基于ARM平台的智能温控系统设计

硕士研究生读书报告课程名称嵌入式系统题目基于ARM平台的智能温控系统设计题目类型读书报告学院计算机科学与工程学院专业名称计算机科学与技术姓名祝敏学号2013200546任课教师詹林授课时间2014年4月24日2014年6月28日提交时间2014年6月30日基于ARM平台的智能温控系统设计这次我采用ARM9嵌入式微控制器AT91RM920T和LINUX操作系统相结合的嵌入式温度控制系统，温度控制系统的硬件系统，主要括CPU模块、模拟电路模块、存储模块和通信模块四个部分；在对温度控制系统的软件部分的设计中，主要是针对BOOTLOADER的移植、LINUX内核移植、根文件系统的定制、驱动程序的编写和应用程序的编写五部分进行设计。1温度控制系统总体方案设计11系统概述该温度控制系统主要由模拟电路，主控制电路，数据存储模块，输入输出模块，通讯模块等组成。主控制电路由ARM及其外围电路组成，是温度控制系统的核心部分，完成整个系统的控制，数据传输与存储和信号的处理等工作处理器对模拟电路采集进来的模拟量进行A/D转换得到实时温度数据，由控制算法对数据进行处理，得到的数字控制量经过D/A转换后通过输出电路对温度进行控制。处理器在数据处理过程中会将历史数据存入NANDFLASH中，并可通过网络介质与其他PC机通讯进行数据的传输。12系统的总体架构121硬件系统的设计原则硬件系统设计必须遵循一下原则1稳定性和可靠性工业现场环境比较恶劣，模拟量参数处理的性能直接影响系统的技术指标，必须从一开始就充分考虑应用现场的各种环境状况，采取抗干扰措施，选择适当的元器件类型和参数，防止串扰和误差积累。设计要充分考虑硬件电路的简化，使用集成度较高的元器件，提高系统抗干扰性能，提高稳定性和可靠性。2速度与精度根据允许误差限值，按一定规则分配各个部件模块锁允许的误差，系统设计过程中根据分配的允许误差选择位数较高的转换芯片，提高转换精度，选定电路结构。3功耗以及数据存储ARM9LRM9200自身具有低功耗的特点，VDDCORE电流为304MA，待机模式电流为31MA，并具有低速的时钟操作模式和软件功耗优化能力，非常适合于能耗敏感的场合。采用低功耗器件和贴片封装元器件，可有效降低功耗，减小PCB面积，提高电路本身的抗干扰性能。为保证数据的存储空间和安全保证，系统采用了一片32M的NANDFLASH作为数据和程序存储区，保证了大容量数据存储的需要。122系统硬件的整体结构根据系统设计的要求，系统的整体框图如图11所示图11系统整体框图系统主要分为以下四个模块1CPU核心模块主要由CPU以及外围电路组成，是系统的主控制电路。CPU选用ATME公司的基于删920TARMTHUMB处理器AT9LITM9200，对数据进行处理，存储，通讯等功能。2模拟电路主要包括信号处理电路和信号输出电路。其中信号处理电路主要完成模拟输入信号的放大和滤波，得到满足模数转换电路输入范围的数值。信号输出电路将算法处理后的数字量转换成相应的模拟信号输出，实现对被控对象的控制。3存储模块主要由NORFLASH、SDRAM、NANDFLASH三部分组成。其中，NORFLASH用来存储系统启动程序和系统内核；SDRAM是操作系统和应用程序的运行空间；NANDFLASH主要存储采集的数据以及应用程序。4通讯模块主要由串行口电路，JTAG电路，以太网接口电路三部分组成，串行口电路和JTAG电路用来下载和调试程序，以太网接口电路用来和其他PC机或设备进行通讯，实现数据的交换。信号处理电路信号输出电路AT91RM9200存储模块通讯模块123系统软件的整体结构ARM嵌入式软件的开发流程一般是设计目标硬件板，建立嵌入式LINUX开发环境，编写、调试BOOTLOADER，编写、调试LINUX内核，编写、调试应用程序，调试ARM板。从软件开发的角度来看，一个嵌入式LINUX系统可以分为以下4个层次1引导和加载LINUX内核程序，主要是编制BOOTLOADER程序。BOOTLOADER相当于PC的BIOS，在硬件板一加电后就开始运行，主要完成硬件初始化，同时设置LINUX启动时所需要的参数，然后跳到LINUX内核启动代码的第一个字节开始引导LINUX。