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基于ARM的双平板导热系数测定仪的开发Development of a Double-guarded Hot Plate Thermal Conduction Coefficient Measuring Instrument Based on ARM中文摘要热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体，或者从一个物体中温度较高的部分传到温度较低的部分叫做导热。导热系数是物体固有的物性参数，表征物体导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材料的使用具有重要指导意义。测定导热系数的方法和仪器有多种。其中，广为采用的保护热板法基于傅立叶一维稳态导热原理测量材料的导热系数，即测量通过被测样品的热流和温度梯度求得其导热系数。该方法具有量程广、无需在测试前进行系统标定等优点。导热仪可以广泛用于耐热和保温材料的生产企业、相关质量检验部门和单位、高等院校和研究所等科研单位。本课题从导热仪的原理出发，提出了一种新型导热仪，该仪器的组成分为双平板装置和智能测控系统两部分组成。其创新点在于用ARM作为微处理器，其特点是通过嵌入式系统和友好的人机界面实现仪器的全自动控制、数据采集和处理以及导热系数的计算、显示和打印输出，具有测量时间短、数据准确、自动化程度高、体积小等优点，是现代化的智能仪器。本文的主要研究内容包括（再把自己的工作具体描述一下，这部分是核心。）：1.通过对导热仪的现状分析，总结了现有导热仪的特点和不足之处，提出了本课题的研究意义（此点不重要）；2.对导热仪的测量原理进行了分析，即傅立叶导热定律和双平板保护法的测量原理；3.根据对导热仪的理论分析和功能需求，选择了合理的芯片及元器件，设计并调试了稳定可靠的硬件电路，包括信号采集模拟电路、MCU数字电路，以及温度控制模拟电路。实现了仪器的小型化；4.设计并调试了系统软件，结合设计的电路对参比板导热系数进行测量，并根据实验结果对整机进行误差分析；5.工作总结，提出了一些改进建议，并对今后导热仪的发展进行了展望（此项只能算是附属）。关键词： 导热系数 ARM（写英文原文）微处理器 稳态导热 双平板保护法ABSTRACTThe heat conduction happens when there is a temperature difference between two neighbouring objects between two parts of one object. The coefficient of heat conduction is an inherent character of a kind of material, and it shows the heat conduction capability of an object. So, it is one of the most important thermophysiacl coefficients of the marterial. And it is useful for us to choose the right marterial.There are many different ways and instruments to measure the coefficient of heat conduction, and the guarded heat plate method is most widely used which is based on the Fourier one-dimensional steady-state heat conduction theory. The theory means that we can get the coefficient of heat conduction by measuring the heat flow through the sample or the temperature gradient in the sample. This method has a wide measuring range, and in principle, no calibration is required. here are some disadvantages of the current heat conduction coefficient measuring instrument, including low intelligentize level, simple function, not satisfying measure precision and so no. So the heat conduction coefficient measuring instrument useded ARM as its MCU is designed to solve the above problems.This instrument is made up of double flat set and intelligent control system. The innovative of the instrument is that its MCU is ARM, and its control syetem, datas collection and disposal system, result display and print are all full automatic by embedded system and friendly interface. It is a modern instrument with many