基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现

学号07700211毕业设计说明书基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现学生姓名李洋专业名称电子与信息工程系指导教师鲁维佳电子与信息工程系2011年6月6日基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现THEDESIGNANDREALIZATIONOFREMOTEDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONARM摘要本文介绍了一种基于ARM和NRF401的远程无线数据采集系统，下位机以AT89S52为中心控制单元。AT89S52接收到上位机发来的采集温湿度的指令后，通知温湿度传感器SHT11采集温湿度，然后一方面是利用LCD显示模块显示采集的温湿度，另一方面是利用以NRF401为核心的无线传输模块进行远程无线数据传输，另外通过高增益天线可使传输距离达到1000米以上；上位机以S3C2440微处理器为中心，以NRF401为核心的无线传输模块进行远程无线指令发送和数据接收，指令可以控制数据的采集，数据接收后，一方面利用液晶显示触摸屏显示温度湿度值，另一方面存储到SDRAM中。由于上位机是基于ARM的具有良好移动性能的类似手机的微型控制器，因此具有体积小、成本低、易维护和稳定性高的优点。本系统可以应用于各种无线数据采集系统，也可以通过增加接收到控制端的器件和程序实现监控。关键词SHT11；S3C2440；NRF401；AT89S52；远程数据采集ABSTRACTTHISPAPERMAINLYINTRODUCEAMETHODOFREMOTEWIRELESSDATEACQUISITIONSYSTEMBASEDONARMANDNRF401,THESLAVEMACHINETAKESMICROPROCSSERAT89S52ASTHECOREWHENRECEIVESTHEINSTRUCTIONSWHICHSENDSBYTHEMASTERMACHINE,AT89S52NOTICESTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSHT11TOMEASURETEMPERATUREANDHUMIDITYTHENONTHEONEHAND,THESYSTEMUSESTHELCDDISPLAYMODULETODISPLAYTEMPERATUREANDHUMIDITYONTHEOTHERHAND,ITUSESTHENRF401ASTHECOREINTHEWIRELESSTRANSMISSIONMODULEFORTHEREMOTEWIRELESSDATATRANSMISSIONWHATISMORE,THROUGHTHEHIGHGAINANTENNA,THETHETRANSMISSIONDISTANCECANBEEXTENDEDTOMORETHAN1,000METERSTHEMASTERMACHINEISCENTEREDONS3C2440MICROPROCESSOR,WHICHTAKESTHENRF401ASTHECOREOFTHEWIRELESSTRANSMISSIONMODULEFORREMOTEWIRELESSINSTRUCTIONSTOSENDINSTRUCTIONSANDRECEIVEDATATHEINSTRUCTIONSCANCONTROLDATATHEACQUISITIONOFDATAAFTERRECEIVINGDATA,ONTHEOTHERHAND,ITUSESLIQUIDCRYSTALDISPLAYLCDTOUCHSCREENTODISPLAYTEMPERATUREANDHUMIDITYVALUEONTHEOTHERHAND,THEVLAUECANBESTOREDTOSDRAMTHEMASTERMACHINEWHICHISSIMILARTOPHONEAREBASEDONTHEARMWITHGOODPERFORMANCEOFTHEMOVINGOFMINIATURECONTROLLER,THEREFOREITHASTHEADVANTAGESOFSMALLVOLUME,LOWCOST,EASYMAINTENANCEANDHIGHSTABILITYTHISSYSTEMCANBEAPPLIEDINALLKINDSOFWIRELESSDATAACQUISITIONSYSTEM,ANDALSOTHROUGHINCREASINGDEVICESANDCONTROLPROGRAMSCANREALISETHEFUNCTIONOFMONITORINGKEYWORDSSHT11S3C2440NRF401AT89S52REMOTEDATAACQUSITION目录第一章概述111研究背景112研究课题国内外发展现状和存在的问题113本课题研究的主要内容