它要用串行电缆把PC与硬件开发板连接起来，在PC端编译程序，生成BIN文件，然后烧写到FLASH中。2LINUX内核。主要工作是为特定的嵌入式硬件系统板定制内核以及内核的启动参数。为实现LINUX内核的移植，需要把编译生成的BOOTLOADER、KERNELIMAGE内核、ROOTFILESYSTEM根文件系统烧写到FLASH中。在编译内核的时候，可以根据需要选择网络协议，例如TFTP、FTP、DHJP等。3和LINUX内核配合使用的根文件系统，包括建立根文件系统和建立于FLASH设备上的文件系统。4用户应用程序。主要是针对采集的数据类型，进行相应的数据处理，以完成温度控制和数据通讯的目的。本章从总体上对该系统的组成以及各部分的功能做了简单的介绍，部分的具体功能和步骤将在后面的几章作详细的阐述。2温度控制系统的硬件设计本章主要是温度控制系统各模块的硬件设计，主要包括模拟电路设计，存储模块设计，通讯电路设计，输入输出模块设计。21AT91RM9200芯片介绍AT9LRM9200是完全围绕ARM920TARMTHUMB处理器构建的系统。它有丰富的系统与应用外设以及标准的接口，提供了一种低功耗、低成本、高性能的微控制器解决方案。211ARM920T处理器概述ARM920T高速缓存处理器是ARM9THUMB系列中高性能的32位单片系统处理器。它提供完善的高性能CPU子系统ARM9TDMIRISC整数CPU16K字节指令与16K字节数据缓存指令与数据存储器管理单元MMUS写缓冲器高级微处理器总线架构AMBA总线接口OETM内置追踪宏单元接口212ARM920T系统结构分析ARM920T中的ARM9TDMI内核可执行32位删及16位THUMB指令集。ARM9TDMI处理器是哈佛结构，包括取指、译码、执行、存储和回写5级流水线。ARM920T处理器包括两个协处理器CPL4，控制软件对调试信道的访问CPL5，系统控制处理器，提供16个额外寄存器用来配置和控制缓存、MMU、系统保护、时钟模式及其他系统选项。ARM920T系统结构如图21所示图21ARM920T系统结构图AT91RM9200包括一个高速片上SRAM工作区及一个低等待时间的外部总线接口EBI，以成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射的无缝连接。EBI有同步DRAMSDRAM、BURSTFLASH及静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便SMARTMEDIA、COMPAETFLASH及NANDFLASH连接。高级中断控制器AIC通过多向量、中断源优先级划分和缩短终端处理器传输时间来提高ARM920T处理器的中断处理性能。外设数据控制器PDC向所有的串行外设提供DMA通道，使其与片内或片外存储器传输数据时不用经过处理器，以减少传输连续数据流时处理器的开销。包含双指针的PDC控制器极大的简化了AT91RM9200的缓冲器连接。并行I/OPIO控制器与I/O复用外设输入/输出口线的配合，最大程度地适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏能力和可编程上拉电阻。电源管理控制器PMC通过软件控制处理器以及各种外设来使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟发生器提供包括慢时钟32KHZ在内的选定时钟信号，以随时优化功耗和性能。AT91RM9200集成了许多标准接口，包括USB20全速主机和设备端口及在网络层广泛使用的10/100BASET以太网媒体访问控制器MAC。此外，它还提供了一系列符合工业标准的外设，可在频、电信、FLASH卡、红外及智能卡中使用。为完善性能，AT91RM9200集成了包括JTAGICE、专门UART调试通DBGU及嵌入的实时追踪的一系列的调试功能，这些功能使得开发所有的应用特别是受实时性限制的应用成为可能。