adventages, such as short measure time, high precision datas, full automation and small volume. This instrument can be usefull in factories which products heat preservation material, related quality test departments, colleges, universities and research institutes. In this paper there are the current status analyse about heat conduction coefficient measuring instruments and the research meaning instruction. It also includes the measure principle and method, as well as the circuit and program design which make it smaller and easier operate. The last part of this paper is the development forecast of the instrument based on the test results and experience.(与中文不对应)KEY WORDS：Coefficient of heat conduction, ARM LPC2210, Steady-state heat conduction目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 国内外导热仪的现状11.3 本课题的研究意义和主要内容1第二章 双平板保护法导热系数测定仪的测量原理12.1 傅立叶导热定律12.2 一维稳态导热分析12.3 本课题基于的双平板保护法的测量原理1第三章 双平板保护法导热系数测定仪的总体设计13.1仪器总体设计13.1.1仪器结构13.1.2电控部分13.2 嵌入式系统简介13.2.1 嵌入式系统的定义和特征13.2.2 嵌入式系统的分类13.3 LPC2210简介13.4 LPC2210最小系统13.4.1电源电路13.4.2 系统时钟及复位电路13.4.3系统存储器电路13.4.4 JTAG接口电路13.5 键盘控制电路13.5 LCD显示电路13.6蜂鸣器及打印机电路13.7电机及风扇控制电路1第四章 测控模块设计14.1 温度及功率信号的测量14.1.1 模拟测量电路14.1.2 温度及功率信号的A/D转换电路14.2 温度的控制14.2.1温度控制电路模拟部分14.2.2温度控制信号D/A转换1第五章 实验与结果分析15.1 硬件电路的检测15.1.1 LPC2210及其控制电路的检测15.1.2 温度测量电路的检测和标定15.1.3 温度控制电路的检测15.2 整机实验与结果分析15.2.1程序流程15.2.2 实验结果与分析1第六章 总结与展望1参考文献1发表论文和科研情况说明1致 谢1- ii - 58 -天津大学硕士学位论文第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体，或者从一个物体中温度较高的部分传到温度较低的部分叫做导热1。导热系数是物体固有的物性参数，表征物体导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材料的使用具有重要指导意义。为了节约能源，很多工业领域、建筑领域都在研究、生产耐热保温材料。导热系数是用来衡量耐热材料的导热特性和保温性能的重要参数，耐热保温材料的性能由材料的导热系数决定。物质的导热系数取决于材料的成分、空隙度、吸水性、含水量、内部结构和热传导时的环境与温度等诸多因素。导热性能的精确测定对于环境工程、建筑工程、工业工程、科研、节能等都有重要意义。材料热物性的各种测试方法一般可分为两大类:稳态法和非稳态法2。稳态法:试样内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，借助测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试样的导热系数。非稳态法:试样内的温度分布是随着时间而变化的非稳态温度场，借助测量试样的温度变化速率，测定试样的热扩散系数a。目前世界上公认的热物性测试方法名称及分类3-6如图1-1所示。各种物质的导热系数，一般都是用不同的实验方法测定的。基于傅立叶导热定律描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料，这些方法包括：热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸腾换热法等等。动态(瞬时)方法，如热线法、激光闪射法，主要用于测量高导热系数材料或在高温条件下测量。此外，还有一些测量方法或测量技巧，包括热脉冲法、准稳态测量法、恒功率平面热源法等，应用于特殊场合或特定的测量对象。图1-1 热物性测试方法名称及分类1.2 国内外导热仪的现状1990年黎明化工研究院刘淑琴7等人研制的RTM-G5型稳态法平板导热仪能简易而准确地测试绝热材料和复合材料的导热系数。该导热仪属于模拟式仪表。1990年东南大学施明恒、薛宗荣8等人采用准稳态恒热流平板法实现了快速测定烟丝的各项热物性，并解决了测试中的一些技术问题。东南大学在导热仪研制方面做了大量工作，现在已经具有几种不同型式的导热仪，如：SE-准稳态法非金属材料热物性测定仪、SE-1准稳态法非金属材料热物性测定仪等。2005年，西北大学李东风9等人采用点热源比较瞬时法研制的流体导热系数测定仪。