2131硬件设计2132软件设计2第二章系统原理321硬件平台3211嵌入式微控制器3212嵌入式微处理器422软件平台方案5221嵌入式系统的设计要求5222WINDOWSCE操作系统623系统总体介绍6第三章硬件设计831温湿度采集模块8311数字温湿度传感器SHT118312本模块总体介绍832电源模块9321LM317芯片932278L05芯片9323电源模块介绍1033下位机液晶显示模块10331DM12864M显示模块10332液晶显示模块1134无线数据传输模块12341NRF401芯片12342无线传输模块介绍1435ARM外接存储器模块15351外接NANDFLASH15352外接SDRAM1536上位机显示模块16第四章软件设计1841下位机软件设计18411数据采集模块软件设计19412下位机LCD显示程序22413NRF401数据发送软件设计2542上位机软件设计27421WINDOWSCE移植27422NRF401接收软件设计28423液晶触摸屏显示软件设计29第五章总结31致谢33参考文献34附录35附录1下位机原理图35附录2上位机原理图36附录3详细系统程序38第一章概述1第一章概述11研究背景随着大规模集成电路和计算机技术不断的飞速发展，电子、数字技术已经广泛渗透到各个技术领域，各种基于电子、数字技术的设备层出不穷。但是，自然界中绝大多数物理信号都是模拟信号，因此要对数字信号进行处理加工，就必须先将模拟信号转换成数字信号。这就是数据采集所要完成的任务，完成相应任务的系统即为数据采集系统，简称DASDATAACQUISITIONSYSTEM。数据采集是获取信息的基本手段。数据采集是指将温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模拟量采集、经A/D转换器转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程。数据采集系统的应用领域十分地广泛。例如，对于某些制造类企业，毫无疑问，数据的采集是保证企业管理系统正常运行的的关键所在。建立连接生产现场的自动采集数据的数据采集系统，可以避免传统手工信息录入方式造成的数据滞后和错误，对于提高企业的生产效率和管理水平有很大的帮助。通常，在实际应用中，数据采集和控制监控结合在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。通常的数据采集系统主要是由各种类型的传感器、模/数转换器及下位机等将现场数据采集和简单信号处理，然后通过有线或无线的方式发送到上位机终端（通常为计算机或服务器）。再通过上位机控制下位机的，完成数据采集，而且在上位机中可以利用数据采集系统软件来实现数据存储、数据处理以及显示等功能。随着数据采集系统的广泛应用及不断完善，目前数据采集处理过程的自动化已渗透到数据采集系统的各个部分。采集过程自动化内容主要包括数据采集设备“即插即用”，数据发布的自动化，消息发布机制等。数据采集系统的发展和新技术的介入使数据采集系统的开发越来越复杂、应用越来越广泛、实用性越来越强、操作性越来越简便。在实际中，温度、湿度是非常重要的指标。比如在工业和农业生产中的许多场合像温室、冷冻室等对温度和湿度有着严格的要求。再比如，在未来的智能家居中，为了人们的身心健康，温湿度也会变成重要的参数，只有在合适的温湿度中，人才会感到身体舒服，心理愉悦。因此在许多方面，需要对进行温度、湿度的采集,并且根据采集到的数据控制输出。而且随着科学技术的进步与发展,单片机，嵌入式等相关电子技术得到了飞速发展,应用领域随之不断扩展。现在利用单片机和传感器就可以实现对温度和湿度的精确测量,大大提高了生产的自动化水平,并且成本较低,应用十分广泛。12研究课题国内外发展现状和存在的问题目前远程数据采集系统的技术水准越来越高，相应成本也随之提高，应用前景第一章概述2便有了一定界限。而且通常的远程数据采集系统的上位机一般为PC，即便是笔记本电脑，其移动性能还是很差，远不如手机类型的上位机方便。而且手机类型的上位机有着体积小、成本低、易维护和稳定性高的优点。因此本文提出的基于ARM的远程数据采集系统的上位机不是计算机而是基于ARMADVANCEDRISCMACHINES的具有良好移动性能的类似手机的微型控制器。这也是本文的创新点所在。另外，通常传统的数据传输方式是通过有线的通信线路来进行远程数据传输常见的有RS485总线结构等的,这种方式不仅施工麻烦、费用高,而且出现故障时不易排查,越来越不能满足现代各行业快速发展的需求。而随着现代科学技术的发展，无线数据传输距离越来越远，性能越来越好，无疑，在未来无线传输方式将成为不可替代的方式。而且无线数据传输具有不用布线、实时性好、容易重新部署等优点,非常适用于现代工业监控系统。因此,本文讨论了一种使用无线通信方法进行数据传输的远程数据采集系统的设计方案,以温度湿度为采集样例，该方案不仅简化了系统施工的难度和复杂度,还可以降低成本,方便系统的维护。