d d e dh u m a nc o m f o r ti n d e xc o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h ea r ma c c o r d i n gt ou s i n gs t r u c t u r e d ，m o d u l es c h e m e t h i ss y s t e mi s m a i n l yc o m p o s e do ft h ec o r ec o n t r o lm o d u l e ，s t o r a g em o d u l e ，s i g n a l a c q u i s i t i o n m o d u l e ，d e b u g g i n gd o w n l o a dm o d u l ea n dd i s p l a y & a l a r m m o d u l e t h es y s t e mf i r s tp r o p o s e do v e ra l ls y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dg a v et h e c o r r e s p o n d i n gd e s i g nd i a g r a ma n dt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h em a i nc o n t r o l l e r a n dt h es y s t e i i lo fs e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e s ；t h e ns e p a r a t e l ya n a l y z e dt e m p e r a t u r e s e n s o r , h u m i d i t ys e n s o ra n dw i n ds p e e d s e n s o ra n dg a v et h ep r i n c i p l e so ft h e c o r r e s p o n d i n gs i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t t h en e x ti s t ot r a n s p l a n te m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m f o rs 3 c 2 4 4 0 ，d e v e l o pt h r e ed e v i c e s d r i v e r sw h i c hi n c l u d e t e m p e r a t u r es e n s o r , h u m i d i t ys e n s o ra n dw i n ds p e e ds e n s o r , a n db u i l dap l a t f o r mo f e m b e d d e ds o f t w a r es y s t e m ，a n dc o m p l e t et h ek e yp r o c e s s i n g ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，d i s p l a y a n da l a r ma p p l i c a t i o nd e s i g ne r e b yt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m i na d d i t i o n , t h ee m b e d d e dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n tt o o l k i te m b e d d e d q ta r e i n t r o d u c e d ，a n das i m p l e ，i n t u i t i v e ，r e l i a b l eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei sd e s i g n e d ，t h e f u n c t i o n o fr e a l - t i m ed i s p l a ya n do f f - g a u g ew a r n i n ge t c a l er e a l i z e d f i n a l l y , t h e s y s t e mi st e s t e du n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h ee m b e d d e dh u m a nc o m f o r ti n d e xc o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n $ 3c 2 4 4 0i s g o o dp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , g o o dr e a lt i m ea n d i tc a l lb ef l e x i b l ec o n f i g u r a t i o no nd e m a n d ，p r o v i d eac o m p l e t es e to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r es o l u t i o n sf o rv a r i o u se m b e d d e da p p l i c a t i o n i ti sg o i n gt oh a v e ab r o a da p p l i c a t i o np r 0 s p e c ti na u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，i n d u s t r i a lf i e l da n di nm a n y o t h e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s k e y w o r d s ：h u m a nc o m f o r ti n d e x ，e m b e d d e d l i n u x ，m o n i t o r i n gs y s t e m , q t e m b e d d e d n l 目录 第1 章绪论_ 1 1 1 研究的背景和意义。1 1 2 国内外研究现状与发展2 1 3 嵌入式系统概述3 1 3 1 嵌入式系统组成3 1 3 2 嵌入式系统的本质与特点3 1 3 3 嵌入式技术在该系统中的应用4 1 4 本章小结一5 第2 章系统总体结构。6 2 1 系统设计要求：6 2 2 系统总体设计6 2 3 主控制器的实现方案7 2 4 系统功能模块7 2 5 本章小结8 第3 章硬件系统设计9 3 1 硬件总体设计。j 9 3 2 嵌入式处理器9 3 3 传感器电路及其信号采集1 2 3 3 1 温度信号采集1 2 3 3 2 湿度信号采集1 4 3 3 3 风速信号采集17 3 4 本章小结18 第4 章软件开发平台的搭建：1 9 4 1 软件开发环境概述1 9 4 2 宿主机环境搭建19 4 3 宿主机和目标机的连接2 0 4 4 交叉编译环境的建立2 0 4 5 嵌入式操作系统的移植2 1 5 3q t e m b e d d e d 图形用户界面4 0 5 3 1 用户界面g u i 介绍：4 0 5 3 2q t 及其安装j 4 0 5 3 3q t 应用程序的开发流程【5 0 1 4 2 5 4 人体舒适度指数程序设计4 5 5 5 报警程序设计4 5 5 6 本章小结4 6 第6 章系统实验与调试4 7 6 1 监测系统的搭建4 7 6 2 系统的功能测试：4 7 6 3 系统的误差分析4 8 6 4 本章小结4 8 总结与分析4 9 参考文献51 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 为做好环境气象服务的基础建设，在中国气象局的机构改革方案中，国务院对 环境气象工作提出了具体要求，并明确赋予了中国气象局具有发布城市环境气象预 报和相应的管理职能。而其中人体舒适度是建立城市环境气象服务系统的基石。它 不仅直接影响城市中各类人群的日常生活( 如跑步、上学、工作、出行旅游等) 1 - 7 】、 疾病和健康( 如感冒、气管炎、中暑等) ，也直接影响商业销售和生产企业的效益 和效率( 如交通流量和事故率、野外作业和施工的适宜度、商品的季节性等) s - l o 】。 人类机体对于外界气象环境的主观感觉与大气探测仪器获取的各种气象要素 结果是有一定差别的。人体舒适度指数是从气象角度出发，根据人类机体与大气环 境之间的热交换，来评价在不同气候条件下人的舒适感，从而制定的生物气象指标。 人体的消化器官、内分泌系统、体温调节、热平衡机能等人体的生理功能受到 多种气象要素的综合影响。例如温度、大气气压、光照、湿度、风速等。实验表明： 湿度在天气温度忽高忽冷的情况下会对人体影响很大，在温度适中时则影响不明 显。再就是风速大小也能使人类机体对环境的感觉受到一定影响【1 1 】。 研究表明，影响人体舒适程度的气象因素，有气温、湿度，和风向风速等。人体 对于受温度、湿度、风速等综合作用的生物气象指标的感受也是不相同的。人体舒适度 指数就是建立在气象要素预报的基础上，较好地反映多数人群的身体感受综合气象指标 或参数。人体舒适度指数预报，一般分为1 0 个等级对外发布。它们分别是：1 0 级，稍 冷；9 级，偏冷，舒适；8 级，凉爽，舒适；7 级，舒适；6 级，较舒适；5 级，较热；4 级，早晚舒适，中午闷热；3 级，中午炎热，夜间闷热；2 级，闷热，谨防中暑；1 级， 非常闷热，严防中暑。 