其核心MCU为单片机ATMEGA8，实现电子线路模块化设计，可用于测量电解质溶液、非电解质溶液以及粘稠状流体的导热系数的测定。在众多导热系数测试方法中，保护热板法以其温度范围宽、量程广、无需对测量单元进行标定等优点一直备受重视，所以迄今为止，已经有多家国内外企业和科研单位成功地研制了基于保护热板法的导热系数测定仪，比较有代表性的列举如下:德国耐施仪器制造有限公司10是全球顶尖级的热分析与热物性测试仪器专业生产企业之一。它向国际市场提供一系列质量一流的具有世界领先技术的热物性测试仪器。它推出了保护热板法导热仪456系列如表1-1所示。表1-1 耐施保护热板法导热仪456系列的技术数据GHP 456/1GHP456/2GHP456/3GHP456/4GHP456/5式样形状圆形方形式样最大尺寸（cm）直径2030354560厚度57.57.51015推荐试样厚度（cm）2.5557.510导热系数范围（W/mK）0.0142.00.0072.0温度范围（）-180650-30650255500200可重复性+/-1%误差+/-4%使用条件115V-50/60Hz-30A或者230V-50/60Hz-20A天津市建筑仪器试验机公司生产的DRF-1型导热系数测定仪，用于测量各种成型及复合型保温材料、不良导热材料的导热系数。其技术指标如下：导热系数测量范围：0.02-1W /(mK)；试件尺寸：300300mm；试件厚度：10-60mm；热面温度：小于60；冷面温度：大于-30；测试误差：小于4%；环境温度：5-40；冷面比冷却水温低：35；重复性误差：不大于1%。哈尔滨工业大学教学仪器分公司研制的热工教学实验系列TH-001型非、准稳态导热法测导热系数、常功率法测导温系数、热脉冲法测比热三种方法为一体。通过不同的组合，可以简便、迅速地测得导热系数、导温系数、比热等热物性参数。但是，就现有的平板式导热系数测量仪器而言，普遍存在如下问题:1.某些仪器仍属于模拟式仪表，或者只是用普通单片机作为核心MCU。2.多数仪器用冷却水浴来控制被测样品冷面温度容易使导热系数测量产生误差。3.时间太长，控制速度有待提高。4.人机对话界面粗糙，没有热工测量基础的人很难迅速掌握操作方法。1.3 本课题的研究意义和主要内容针对上述问题，本课题研制了一种以微处理器ARM为核心的新型双平板式导热系数测定仪。ARM是Advanced RISC Machines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的RISC（Reduced Instruction Set Computing精简指令集计算机）处理器、相关技术及软件11。ARM的特点是外形小、性能高、功耗非常低。本仪器所选用的ARM7是ARM通用32位微处理器之一。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和JTAG软件调试方式，支持mC/OS-和Linux等操作系统。广泛应用于多媒体和嵌入式设备。本课题研制的用ARM作为微处理器的导热系数测定仪是将控制、数据处理与显示单元嵌入到对象体系内部的现代化智能仪器。它没有水浴恒温设备，通过嵌入式mC/OS-实时操作系统和友好的人机界面实现仪器的全自动控制、数据采集和处理以及导热系数的计算、显示和打印输出，具有测量时间短、速度快、数据准确、自动化程度高、无噪音、体积小等优点。本仪器的测量对象是以隔热材料为主的导热系数较低的材料。本论文的主要内容包括该仪器的测量原理、仪器的机械结构、电路设计、程序设计、技术指标等，具体工作有以下几个方面：1第一章绪论，介绍基于保护热板法原理测量导热系数的仪器的现状，分析了目前平板式导热系数测定仪所存在的问题，提出了本课题的研究意义和本论文的主要内容。2. 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理，阐述了双平板保护法导热系数测定仪的测量原理傅立叶导热定律。3. 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计，阐述了导热仪的外形结构、组成和各部分功能。如何根据各个功能要求选用合适的芯片和元器件。并且详细论述了所采用的核心器件微处理器LPC2210的接口技术和硬件设计，包括最小系统、液晶屏接口、总线以及通用I/O口设计等。4. 第四章测控模块设计，主要论述了导热仪测控模块的设计，包括模拟与数字部分的温度采集和控制电路，说明了电路中各个器件的选型及作用，并推导了电压与温度之间的关系。5. 第五章实验与结果分析，本章详细论述了仪器各部分的硬件调试步骤与软件调试，并测量参比板的导热系数，对测量结果进行了分析讨论。6. 第六章总结与展望，该章对以上内容进行了总结，指出了工作的突出之处和有待改进的地方，并对今后的工作进行了展望。天津大学硕士学位论文第二章 双平板保护法导热系数测定仪的测量原理第二章 双平板保护法导热系数测定仪的测量原理热量从一个物体传到另一个物体，或者从物体的这一部分传到另一部分是由于存在着温度差，所以温度差是产生热量传递的动力。热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体，或者从一个物体中温度较高的部分传递到温度较低的部分叫做导热12。导热的机理有两种。第一种是分子间的相互作用，根据这一点，处在较高能级的分子把能量传递给邻近的处在较低能级的分子。这一类传热发生在有固体、液体或气体组成，且有温度梯度存在的系统中。第二种导热的机理借助于主要存在于纯金属固体中的自由电子实现。金属合金中自由电子的密度差别很大，而非金属的自由电子的密度则是很低的。固体的导热能力直接随着自由电子的密度而变化13。导热基本上是一种需要温度梯度作为推动力的分子现象。温度梯度、导热介质的性质和传热量这三者之间的关系式是傅立叶建立起来的，他于1822年首先提出了通常所说的傅立叶导热定律14。