而且本文还利用高增益天线扩展了NRF401的通信距离。由于无线数据通信不用布线、快速布局的特点，因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性,在特殊场合具有无法替代的作用，在未来将发挥着特别的功能。13本课题研究的主要内容本课题设计的基于ARM的远程数据采集系统，研究内容分为硬件和软件两部分。131硬件设计下位机的硬件设计是以单片机AT89S52为核心，利用温湿度传感器SHT11采集温度湿度，利用NRF401及外围器件进行数据发送和命令接收，并且用12864显示数据，用以与接收的数据的对比。上位机的硬件设计是以ARM微处理器S3C2440及外围器件为核心，以NRF401及外围器件进行数据接收和命令发送，用液晶显示模块进行对采集数据的显示。132软件设计下位机的软件设计用AT89S52单片机为控制中心，包括温湿度传感器SHT11的数据采集程序，NRF401的发送接收程序以及DM12864M的显示程序。上位机的软件设计以ARM微处理器S3C2440为控制中心。软件设计在WINDOWSCE系统上，包括NRF401的发送接收程序以及液晶显示模块的显示程序。第二章系统原理3第二章系统原理21硬件平台本文论述的远程数据采集系统所用的控制器为嵌入式处理器，嵌入式处理器是嵌入式系统的核心器件。目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过一千多种，包括各种不同的型号和封装形式。流行的体系结构也有30多个。嵌入式处理器主要分为3类嵌入式微控制器单片机、嵌入式数字信号处理器嵌入式DSP处理器、嵌入式微处理器（最常用的为ARM）。本数据采集系统采用的为嵌入式微控制器（单片机AT89S52）和嵌入式微处理器ARM系列S3C2440，其中，嵌入式微控制器用在下位机，而嵌入式微处理器用在上位机。211嵌入式微控制器将整个微型计算机系统集成到一块芯片中，便组成了嵌入式微控制器。当然这种简约化的系统与通用计算机系统相比结构、功能要少很多，而且只是集成一些必须的器件。嵌入式微控制器一般是以微处理器内核为核心，内部集成各种必要功能和外设的芯片。通常为适应不同的应用需求，一个系列的单片机会有多种衍生产品，每种衍生品处理器内核都是一样的，所不同的是存储器及外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地与应用需求相匹配，从而可以很好地控制功耗和成本。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。嵌入式微控制器的典型代表为单片机，从70年代末至今，虽然仅仅只有30年左右的历史，但是这种8位机目前应用极其广泛。一般单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/0、串行口，脉宽调制输出、A/D、D/A、E2PROM、FLASHRAM等必要外设和功能。单片机的最大特点是单片化，体积大大减小，因此功耗和成本下降、可靠性提高。又因为片上外设资源比较丰富，适合控制，所以被称为微控制器。由于MCU低廉的价格，优异的性能，因此所拥有的品种和数量很多，比较有代表性的有8051、MCS251、C166/167、P51XA、C540/541等，并且支持I2C、CANBUS、LCD等众多专用MCU及其兼容系列。在本系统中作为数据采集端的控制中心，所用的芯片是AT89S52单片机。AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位嵌入式微控制器，内置8KB闪存。该芯片采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与采用工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器（8KB闪存）允许重复在线编程，允许其在系统内通过SPI串行口改写或用同样的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线编程下载的FLASH集成在一个芯片上，便成为一个高效的微型计算机。其应用范围广，可用于解决较复杂的控制问题，且成本较低。AT89S52的主要特性兼容MCS51产品，8K字节可擦写一千次左右的在线可编第二章系统原理4程ISP闪存，工作电源范围为40V55V，全静态工作频率为0HZ24MHZ，3级程序存储器加密，256B内部RAM，32条可编程I/O线，3个16位定时/计数器，8个中断源，UART串行通道，低功耗空闲方式和掉电方式，中断终止掉电方式，看门狗定时器，双数据指针，在线编程（字节和页模式）灵活。特殊功能寄存器SFR包括端口锁存器（P0/P1/P2/P3）、程序状态字（PSW）、定时/计数器方式控制（TMOD）、定时/计数器控制（TCON）、定时/计数器（THX/TLX）、累加器（ACC/B）、栈指针（SP），以及其他控制寄存器等等。