综上所述，气温、相对湿度、风速三个气象要素对人体感觉影响最大，人体舒 适度指数就是根据这三项要素而建成的非线性方程。本文提出了一种基于实时操作系 统，采用嵌入式开发板，以及温度、湿度及风速三类传感器检测数据，构造基于嵌入式 技术的新型人体舒适度指数监测系统。该系统集成度高，实时性强，能更好的贴近城市 居民生活的环境气象服务，促进生活质量的提高。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状与发展 。国外关于舒适度的研究可以分成两个阶段。 前一阶段研究内容的主要特点多是对人体舒适度进行一定的理论说明。1 9 4 7 年， y a g t o u 和h o u g h t 两人提出了实感气温【1 2 】。2 0 世纪5 0 年代，b u r t o n 等人则总结出温 度的变化情况会影响湿度对人类机体感受环境的影响。另外，由t h o m 于1 9 5 9 年提出 并由b o s e n 进一步发展的不适指数( d i ) 【1 2 】应用比较广泛，不适指数( d i ) 为 1 9 1 = o 7 2 ( 乃+ l ) + 4 0 6 ，式中乏为气温，乙为湿度。后来美国国家气象局以不适指数 ( d i ) 作为对夏季舒适度及工作时数预报的温湿指数( t h e r m a lh u m i d i t yi n d e x ) 。根据上 面我们可以看出：当气温较高时，高湿会加剧人体对热的感觉：而当气温较低时，大风 常会使人倍感寒冷。直到1 9 6 6 年，特吉旺( t e r j u n g ) 才正式提出舒适度指数( c o m f o r t i n d e x ) 和风效指数( w i n de f f e ai n d e x ) 的概念。 后一阶段的研究特点主要是研究人类机体对冷热的具体感觉程度。这中间影响最大 的就是美国人s t e a d m a n 提出的感热温度理论【1 3 1 7 】。他将人体在环境中吸收热量和散失 热量包括进来，得出热量平衡方程：q = q + 。g + ( 1 - o ，) q u 。其中，q 表示人体内产 生热量，q v 表示呼吸作用失热。然后再经过一系列化解，可得到体感温度模型： a t = 一1 5 2 8 1 9 9 4 石一9 1 5 x 2 2 0 。3 9 x 3 1 6 5 6 x 4 式中x = l n 足( r 为衣服的显热传输 阻力) i s 】。该模型对包括皮肤、衣服和空气的传热阻力以及辐射要素在内这些影响体感 温度的多种要素都进行了充分考虑，从而扩大了该模型的使用范围。但该模型也存在局 限性，没有考虑区域性、年龄等之间的人群的差异，而这些有待于进一步研究。 直到2 0 世纪8 0 年代，国内对人体舒适度的研究还仅是一些定性的描述【1 9 1 。9 0 年 代开始才有一定的进展，并取得较快的发展。并且国内对舒适度指数计算模型的研究也 有一定规模的进展。钱妙芬、叶梅提出了“气候宜人度评价 模型【6 】，该模型从多个角 度考虑，来反映温湿度、风速以及气压等7 个气候要素以及大气污染物浓度对气候宜人 程度的影响。但该方法对于结果处理相对简单，所得结论性不够全面。冯定原、邸新法 分析了气象要素对区域划分结果的影响，讨论了体感温度变化对人体活动的影响程度， 第一次谈及到人体舒适度的实际应用情况【2 0 。2 1 1 。自1 9 9 7 年北京气象局开始发布有关人 体舒适度指数方面相关的预报【2 2 之3 1 ，采用的模型是所：1 8 t + 0 5 5 ( 1 一r h ) + 3 2 3 2 矿。 式中，t 、r h 、v 分别为温度、相对湿度以及风速。当今，我国已有很多大中城市进行 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 人体舒适度的日常预报工作。 当今，世界上最先进的热量测试人体舒适度模型是a d a m ( 高级热量人体模型) ， 一般用来检测飞机和车辆的各种短暂的环境变化。该模型可以模拟人在不同的环境下的 各种反应。而这套设备相对来说，主要是针对热量对人体舒适度的影响，并且体积大， 成本高。在此，我想利用嵌入式系统的特点( 软硬件可裁减、高度自动化、体积小成本 低等) ，结合检测技术，在嵌入式开发板上实现监测，将影响人体舒适度指数的三大要 素( 温度、相对湿度、风速) 进行实时显示。 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统组成 嵌入式系统通常由嵌入式操作系统、嵌入式处理器、应用软件以及外围设备等几大 部分组成【2 4 1 。 嵌入式操作系统实时性要求很高，在实际应用中，操作系统提供了大量的软件资源， 用于完成多任务的处理等功能，极大的提高了系统的工作效率。 当在设计汽车电子、军事设备、消费类商品等嵌入式产品时，对嵌入式操作系统的 选择至关重要。一般情况下，我们在选择嵌入式操作系统时会遵循下面的原则： 进入市场的时间，时间越长，技术相对来说会越成熟，竞争力会强。 操作系统的相关性，能够有良好的软件移植性。 要有充分的资源供客户使用。 具有优越的系统定制能力，一般源代码开发的操作系统更有优势。 低成本，高可靠性。 