2.1 傅立叶导热定律导热仪的测量原理是建立在傅立叶导热原理基础之上的。傅立叶导热定律可以表述为:任意时刻t，各向同性的连续介质中任何地点的局部导热热流密度数值上与该点的温度梯度成正比，方向相反。其数学表达式为: （2-1）负号表示热量传递方向和温度梯度的正方向相反，即和温度降度同方向。比例系数l称为导热系数(或称热导率)，单位是W/(m.K)。导热系数的大小，表征着物质的导热能力，它是物质的一个重要热物性参数。可以认为导热系数的定义直接由傅立叶定律给出: （2-2）可见,导热系数l在数值上等于单位温度降度(即1K/m)下，单位时间内在垂直于热流密度的单位面积上所传导的热流量。各种物质的导热系数，一般都是用不同的实验方法测定的。这些实验方法大多是根据式(2-2)，即建立在测量通过被测样品的热流和温度梯度的基础之上的。2.2 一维稳态导热分析按照温度与导热过程的时间关系而言，导热可以分为稳态导热和非稳态两种。温度不是时间的函数的导热过程称为稳态导热，反之则是非稳态导热。温度是因变量，而且只有唯一的自变量x的导热问题称为一维导热问题15。平壁是工程上最常见的的一种实际物体，各种加热炉的炉壁都是平壁的具体实例。如果忽略沿壁长度和宽度方向的导热，则平壁内的导热就可以看作是一个一维导热问题。采用直角坐标，坐标原点设在平壁的一个边界面，坐标轴x垂直于平壁边界面。于是，平壁一维导热时，平壁各地点的温度将只是x的函数。无内热源的平壁一维稳态导热微分方程式为 （2-3） 该方程通解为 （2-4）由傅立叶导热定律表达式，x方向的热流密度为 （2-5） 可见，x方向温度分布是一条直线，平壁所处的具体边界条件决定积分常数C1和C2。所谓边界条件就是指物体边界上的换热特点。在导热物体边界上，可以是固体和固体接触，也可以是固体和流体接触。理论上边界条件可以有四种不同情况。第一类边界条件专指给出导热物体边界上（表面上）的温度的情况。在边界上，tw可以随地点而变，也可以随时间而变。这里只研究最简单的情况，即tw等于常数时的导热特点。当两个边界面都处于第一边界条件时，如图2-1所示，图2-1单侧大平壁导热反映平壁边界面热特点的数学式子为： （2-6） （2-7）其中的d为平壁的厚度。把式（2-6）和（2-7）代回式（2-4），得， （2-8） 于是，平壁的温度分布为， （2-9）或者， （2-10）平壁的热流密度表达式为， （W/m2） （2-11）平壁的温度分布已表示在图2-1中。显然，这是一条直线。式（2-9）中不包含导热系数，意味着在第一类边界条件情况下，平壁的温度分布与材料导热系数无关。热流密度表达式（2-11）不出现坐标x，意味着平壁q是个常数，在平壁内各个地点保持不变。改写式（2-11），有， （W/m2） （2-12）以及，根据热流量定义，应有， （W） （2-13）式中A是平壁的表面积或平壁的任一横断面积；通常把r/（m2/W）叫作平壁单位面积导热热阻，简称单位导热热阻；R/(A)（/W）叫作平壁导热热阻。2.3 本课题基于的双平板保护法的测量原理本课题采用双平板式结构测量材料的导热系数，测量对象是以隔热材料为主的低导热系数材料，基本依据是中华人民共和国国家标准GB/T10294-1988绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法，等效采用国际标准ISO/DIS 8302绝热一测定稳态热阻和有关特性防护热板装置。该结构的测量原理为是，在稳态条件下，防护热板装置的中心计量区域内，在具有平行表面的均匀板状试件中，建立类似于以两个平行均匀温度平板为界的无限大平板中存在的一维恒定热流16。为保证中心计量单元建立一维热流和准确测量热流密度，加热单元应分为在中心的计量单元和由隔缝分开的环绕计量单元的防护单元，并且需有足够的边缘绝热和(或)外防护套，特别是在远高于或低于室温下运行的装置，必须设置外防护套。本仪器是基于傅立叶定律，即公式（2-2），并且根据国标规定研制的。图2-2给出了双平板导热仪的导热原理示意图。图2-2 双平板结构导热原理示意图从双平板导热仪的结构可以看出，它由热板、护板和两个冷板三部分构成。图中箭头表示热流方向，由图可见，热的流动方向从热板流向冷板。护板使热板的边缘热流线不弯曲。如果护板温度与热板温度一致，则在热板边缘的热流线将发生很小的弯曲现象，这样，就把边缘效应17减小到很低程度。很显然，热板与护板的缝隙越小，两者温度越接近，则边缘效应影响越小。因此，这就将热传导理论简化了，可以用理论方程表示双平板导热仪的实际情况。热板的作用使得热板加热后，热能只能单方向传导，即由热板向冷板方向传导。由于有两个冷板，因此，热能向正反两个方向平行传输。当有试件在热板和冷板之间时，热能由热板通过试件向冷板方向传输。热板加热器产生的热量为： （2-14）式中，U 加在加热器两端的电压，I 通过加热器的电流。如果用R表示加热器的电阻，则加热器产生的热量为： （2-15）根据热传输理论分析，即公式（2-13），材料的导热系数与材料的厚度成正比，与加在热面到冷面的温度差和平板试件的面积成反比。 （2-16）将上式从冷面到热面进行积分，在理想条件下可以得到： （2-17）式中，H平板试件的厚度，t2 热板温度，t1 冷板温度，k 积分常数，A热板面积。根据方程（2-15）、（2-17），可以得到材料导热系数方程： (2-18)方程（2-18）就是导热系数方程，其中k是仪器常数。在双平板导热仪器中，常数k=1，同时，由于有两个相同试件和两个冷板，因此，方程（2-18）改写成 (2-19)方程（2-19）就是本课题研制的双平板导热仪的基本计算方程。 天津大学硕士学位论文第三章 双平板保护法导热系数测定仪的总体设计第三章 双平板保护法导热系数测定仪的总体设计本章将详细介绍导热仪的总体设计方案以及微处理器LPC2210的接口技术和硬件的模块化设计，其中包括芯片电源、外部适中、存储器等最小系统以及总线接口、液晶屏接口和通用I/O口的设置。