专用寄存器只能通过直接寻址方式来访问。通常，在所有ATMEL单片机的专用寄存器（SFR）区中，寄存器的分配情况是相同的。212嵌入式微处理器嵌入式微处理器的设计是基于通用计算机中的CPU的，与通用计算机的微处理器不同的是，它只保留了与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，也就是说它是计算机CPU的精简版。其中ARM系列是应用最广泛的、最具代表性的嵌入式微处理器。ARM处理器采用的是RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTER,精简指令集计算机技术，与CISCCOMPLEXINSTRUCTIONSETCOMPUTER,复杂指令集计算机技术相比其指令集及相应的代码解释机制都得到了简化，正是这种这种简化使得用一小型廉价的芯片即可实现较高的指令吞吐量及实时中断响应的功能。正是ARM的RISC体系结构、低功耗、小体积和高性能，所以特别适合于便携式、嵌入式和多媒体应用领域,所以ARM在实际中得到了极为广泛的应用。在本系统中上位机的控制中心，所选用的芯片是三星的S3C2440。三星公司推出的微处理器S3C2440功耗低、优雅且全静态设计，特别适合于对成本和功率敏感型的应用，并且采用了新的总线架构AMBA总线。S3C2440有着十分优秀的特性，其内核是一个由ARM公司设计的16/32位的ARM920T系列精简指令集的计算机微处理器。ARM920T包括内存管理单元、AMBA总线、独立的16KB大小的指令高速缓存和16KB的数据高速缓存。S3C2440集成了如下片上功能12V内核，18V/25V/33V储存器，33V扩展I/O，16KB指令CACHE（ICACHE）/16KB数据CACHE（DCACHE）；外部储存控制器（SDRAM控制盒片选逻辑）；集成LCD专用DMA的LCD控制器（支持最大4K色STN和256K色TFT）；4路拥有外部请求引脚的DMA控制器；3路URAT（IRDA10，64BTXFIFO，64BRXFIFO）；2路SPI；I2C总线接口（多主支持）；IIS音频编解码器接口；AC97编解码器接口；第二章系统原理510版SD主接口，兼容211版MMC接口；2路USB主机控制/1路USB期间控制（VER11）；4路PWM定时器/1路内部定时器/看门狗定时器；8路10位ADC和触摸屏接口；具有日历功能的RTC；摄像头接口（支持最大4096X4096的输入，2048X2048缩放输入）；130个通用I/O，24个外部中断源；电源控制正常，慢速，空闲，睡眠模式；带PLL的片上时钟发生器；工作电压内核300MHZ120V400MHZ130V储存器18V/25V/30V/33V；I/O33V；操作频率FCLK400MHZHCLK136MHZPCLK68MHZS3C2440的总线信号由总线控制器、SDRAM/SRAM、NANDFLASH、LCD控制单元、摄像机接口、DMA、UART、ADC、IICBUS、AC97、触摸屏、USB主机、USB从机、SPI、SD、通用口、定时器/PWM、JTAG、复位，时钟，电源等这些部分构成。特殊寄存器GPACONPORTA控制，GPADATPORTA数据，只要对这两个寄存器操作就可以动用I/O口了，当然还有PORTB，PORTC等等，注意要大小端模式必须使用相对的大小端的地址，按照推荐方式对寄存器进行操作，除了ADC，RTC，UART寄存器外其他寄存器必须以字为单位进行读写。S3C2440有以下特性由软件选择的LITTLE/BIGENDIAN模式，地址空间每组（BANK）128M字节，8组共1GB空间，除BANK0（16/32BIT）外，所有BANK都为可编程访问位宽（8/16/32BIT），共8个储存组，6组用作ROM，SRAM等，2组用作ROM，SRAM，SDRAM等，7个BANK为固定起始地址，1个BANK为可变起始地址和2个BANK为可编程大小，所有BANK访问周期可编程改变，扩展总线周期的外部等待信号，支持SDRAM的自刷新和电源管理模式。22软件平台方案221嵌入式系统的设计要求嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应第二章系统原理6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。与通用计算机系统有着本质区别，在很多方面独具特色，设计要求也大不一样，主要包括以下几个方面面向特定应用；系统构成随应用变化；体系结构根据具体的应用确定；系统协同设计；综合性能稳定；可靠性高；功耗低；实时性好。222WINDOWSCE操作系统WINDOWSCE是具有优先级级别的多任务操作系统，它允许多重功能、进程，在同一时间内运行，支持最大的32位同步进程。一个进程包括一个或多个线程，每个线程作为进程的基本线程，进程能够创造未定数量的额外线程，额外线程的实际数目，仅由系统可利用的资源决定。