支持中文内核，更方便国内人士用于开发。 嵌入式处理器是处在特定系统中，能够将系统变得更小巧更准确。嵌入式系统的应 用软件就是在嵌入式硬件的基础上，依据特定环境需求，来完成预期任务的计算机软件。 应用软件的特点是实时性要求非常高；操作系统必须是实时的，且能支持多任务；要有 高质量的代码且保证其可靠性和快速性；要求固化在存储器中。外围设备主要分为存储 器、接口和人机交互三部分，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能。 1 3 2 嵌入式系统的本质与特点 从计算机系统分类的角度来讲，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 属于专用机系统 3 第1 章绪论 ( s p e c i a l - p u r p o s em a c h i n e ) 。在日常生活中，早已存在许多嵌入式系统的应用，比如天 天必用的手机，上空绕球的卫星，航天器以及汽车等，它们内部都有一个中央处理器 c p u 。从本质上可以理解，有处理器工作且不类似于p c 机的就是嵌入式系统。 、常用的单片机系统可以看成是低端嵌入式系统，一般是在简单的8 位机上运行程序； 而a r m + l i n u x 架构的嵌入式系统则是往往运行3 2 位的应用程序。两者的具体区别如下 图： 图卜l 单片机系统图1 - 2a r m + l i n u x f i 9 1 - 1s c ms y s t e mf i g l - 2a r mp l u sl i n u x 由于嵌入式系统是针对于特定环境，从事专业领域的应用系统，跟通用计算机系统 有所区别，具有特定的特点：面向特定应用，软硬件一体化；需要操作系统支持，代码 小，实时要求非常高；本身不具备自举开发能力；成本比较敏感；可靠性要求高；多样 性，应用广泛，种类繁多，专用性很强等【2 5 】。 嵌入式系统以应用为中心，强调体积和功能的可裁减性，是以完成控制、监视等功 能为目标的专用系统。在嵌入式系统中，系统执行任务的软硬件都嵌入在实际的设备环 境中，通过专门的i o 接口与外界交换信息。同时我们也看到，嵌入式系统应用面广， 没有很准确的定义。一般我们所说的嵌入式系统，都在某种程度上指的是近几年比较热 门，具有操作系统的嵌入式系统。 1 3 3 嵌入式技术在该系统中的应用 本文将现今应用广泛的嵌入式技术应用于人体舒适度指数测量系统开发，使得该系 统具有很好的监测能力，同时又具有实时性好、可靠性高、灵活可裁减、专用性强及功 耗低等特点。在高速铁路大风监测预警系统、移动式气象综合服务系统、智能家居监控 系统等都有广阔的应用前景。同时，对同类仪表设备的开发也具有一定的指导意义。 本课题基于嵌入式实时操作系统，采用飞凌公司的$ 3 c 2 4 4 0 i i i 开发板作为开发平 台，利用温度、湿度以及风速三类传感器检测数据，构造嵌入式的新型人体舒适度监测 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统。在硬件方面，嵌入式微处理器提供了丰富的外设接口，用户可以根据需要进行灵 活运用，并且芯片集成化程度高，系统越来越小巧且功能强。在软件方面，嵌入式操作 系统发展越来越成熟化，设备管理、多任务管理、中断管理等技术的不断升级使得系统 的响应速度、处理能力、稳定性不断增强，加之操作系统为用户提供的大量接口函数和 开发工具使得应用程序的开发变的更加轻松，人机交互变的更加方便【2 6 1 。嵌入式技术的 飞猛发展，软硬件技术的层出不穷，使得利用嵌入式技术开发的产品成本不断降低，开 发周期也不断地缩短。为此，嵌入式技术为人体舒适度指数测量系统的开发提供了良好 的开发平台。 1 4 本章小结 本章先介绍了国家对环境气象服务的重视程度，而人体舒适度是建立城市环境气 象服务系统的基石，继而给出了本课题的研究背景和意义所在。然后就人体舒适度 在国内外的研究情况做了简单说明，并对当前流行的嵌入式技术进行详细阐述，以 及嵌入式技术在本课题中的应用，它为人体舒适度指数测量系统的开发提供了良好的 开发平台。 5 第2 章系统总体结构 2 1 系统设计要求 第2 章系统总体结构 本系统作为人体舒适度指数测量的监测设备，要达到实时监测的目的，首先 要求系统能够有效地去除各种干扰，同时要控制好温度、湿度和风速传感器的转 换精度。系统在实时显示各项指标时，当环境中的真实值未达到或超过限定值时， 系统能够及时有效地进行报警处理。 2 2 系统总体设计 在查阅与课题相关文献的基础上，本着操作简便、稳定性好、有效利用现有 资源的原则，全面设计该嵌入式监测系统。整个监控系统主要由电源模块、信号 调理模块、微处理器控制模块、下载调试模块、显示与报警模块等部分组成。具 体如图2 1 所示。 人 体 所 处 环 境 温度传感器卜一卅调理电路 兰垦竺竺兰r 1 1 塑兰皇竺 图2 - 1 系统总体结构框图 f i 9 2 1b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m 在环境中采集到的温度值、湿度值和风速值经过各自的信号调理电路进行处 理后，进入到a r m 处理器，处理器再调用相应的应用程序对采集到的数据进行 处理，最后实时显示，并在各项指标超过限定值时做出声光报警处理。 