3.1仪器总体设计本课题设计的双平板导热系数测定仪的总体要求如下：测量对象：是以隔热材料为主的导热系数较低的材料；测量温度范围：0120；被测对象尺寸：直径为F200mm圆形平板，标准厚度为20mm，最大尺寸不大于50mm；温度测量精度：0.01；温度控制精度：0.05；测量相对误差：3%；电源：220V交流供电；测量模式：全自动测量。该仪器总体上可以分为机械结构和电控两部分，下面分别介绍。3.1.1仪器结构仪器的结构示意图见图2-2。主要包括主加热板、护加热板、冷板，下面分别进行简要说明。主加热板：简称主板，又称主加热炉，圆型平板，直径为F100mm，内部有加热器，是仪器的基本供热体，用于给试件加热。在主加热板内部装有一个温度传感器，用来测量热板温度。护加热板：简称护板，环状平板，主板镶嵌于其内。外径为F200mm，内径为F104mm，内部有护板加热器。护加热板的温度随时跟踪主加热板温度变化，其功能是一方面使热板热量和外界没有热交换，同时又要保证护加热板没有热量传给主加热板。保证主加热板和冷板的热流单向流动。护加热板内部装有两个温度传感器，用来测量护板温度。冷板：圆形平板，其直径为F200mm，与护板外径相同。内部装置加热体，以便加热。内部装有温度传感器，用来测量冷板的温度。双平板导热仪需要同种试件两块，尺寸与护板相同，F200mm ，标准厚度为20mm，最大尺寸不大于50mm，分别放在主板和两个冷板之间，可以同时测量两块试件的导热系数，取其平均值作为该试件的导热系数。3.1.2电控部分从功能上讲，仪器的控制部分主要完成三个方面的工作：人机对话、实时测量各路温度信号并控制炉体温度、参数计算。这三个功能模块彼此结合、互相影响。例如，开机后，要由操作者设置冷热板温度、输入试件厚度；给热板和护板加热过程中要实时测量各个热板和护板的温度，并根据温度控制各加热膜的功率；判断达到设定的热平衡状态即稳态后，要进行参数计算，自动打印测量结果等。并且在测量过程中，一直实时显示温度、功率等参数值。测控系统的原理框图如图3-1所示。核心器件采用微处理器LPC2210，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7微控制器，有144个管脚，其中可以使用的通用I/O口最多可以高达112个，完全满足本导热仪的设计需求。温度测量由多个温度传感器完成。热板温度传感器、护板温度传感器、冷板温度传感器共计4个，其中热板上有一个、护板上有一个、两个冷板上各有一个。均选用WZP Pt100，即工业用隔爆铂电阻，它是一种温度传感器，在工业处控系统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号，传递给显示、记录和调节仪表，对系统实行检测、调节和控制。测温范围在-200+500，精度可以达到A级精度，即0.1，完全适合本课题研制的双平板导热仪。热板加热器、护板加热器以及冷板加热器分别采用订制的加热膜，材料为康铜，每一片加热膜的电阻值为20欧姆，额定功率180W，具有稳定性好的特点。采用ZLG7290 I2C接口键盘。I2C串行接口提供键盘中断信号，方便与ARM接口。ZLG7290提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制，并可以检测任一键的连击次数，由此可以实现用小键盘输入汉字的功能。选用带中文字库的串行控制液晶显示模块VLCM320240作为显示器件，该液晶显示模块具有320240的点阵分辨率和标准RS232串行通信控制，可方便地由ARM控制。. 图3-1 电原理方框图3.2 嵌入式系统简介3.2.1 嵌入式系统的定义和特征经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而这些变化还在加速。嵌入式系统有无数种类，例如，MP3、数码相机、打印机、汽车中的嵌入式系统等，而每一类都具有自己独特的个性。目前，对嵌入式系统的定义多种多样，下面给出两种比较合理的定义18：1. 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积以及功耗严格要求的专用计算机系统。2. 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以存放多个嵌入式系统。嵌入式系统具有几个重要特征19：1. 系统内核小；2. 专用性强；3. 系统精简；4. 高实时性OS；5. 嵌入式软件开发走向标准化；6. 嵌入式系统需要开发工具和环境。嵌入式系统不等于单片机系统，它与单片机系统的区别在于20：1. 嵌入式系统是以32位微处理器为核心的的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计。而单片机多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算和处理功能。2. 嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用硬件流水设计。3. 嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。3.2.2 嵌入式系统的分类嵌入式系统可以分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统四类21，下面将分别介绍。1. 嵌入式微处理器（Embedded MicroProcessor Unit,EMPU）嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅减小系统体积和功耗。