213ARM920T的存储器格式ARM920T支持字节8位、半字16位、字32位三种数据类型，其中字需要4字节对齐，半字需要2字节对齐。ARM920T体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从O字节到3字节放置第一个存储的字数据，从4字节到7字节放置第二个存储的字数据，依次排列。作为32位的微处理器，ARM920T体系结构所支持的最大寻址空间为4GB2字节。ARM920T体系结构可以用两种方法存储字数据，大端格式和小端格式。大端格式中字数据的高字节存储在低地址中，而低字节存放在高地址中；小端格式中低地址存放的是字数据的低字节，高地址存放的是高字节。22外围电路设计221AT91RM9200相关接口和控制器AT91RM9200的第一级译码由存储控制器执行，即由具有附加功能的高级系统总线执行。译码将4G的地址空间分为16个256MB的区域。区域L8对应EBI，和外部片选NCS0NCS7相对应。区域0为内部存储器地址，第二级译码提供1M字节的内部存储空间。区域15为外设地址，并且提供了对高级外设总线APB的访问其他区域未使用，使用它们进行访问时，需要向发出访问请求的主机发出异常中断。外部存储器映射空间结构如图22所示图22外部存储器映射空间结构图外部总线接口EBI设计用以确保多个外设和基于ARM器件的内置控制存储器间的正确数据传输。静态存储器、SDRAM及BURSTFLASH控制器均可作为EBI上的外部存储控制器。这些外部存储控制器可以处理多种类型的外部存储器以及外部设备，如SRAM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASH、SDRAM及BURSTF1ASH。EBI通过集成电路支持COMPACTFLASH与SMARTMEDIA协议，从而大大降低了对外部组件的需求。此外，EBI可处理多达8个外设的数据传输，每个外设分配8个在内置存储控制器中定义的地址空间。数据通过16位或32位数据总线进行传输，地址总线高达26位，8个芯片选择口NCS70用来片选不同的外设，多个控制引脚可以在不同外部存储控制器间复用。片选的分配如下NCS0上为BURSTFLASH控制器或静态存储控制器NCSL上为SDRAM控制器或静态存储控制器NCS3上为静态存储控制器，可选支持SMARTMEDIANCS4NCS6上为静态存储控制器，可选支持COMPACTFLASHNCS7上为静态存储控制器在本设计中，选用NCS0作为NORFLASH的片选信号，NCSL作为SDRAM的片选信号，NCS3作为NANDFLASH的片选信号，NCS6作为AD控制器的片选信号。静态存储控制器SMC产生信号来控制外部静态存储器或外设的访问。SMC可编程地址可达512M字节。它有8个片选及一个26位地址总线。16位数据总线配置与8位或16位外部器件连接。独立的读写控制信号允许存储器与外设直接连接。SMC支持不同的允许单时钟周期存储器访问的访问协议，同时也提供了外部等待请求能力。静态存储控制器方框图如图23所示图23静态存储控制器222模拟电路设计（1）信号处理电路设计ADS7842是一个高效的4通道12位精度的模数转换芯片，它包含一个带有采样保持的12位的逐次逼近寄存器SUCCESSIVEAPPROXIMATIONREGISTCR，SAP，具有并行的三态输出驱动器。ADS7842在2MW的功率消耗下达到200KHZ的采样频率，参考电压范围可以从100MV到VCC，相应的LSB范围从24UV到122MV。ADS7842最低可以在27V的电压下工作。低功耗，高速率以及自身的多路复用器使得ADS7842成为体积小重量轻的需要多路数据转换和测量的嵌入式系统的理想选择。并且ADS7842可以在4085的温度范围内正常工作，适合工业现场的恶劣环境。NCS2，NCS4NCS7这些片选系统没有使用，可以任意选择一路作为译码器的使能信号。