作为嵌入式系统重要组成部分之一的软件设计，其开发对稳定性、可靠性、 抗干扰性等性能的要求往往比较严格和苛刻。它主要分成以下几个部分： 系统的初始化工作，实现系统启动代码。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对操作系统的移植工作，根据实际需求对内核进行一定裁减和配置。 实现系统的应用功能，实时处理数据并及时输出显示相关信息。 利用嵌入式图形开发工具实现图形用户界面。 2 3 主控制器的实现方案 主控制器是整个人体舒适度指数测量系统的关键部件，影响到整个系统的性 能。通常情况下，要从处理器的速度、内部寄存器的种类、字长以及微处理器的 外围电路和外部接口等多方面来选择主控制器。 当今比较常用的微处理器有c 5 1 系列单片机、p i c 系列单片机、d s p 处理器、 a r m 处理器等【2 7 1 。其中c 5 1 系列和p i c 系列单片机都是8 位的裸机，设计电路 和编程较简单，具有算术运算和逻辑运算功能，计算处理能力比较强；d s p 处理 器主要是针对信号的数字量进行有关数学运算，并且在电信、图像处理等方面应 用广泛，处理速度高；a r m 处理器是3 2 位机，使用精简指令集( 烈s c ) ，并且 使用至少3 级流水线，编译和调试工具也比较多，已经在制造工业、航空航天、 通信、军事装备以及消费类产品中都有广泛应用。 从本系统设计需求考虑，需要进行多路信号处理，并且从实际软硬件制造成 本及实时性要求来看，a r m 系列处理器比较合适。因此，我们采用飞凌公司生 产的o k 2 4 4 0 i i i 开发板，内部是三星3 2 位r i s c 处理器s 3 c 2 4 4 0 a ( a 蹦9 2 0 t 内核) 。$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器有6 0 个中断源，4 通道的d m a 控制器，a d 转换和 触摸屏接口以及具有脉冲带宽调制( p m w ) 功能的定时器等部件，能很好的满 足本课题设计需求。 2 4 系统功能模块 系统的各模块功能如下： ( 1 ) 微控制器：采用$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器，通过交叉网线与p c 机连接，然后挂 接n f s 网络文件系统，就很方便的将p c 机上的整个文件系统m o u n t 到目标板 上了。 ( 2 ) 传感器单元及相应调理电路：对所需信号进行检测并能有效地去除随机干 扰。 ( 3 ) 下载调试模块：开发板配有一块下载调试板，支持w i g g l e r 调试和j t a g 7 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 1 硬件总体设计 第3 章硬件系统设计 对于一个监控系统而言，硬件设计是系统开发的首要任务，也是整个系统的物理基 础。硬件设计的质量好坏和进度快慢会直接影响后面的开发工作。因此，针对系统功能 要求，同时考虑到系统的成本、精度、抗干扰等因素，根据系统所要完成的任务来综合 分析，优化硬件设计。 在硬件设计中，我们本着上面的原则，以s 3 c 2 4 4 0 a 、s d r a m 、f l a s h 为最小系 统，然后再在此基础上扩展相关的模块。硬件设计结构图如下所示。 。 3 2 嵌入式处理器 图3 - 1 系统硬件结构 f i g 3 - 1t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fs y s t e m 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 区别于通用计算机处理 器的地方是，嵌入式微处理器成本更低、体积越来越小型化、抗干扰能力增强、可靠性 9 第3 章硬件系统设计 高。目前主要的嵌入式处理器有m i p s 、a r m 、p o w e r p c 等。下面细致地介绍一下嵌入 式微处理器的特点： 低功耗有多种工作模式使得系统拥有很强的灵活性，降低功耗。 结构的可扩展性处理器内部都保留有很多扩展口，这样能够很方便扩展系统 应用。 调试功能的多样性丰富的调试对交叉编译调试开发非常方便。 强大的存储区保护功能软件结构模块化，易于软件诊断。 支持实时多任务 由于本课题所使用的开发板中使用的是a r m 处理器，因此在这里重点介绍一下 a r m 处理器。 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 公司把a r m 作为知识产权推向嵌 入式处理器市场，已占有8 0 左右的市场。a r m 体系结构在市场出现有多种形式，既 有处理器内核形式( 如a r m 9 t d m i ) ，又有处理器核形式( 如a r m 9 2 0 t ) 。