WINDOWSCE利用基于优先级的时间片演算法安排线程的执行，将互斥体、关键部分、事件请求按“先入先出，优先级（FIFO）”顺序排列不同的先入先出顺序序列定义成8个不同的优先级，由0到7，0代表最高级，在头文件WINBASWH中定义。其中，0和1通常作为实时过程和设备驱动器，24为线程和通常功能，57低于其它功能级别，需要注意的是级别6为目前状态并有稳定联接。WINDOWSCE提供了一个重要的存储系统，例如，当目前某些运行WINDOWSCE的平台仅提供4MB的物理内存，WINDOWSCE则支持一个2GB的地址空间，每个进程连接到它自己的32MB物理空间上，当它需要产生内存分页中断这可能影响线程执行时间，物理内存进行线程代码或数据内存分页。WINDOWSCE的优点第一WINCE开发相对较容易，开发周期短，内核完善，主要是应用层开发，而LINUX开发难度较高，需要很高的技术实力。第二WINCE的GUI丰富，开发工具强大,而LINUX核心调试工具不全，调试不大方便，而且目前还没有很好的用户图形界面；第三，WINCE系统维护较容易，而LINUX占用较大的内存，维护较复杂，因此本系统采用的操作系统为WINDOWSCE50。23系统总体介绍本系统分为下位机和上位机。首先，上位机发送数据采集指令到下位机，然后单片机控制温湿度传感器SHT11对环境的温湿度进行检测，然后将采集到得温湿度信号传回到AT89S52微处理器，然后将信号分为两部分，一部分是输出到12864LCD显示屏显示，另一部分是传输到基于NRF401的无线数据传输模块，实现数据无线发送。接收端的基于NRF401的无线数据传输模块接收信号，并输出到S3C2440微处理器，进而显示出来。并且还可以通过ARM对数据采集进行控制和监控。无线收发模块还接有高增益天线，大大加大了数据传输的距离。下位机以单片机AT89S52为数据采集核心，由温湿度传感器、电源、液晶显示、NRF401无线收发等模块组成。温湿度传感器SHT11通过AT89S52控制进行数据采集，并在LCD上显示。第二章系统原理7上位机以三星S3C2440微处理器为核心，由SDRAM、NANDFLASH，液晶显示、NRF401无线收发、电源等模块组成。完成对数据采集的控制及监控，接收数据，处理采集到的数据并显示出来。系统整体框图如图21所示AT89S52单片机LCD显示模块NRF401高增益天线电源温湿度采集模块S3C2440ARM液晶显示模块SDRAMFLASHNRF401高增益天线远程无线传输电源图21系统整体框图第三章硬件设计8第三章硬件设计31温湿度采集模块311数字温湿度传感器SHT11本模块的主要芯片为温湿度传感器SHT11，该传感器采用CMOSENS专利技术将温度湿度传感器、A/D转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内，因此该传感器具有体积小、响应速度快、接口简单、性价比高等优点。同时该传感器还可以进行相对湿度和温度一体测量，精确露点测量，全量程标定，无需重新标定即可互换使用，并且有着极高的精度和稳定性。SHT11的引脚信息如表31所示表31SHT11引脚及说明引脚名称说明1GND接地端2DATA双向串行数据线3SCK串行时钟输入4VDD0455V电源端5678NC空管脚312本模块总体介绍本模块主要由温湿度传感器SHT11和单片机AT89S52组成。AT89S52从上位机接收到采集温湿度的命令，然后通知SHT11进行环境温度、湿度的采集，采集数据后，将数据传输到AT89S52中,用以显示和无线数据传输。因为SHT11温湿度传感器通过二线数字串行接口DATA和SCK传输数据,所以外围硬件电路非常简单。不过需要注意的是时钟线SCK用于保持AT89S52与SHT11之间通信的同步，DATA数据线需要外接上拉电阻。因为接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有特定的要求。例如当工作电压大于45V时，SCK最高频率为10MHZ，而当工作电压小于45V时，时钟线SCK最高频率则为1MHZ。温湿度采集模块原理图如图31所示第三章硬件设计9P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40A1AT89S52GND1DATA2SCK3VDD4NC5NC6NC7NC8SHT11R210K5V5VTXENPWR_UPCSP21P20图31温湿度采集模块原理图32电源模块321LM317芯片LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器。其输出电压范围是12V37V，负载最大电流为15A。使用方法非常简单，仅仅通过两个外接电阻就可以设置好输出电压。此外，它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。