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、成本低及可靠性高的优点，但是电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口以及各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线和外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。目前的嵌入式微处理器主要有：Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS和ARM系列等。2. 嵌入式微控制器（MicroController Unit，MCU）嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM和EEPROM等各种必要功能和外设。与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，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。3. 嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT及谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments 的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。4. 嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）随着EDI（Electronic Data Interchange，在大陆译为电子数据交换，有时也译为无纸贸易。香港译为电子资料联通。国际标准化组织将EDI定义为一种电子传输方法。）的推广和VLSI（Very Large Scale Integration超大规模集成电路）设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临，这就是SoC，各种通用微处理器内核将作为SoC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样，除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或者几块芯片中去，应用系统电路板将变得简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件等。专用SoC一般专用于某个或某些系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是PHILIPS的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可以加载JAVA或C语言的专用SoC，可用于公众互联网（如Internet）安全方面。3.3 LPC2210简介ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体厂商，其中包括PHILIPS。本课题所采用的LPC2210是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 由于LPC2210的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断使它们特别适用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、PDA等无线设备，也可以应用在工业控制和POS机等。通过配置总线，LPC2210最多可提供76个GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modern以及其它各种类型的应用。 其特性如下： 1. 16/32位144脚ARM7TDMI-S微控制器。2. 16K字节片内静态RAM。 3. 串行boot装载程序通过UART0来实现在系统下载和编程。 4. 通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16Mb数据宽度为8/16/32位。 5. EmbeddedICE-RT接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内RealMonitor软件调试时，中断服务程序可继续执行。 6. 嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 7. 8路10位A/D转换器转换时间低至2.44ms。 8. 2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗。 9. 多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口（400 kbit/s）和2个SPI接口。 10.向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 11.多达76个通用I/O口（可承受5V电压），12个独立外部中断引脚（EIN和CAP功能）。 12.通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。 13.片内晶振频率范围：130MHz。 14.2个低功耗模式：空闲和掉电。15.通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。16.可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。 17.双电源：CPU操作电压范围1.651.95 V(1.8 V 8.3%)。 I/O操作电压范围3.03.6 V(3.3 V 10%)。 