其体系结构 图如下： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 e 瓦善i - o 】 图3 - 2a r m 体系结构图 f i g - 3 - 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f a r ms y s t e m a r m 处理器的三大特点：功耗小、成本低、功能强；1 6 3 2 位双指令集【2 8 3 0 1 ；数据 操作都是大量使用寄存器来完成；固定的指令长度；寻址方式简单明了，执行速度快； 全球众多合作伙伴保证供应。另外，a r m 体系还采用一些技术来提高芯片性能，降低 芯片成本。比如地址能够自动变化以此优化程序中的循环进程；所有指令能够进行预测， 会根据前面指令的执行结果决定后面的执行情况，提高效率；数据处理指令中会包括算 数逻辑处理和移位处理；用到b a d 和s t o r e 执行时能够对数据进行批量传输等。a r m 核以其高性能、低功耗、小体积、紧凑代码密度和多供应源等优点，已经成为移动通信、 多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准【3 1 碰】。 一一一一一一|；一一一嘲撒一一一一嘲一一陬钟一!|一 第3 章硬件系统设计 3 3 传感器电路及其信号采集 3 3 1 温度信号采集 在温度测量过程中，要获取高精度数值，需要解决很多技术问题，诸如放大电路的 零点漂移、多点测量切换误差、误差补偿等。再者，加上监控现场干扰信号多，环境比 较恶劣【3 3 1 。选用数字式温度传感器，可以确保测量精度，减小模拟温度信号受到干扰所 产生的误差。本课题中，选用比较适合于在恶劣环境中进行现场温度测量的数字温度传 感器d s l 8 8 2 0 c 3 4 】。该传感器具有更小的封装方式、体积小、精度高、更经济实用、在 1 s 内就可以把温度转换为数字、以9 位的形式向外读出温度值、更宽的电压适用范围、 可组网、采用一线总线通信、应用面广等优点，在实际应用系统中有一定的测量效果。 下面是d s l 8 8 2 0 的简单引脚连线以及其方框图。 1 0 。 图3 - 3d s l 8 8 2 0 的基本接线图 v i g a - 3t h eb a s i cw i r i n gc h a r to fd s l 8 8 2 0 d s l 8 8 2 0 引脚功能： v d d 电源电压d q 单数据总线g n d 电压地 检测信息经过单线接口送入d s l 8 8 2 0 或者从中送出，这一特点决定了d s l 8 8 2 0 只 需要连接一条线即可完成任务。另外，也不需要外部电源供电，读写和温度转换所需要 的电源均由数据线来提供。 下面是d s l8 8 2 0 温度传感器的结构方框图。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 。it ，tn 口- * - i 自 - r i ，r r 9 日咱口叫丁7 工巾。z 料 6 4 位r o m v d l i 温度传感器 l 和 高 ， 、 l 广v d 2 单总线接口 速 叫高温触发器 i l 一 jl l ) 缓 1 低温触发器 由讲蚕幸岔河0 。蛳1 “ i - 冲 配置寄存器 ) d 工 8 位c r c 发生器 图3 - 4d s l 8 8 2 0 方框图 f i 9 3 - 4t h eb l o c kd i a g r a mo fd s l 8 8 2 0 d s l 8 8 2 0 有三个主要的数据部件：( 1 ) 6 4 位激光r o m ( 2 ) 温度灵敏元件( 3 ) 非易失性 温度告警触发器t h 和t l 。器件从通信线获取电源，在信号为高电平的时间周期内，将 能量储存在内部电容器内，当信号转为低电平的时间周期内，断开电源，直到信号再变 成高电平时重新接上电容电源。 在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，d s l 8 8 2 0 的温度检测 与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰能力更强。它的一个工作周期可分 为两个部分，4 即温度检测和数据处理。下面来了解一下控制器对d s l 8 8 2 0 的操作流程 【3 5 】 o 首先控制器对d s l 8 8 2 0 芯片进行复位，然后在复位结束之后，等待一段时间接受 一个存在脉冲，就与d s l 8 8 2 0 进行通信。接着再发送一个r o m 指令，还要给存储器 发送操作指令，最后对温度传感器进行数据的读写和执行工作。总之，若要读出当前的 温度数据我们需要执行两次工作周期 3 6 】。 下面列出d s l 8 8 2 0 的r o m 指令集和存储器指令集。 1 3 第3 章硬件系统设计 表3 - 1d s l 8 8 2 0 的r o m 指令集 t a b l e 。