稳压器内部置有过载保护、安全区保护等多种保护电路，通常不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。改变输出电容即能改变瞬态响应，调整端使用滤波电容即能够得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。当然，LM317有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。需要注意的是输入至少要比输出高2V，否则不能调压。输入电要最高不能超过40V，输出电流最好不超过1A。输入12V的话，输出最高就是10V左右。因为它内部还是线性稳压，所以功耗比较大。当输入输出电压差比较大且输出电流也比较大时，注意保持LM317的功耗不要过大。一般加散热片后功耗不会超过20W。因此当压差较大时需要分档调压。第三章硬件设计1032278L05芯片78L05是一种固定电压5V三端集成稳压器，其适用于很多应用场合。像牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在卡调节。此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源,如可驱动输出电流高达100毫安的稳压器。其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况。当用于替代传统的齐纳二极管电阻组的时候,其输出阻抗得到有效的改善,其偏置电流大大减少。323电源模块介绍因为单片机所用电源为5V，NRF401模块所用电源为33V，S3C2440所用电源为125V。所以本系统设计了三种电源。本系统所用的基于LM317和78L05的电源模块原理图如图32所示ADJ1VOUT2VIN3LM317ADJ1VOUT2VIN3LM317132VVGNDINOUT78L05C01UFC1UFC001UFC10UFC10UFC10UFC10UFR1KR10KR1K12V12V12V5V33V125V图32电源模块原理图33下位机液晶显示模块331DM12864M显示模块DM12864M是一种图形点阵液晶显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动器两部分组成了128列64行的全点阵液晶显示。此显示器采了COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD,使其寿命长，连接可靠。引脚信息如表32所示表32DM12864M引脚及说明第三章硬件设计11管脚号管脚名称LEVER功能描述1VSS0电源地2VDD50V电源电压3V0液晶显示器驱动电压4D/IRSH/LD/I“H”表示DB7DB0为显示数据D/I“L”表示DB7DB0为显示指令5R/WH/LR/W“H”,E“H”数据被读到DB7DB0R/W“H”,E“HL”数据被写到IR或DR6EH/LR/W“L”，E信号下降沿锁存到DB7DB0R/W“H”，E“H”DDRAM数据读到DB7DB07DB0H/L数据线8DB0H/L数据线9DB0H/L数据线10DB0H/L数据线11DB0H/L数据线12DB0H/L数据线13DB0H/L数据线14DB0H/L数据线15CS1H/LH选择芯片右半屏信号16CS1H/LH选择芯片左半屏信号17RETH/L复位信号,低电平复位18VOUT10VLCD驱动负电压19LEDLED背光板电源20LEDLED背光板电源332液晶显示模块DM12864M图形液晶显示模块与MPU的连接方式有两种一种为直接访问方式，一种为间接控制方式。本模块采用第二种方式即间接控制方式，其中数据线接P1口，控制线接P2、P3口。本模块原理图如图33所示第三章硬件设计12P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40A1AT89S52VSS1VDD2VLCD3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714CS115CS216RES17VEE18A212864C430PC330PC101UFY11109MHZR110K5VR310K5VGND1DATA2SCK3VDD4NC5NC6NC7NC8SHT11R210K5VR610K5V5VC201UFDINDOUTTXENPWR_UPCSP20P21P21P20图33液晶显示模块原理图34无线数据传输模块341NRF401芯片1总体介绍本模块采用的芯片为NRF401，是一个为433MHZISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术，NRF401最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是10DBM；天线接口设计为0DB高增益天线，以便于提高传输距离；NRF401还具有待机模式，这样可以更省电和高效；NRF401的工作电压范围可以从275V。