LPC2210包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB，ARM AMBA总线的兼容超集）。LPC2210将ARM7TDMI-S配置为小端（little-endian）字节顺序。AHB外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节ARM存储器空间的最顶端。每个AHB外设都分配了16k字节的地址空间。LPC2210的外设功能（中断控制器除外）都连接到VPB总线。AHB到VPB的桥将VPB总线与AHB总线相连。VPB外设也分配了2M字节的地址范围，从3.5GB地址点开始。每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16k字节地址空间。 片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。3.4 LPC2210最小系统一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电，加上时钟信号，并提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入式处理器芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。而大多数基于ARM7处理器核的微控制器都有调试接口，这部分在芯片的实际工作中是不必要的，但这部分在开发时很重要，所以也归为最小系统。对于LPC2210芯片，由于其片内无程序存储器，所以需要外扩Flash，还要扩展静态RAM。所以该导热仪系统需要四组电源、复位电路、晶振电路、程序存储器和片外RAM，以及JTAG调试接口。由于无需再使用ISP功能，所以在P0.14脚接一个上拉电阻，以禁止ISP功能。3.4.1电源电路目前的LPC2000系列ARM7微控制器均要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V，并且在理想条件下，每组电源都需要将模拟电源和数字电源分开，所以系统设计了四组独立的电源，它们需要单点接地或大面积接地。系统的其它部分还需要一个+12V电源为风扇供电，-12V电源为OP07供电，以及一个+5V电源为液晶屏等供电。所以电源的前级设计选用12V直流稳压电源。通过电源插槽将12V直流稳压电源引到电路板上。+12V后接二极管D1防止电源反接，经过C1和C4滤波，然后通过LM7805将电源稳压至5V，如图3-2所示。再使用LDO芯片（低压差电源芯片）稳压输出3.3V及1.8V电压。图3-2 5V电源电路LDO芯片采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。并且为了降低噪声将数字电源和模拟电源分开。系统电源电路如图3-3所示。图3-3 系统电源电路SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在1%以内，还具有电流限制和热保护功能，广泛应用在手持式仪表、数字家电和工业控制等领域。使用时，其输出端需要一个至少10mF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。3.4.2 系统时钟及复位电路LPC2000系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。倘若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率分为是130MHz，外部时钟频率范围是150MHz。本设计不采用以上两个功能，适用了外部11.0592MHz晶振，电路如图3-4所示，用1M电阻并接到晶振的两端，使系统更容易起振。用11.0592MHz晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能够支持LPC2000系列ARM7微控制器芯片内部的PLL功能和ISP功能，方便改进系统。图3-4 系统时钟电路本导热仪的复位设计选择在关机时自动复位，LPC2210的REST外部复位输入管脚在低电平时，器件复位，I/O口和外围功能进入默认状态，处理器从地址0开始执行程序。如图3-5所示，nRST连接着LPC2210的REST引脚，开机供电时，因为有上拉电阻R3，REST为高电平；当关闭电源时，REST为低电平，系统复位。这样，将开机键和复位键和二为一。图3-5 系统复位电路3.4.3系统存储器电路SRAM为静态RAM存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来作变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。Flash存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即掉电后数据不会丢失。Flash存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选设备。Flash存储器主要分为两种22，一种为NOR型Flash，另一种为NAND型Flash。NOR型Flash的特点是，它可以直接读取芯片内存储器的数据，速度比较快，但是价格也比较高。芯片内执行（XIP，eXecute In Place），应用程序可以直接在Flash上运行，不必再把代码读到系统RAM中；而NAND型Flash的内部数据以块为单位进行存储，地址线和数据线共用，使用控制信号选择极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND型的困难在于Flash的管理需要特殊的系统接口。本设计扩展了4 Mbit SARM（IS61LV25616AL）