3 1t h er o mi n s t r u c t i o no fd s l 8 8 2 0 指令约定功能说明 代码 r e a d r o m3 3 h 当总线上只存在一个d s l 8 8 2 0 的时候才可以使用此指令来读取6 4 位r o m m a t c hr o m5 5 h 指令后面紧跟着由控制器发出了6 4 位序列号，当总线上有多只d s l 8 8 2 0 时， 只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下 一次复位。 s k i p r o m 0 c c h在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。 s e a r c hr o mo f o h在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器 件的6 4 位r o m 。 a l a r ms e a r c h0 e c h在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对附合温度高于t h 或小于t l 报警条件的芯片做出反应。 表3 2d s1 8 8 2 0 的存储器指令集 t a b l e 3 - 2t h em e m o r yi n s t r u c t i o no fd s l 8 8 2 0 指令约定功能说明 代码 w r i t es c r a t c h p a d4 e h 写字节至暂存存储器地址2 和3 处( t h 和t l 温度触发器) r e a ds c r a t c h p a do b e h从暂存存储器读字节 c o p ys c r a t c h p a d 4 8 h 把暂存存储器复制到非易失性存储器( 仅地址2 和地址3 ) c o n v e i tt4 4 h 启动温度变换 r e c a l le e p r o m o b 8 h把贮存在非易失性存储器内的数值重新调入暂存存储器( 温度触发器) r e a dp o w e r0 8 4 h发d s l 8 8 2 0 电源方式的信号至主机 s u p p l y 3 3 2 湿度信号采集 由于检测湿度时，会受温度影响比较大，校正起来也很有困难37 1 。鉴于此，本课 题采用基于独特的电容式单元设计的变容式相对湿度传感器h s l l 0 1 。其特点是在标准 环境下不需校正，具有全互换性；专利的固态聚合物结构；长时间饱和下快速脱湿；快 速反应时间；高可靠性与长时间稳定性等等。 下面是湿度传感器的特征曲线。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图3 - 4 湿度一电容的特征曲线 f i g 3 - 4t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fh u m i d i t y - c a p a c i t a n c e 由此我们可以看出，相对湿度从o 一1 0 0 变化过程中，特征曲线接近于线性输出， 精度比较高，受温度影响小【38 1 。 h s l l 0 1 的特征参数 ( t a = 2 5 c ， 1 0 k - i z ，除非特别标定) 特征参数 符号 m i i l t y p m a x 单位 湿度测量范围 r h19 95 供电电压v s 51 0v 标称电容 c1 7 71 8 01 8 3 p f 5 5 砌- i 温度效应 t e e0 0 4 p f 平均灵敏度 c ，r h0 3 4 p f r h ( 3 3 7 5 r t r t ) 漏电流 i ) 【1n a 恢复时间 1 5 0 仃1 0s 小时结露 迟滞 + 1 5 长时间稳定性 0 5 l c r - i y r 反应时间 t a5s 曲线精度 + 2 i m ( 1 0 9 0 ) 第3 章硬件系统设计 叠度俺 图3 - 5h s l l 0 1 的工作范围 f i g 3 - st h eo p e r a t i n gr a n g eo fh s l l 0 1 由上图可以看出，相对湿度在- 4 0 c + 7 0 c 的温度范围内均处于稳定区，所以在一般 环境下，均能保证湿度传感器h s l l 0 1 的检测精度。 h u m i r e l 公司生产的湿度传感器h s l l 0 1 ，是基于独特工艺设计的电容元件，其 电容量会随着所测湿度的增大而增大的，所以在电路中相当子一个电容器件。在本课题 中，我们将湿度传感器置于5 5 5 振荡电路中，这样就可以将电容的变化转变为电压频率 信号，提高线路的灵敏度，增强稳定性，加大电路的抗干扰能力【3 9 1 。然后直接与目标 机相连进行数据的采集。下面是h s l1 0 1 的检测电路。 f 图3 - 6 湿度检测电路 f i g 3 - 6t h ec i r c u i to fh u m i d i t yd e t e c t i n g 此电路是5 5 5 非稳态电路，h s l l 0 1 作为电容变量接在5 5 5 振荡器的t r i g 与t h r e s 两引脚间，通过r 2 与r 4 充电到门限电压，然后再通过r 2 放电到触发电平，接着i 通过引脚7 短路到地。其中，r 1 作为非平衡电阻是为了引入温度效应，做内部温度补 1