NRF401是真正的单片FSK收发芯片，仅仅需要非常少的外围元件，无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，最高速率可达20KBPS，拥有2个工作频道，较宽的工作电压范围并且低功耗。引脚及说明如表33所示表33NRF401引脚说明第三章硬件设计13引脚名称功能说明1XC1输入晶振输入2VDD电源电源35V3VSS地电源地4FILT1输入环路滤波器5VCO1输入VCO电感6VCO2输入VCO电感7VSS地电源地8VDD电源电源35V9DIN输入数据输入10DOUT输出数据输出11RF_PWR输入发射功率设置12CS输入频道选择CS0频道一43392MHZCS1频道二43433MHZ13VDD电源电源35V14VSS地电源地15ANT2输入/输出天线终端16ANT1输入/输出天线终端17VSS地电源地18PWR_UP输入节电控制，PWR_UP1POWERUPOPERATINGMODE19TXEN输入发射/接收控制TXEN1TRANSMITMODE，TXEN0RECEIVEMODE20XC2输出晶振输出2模式切换1）TXRX的切换当从RXTX模式时，数据输入脚DIN必须保持为高至少1MS才能发送数据。当从TXRX模式时，数据输出脚DOUT要至少3MS以后有数据输出。2）STANDBYRX的切换从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过TSR时间后DOUT脚输出数据才有效，对NRF401来说TST最长的时间是3MS。3）STANDBYTX的切换从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是TST约为2MS。第三章硬件设计144）POWERUPTX的切换从加电到发射模式过程中,为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时TXEN必须保持1MS以后才可以往DIN发送数据。5）POWERUPRX的切换从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据DOUT也不会有有效数据输出，直到电压稳定达到27V以上，并且至少保持5MS。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3MS。342无线传输模块介绍本模块主要有NRF401、外围器件以及高增益天线组成。可以完成数据或命令的发送及接受。本模块原理图如图34、35所示XC11VDD2VSS3FILT14VCO15VCO26VSS7VDD8DIN9DOUT10RF_PWR11CS12VDD13VSS14ANT215ANT116VSS17PWR_UP18TXEN19XC220UNRF401C1522PFC1622PFY14MHZR81MR922KC17100PFC19470PFC1818PFC201NFC2118PFL2180NHL318NHL418NHL518NHL122NHC1115NFC10820PFC12100PFC131NFR747KC1422UF33VTXENPWR_UPCSDINDOUTRFOUT33VP20P21P22P24P25图34无线传输模块发送原理图第三章硬件设计15XC11VDD2VSS3FILT14VCO15VCO26VSS7VDD8DIN9DOUT10RF_PWR11CS12VDD13VSS14ANT215ANT116VSS17PWR_UP18TXEN19XC220NRF401C522UFC215NFC1820UFC3100PFC41NFC8100PFC918PFC1218PFC10470PFC111NFR147KR322KR21MY14MHZC622PFC722PFL2180PHL418PHL318PHL518NHL122NH33V33VRFINLDATA13LDATA14LDATA15LDATA12LDATA11图35无线传输模块接收原理图35ARM外接存储器模块351外接NANDFLASHNANDFLASH内存是FLASH内存的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。NANDFLASH存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。S3C2440外接NANDFALSH的原理图如图36所示R/B7CE9CLE16ALE17WE18RE8SE6VSS13VSS36VCC10VCC11WP12I/O029I/O130I/O231I/O332I/O441I/O542I/O643I/O744NANDFLASHK9F1208LDATA0LDATA1LDATA2LDATA3LDATA4LDATA5LDATA6LDATA701UF10KRNBNFCECLEALENFWENFRE33V33V图36外接NANDFALSH原理图352外接SDRAMSDRAMSYNCHRONOUSDYNAMICRANDOMACCESSMEMORY同步动态随机存储器，同步是指MEMORY工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基第三章硬件设计16准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。