本设计选择的是NCS6，其地址空间是0X700000000X7FFFFFFF，基地址为0X7000000016路模拟通道的地址空间是0X700000400X7000005E，为了选通这些地址，必须通过译码器对这些地址进行译码，以完成不同的芯片操作工业现场的测温器件主要有热电偶和热电阻传感器，测量出来的信号值一般很小，只有20100MV，需要通过温度变送器转变为标准的0420MA电流信号或者015V的电压信号。这里以常见的420MA电流信号为例，16路标准电压信号连接多路开关DG506，为了稳定输入电压和电流以保护元器件或者预设缺省电位，应在每路输入电压进入多路开关之前外加470的下拉电阻。A30连接地址线的AB411，多路选通后，通过D端输出。因为ADS7842的输入电压范围在03V03VVCC之间，VCC使用5V的直流电压，所以D端的输出值接入AD芯片之前需要经过合理的转换。经过OP07的两次倒相后，输入端420MA的电流转换为15V的电压信号，以便连入ADS7842。本设计中选用ADS7842的通道L，所以A10接地。NADC_CS分别与系统读使能信号NRD和系统写使能信号NWR0相或后作为芯片的读写使能信号，同时NADC_CS作为片选信号输入。转换后的数据存储在DB110中4。（2）信号输出电路设计DAC712是一个高效的16位并行双缓冲D/A转换器，10V的电压输出，并带有10V的参考电压精确温度补偿。数字接口是一个快速的，60NS的最小写脉冲宽度，当模拟信号输出复位时有清除功能。数据线的DB150接DAC712的数据输入端，NDAC_CS0接使能端A0，根据变送器的不同的需要，同样可以通过搭接运算放大电路把输出信号转换成420MA或者15V的标准信号。由于ADS7842的工作电压是5V，数字量输出高电平是35V5V，低电平是EE0000000；ELSEWRITE_SHARESOCKETRECVDATA；GETMODERECVDATA，MODE；IFMODEMMGETDATARECVDATAWRITE_SHARE_DADATA；BREAK；CLOSECLIENT_SOCKET；315日志记录程序功能与实现日志记录程序主要是记录程序运行情况，以及数据传输情况，确保包各子进程的正常运行，以备日后查看。RECORD程序流程图如图35所示。图35RECORD程序流程圈函数关键部分实现如下WHILE1READ_SHAREAD；READ_SHAREDA；FILEFFOPENRECORDDIR_PATH,A；IFFNULLPRINTFOPENRECORDFILEERRORN；RETURN1；FWRITESZBUF_AD，SIZEOFCHAR，STRLENSZBUF_AD，F；FCLOSEF；RECORDREAD_SHARE_ADFWRITEFILEFFOPENRETURN1NULL每个子程序主要包含两个文件，一个是头文件OUTSHMH，主要是声明共享内存和信号量，以及信号量相关函数的定制；一个是共享内存函数CLIENTC，主要定义AD共享内存和日志共享内存的参数，以及创建和读写共享内存函数的定制。在工作目录下创建IM文件夹，把OUTSHMH和CLIENTC两个文件放入该文件夹，作为源文件的引用文件创建SIC文件夹，把四个源文件放入其中。接下来需要在根目录下编写MAKEFILE文件了。32MAKEFILE的编写和源文件的编译当源文件编写完毕后，接下来的任务是把源文件编译成可以在ARM架构中使用的二进制文件，MAKEFILE文件的编写如下CCARMLINUXGCCPPBINTREATMKDIRPPMAINSRC/MAINCLIB/CLIENTCCCILIB/SRC/MAINCOMAININSTALLMAINPP/其他程序类似编写。然后添加删除命令如下PHONYCLEANCLEANRMRFPP/RMMAINADDASOCKETNETRECORD在命令行下输入MAKEALL，编译所有源程序，在MAKEFILE一级目录下的BIN中，可以发现已经编译好的四个二进制文件。如果在ARMLINUXGCC命令中添加G后缀，可以使用GDB调试功能。GDB可以通过设置断点、查看变量、单步运行等手段非常方便地对编译程序进行调试，实时了解程序的运行情况，排查错误，以完善程序功能。将编译好的四个文件上传到嵌入式系统目标机的/MNT/NAND2目录下