ARM外接SDRAM原理图如图37所示A023A124A225A326A429A530A631A732A833A934A1022A1135A1236BA020BA121LDQM15UDQM39SCKE37SCLK38VSS028VSS141VSS254VSSQ06VSSQ112VSSQ246VSSQ352DQ02DQ14DQ25DQ37DQ48DQ510DQ611DQ713DQ842DQ944DQ1045DQ1147DQ1248DQ1350DQ1451DQ1553NSCS19NSRAS18NSCAS17NWE16VDD01VDD114VDD227VDDQ03VDDQ19VDDQ243VDDQ349SDRAMLADDR2LADDR3LADDR4LADDR5LADDR6LADDR7LADDR8LADDR9LADDR10LADDR11LADDR12LADDR13LADDR14LDATA0LDATA1LDATA2LDATA3LDATA4LDATA5LDATA6LDATA7LDATA8LDATA9LDATA10LDATA11LDATA12LDATA13LDATA14LDATA15LADDR24LADDR25LNWBE0LNWBE1LNSCS0LNSRASLNSCASLNWELSCKELSCLK033V图37外接SDRAM原理图36上位机显示模块要想使LCD屏显示，不仅需要LCD驱动器，而且还需要相应的LCD控制器。通常LCD驱动器会以COF/COG的形式与LCD玻璃基板制做在一起，而LCD控制器则由外部电路来实现。而S3C2440内部已经集成了LCD控制器，因此可以很方便地去控制各种类型的LCD屏，例如STN和TFT屏。由于TFT屏将是今后应用的主流，因此重点围绕TFT屏的控制来进行。S3C2440LCD控制器的特性TFT屏支持单色、4级灰度、256色的调色板显示模式支持64K和16M色非调色板显示模式支持分辩率为640480，320240及其它多种规格的LCD对于控制TFT屏来说，除了要给它送视频资料（VD230）以外，还有以下一些信号是必不可少的，分别是VSYNC（VFRAME）帧同步信号HSYNC（VLINE）行同步信号VCLK像数时钟信号VDEN（VM）数据有效标志信号。本模块采用的液晶显示屏为触摸屏LTV350QVF0E。显示模块原理图如图38所示第三章硬件设计17123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404141P显显显显123CON3VDDLCDVDDLCDVD0VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12VD13VD14VD15VD16VD17VD18VD19VD20VD21VD22VD23GNDGNDGNDGNDLCD_PWRGPB1VMVLINETSXMTSYMNRESETVFRAMEVCLKTSXPTSYP33V5V图38上位机显示原理图第四章软件设计18第四章软件设计41下位机软件设计下位机的流程图如图41所示开始初始化配置程序（中断、定时器、串口、标志、NRF工作模式）开串口中断接收到请求发送指令接收到请求重发指令TXEN1改接收为发送延时5MSTXEN1改接收为发送延时5MS采集数据GETDATA调用发送子程序SEND发送发送完毕到接收端TXEN0改发送位接收YNYN调用显示函数第四章软件设计19图41下位机流程图软件设计流程是首先，单片机进行初始化，然后打开必要的中断，接着，单片机判断是否收到上位机的采集温湿度指令。如果没有收到，则向上位机发送请求发送指令，再判断是否收到重发指令，若收到，则重新发送采集的数据，若未收到，则重新判断是否接收到请求发送指令；如果收到采集指令，则NRF401进行初始化，设为发送状态，接着，调用DM12864M的显示子函数，再调用NRF401的发送子函数，然后发送“发送完毕”指令到上位机，再把NRF401置为接收状态。然后按上述进行循环。下位机的软件设计主要包括以下几个部分初始化函数、发送函数、采集函数、显示函数等。411数据采集模块软件设计AT89S52和温湿度传感器SHT11通过串行二线接口SCK和DATA进行通信，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。因为该二线串行通信协议与I2C协议是不兼容的，所以在程序一开始，就需要用一组“启动传输“时序表示数据传输的启动，如图42所示。当时钟SCK为高电平时，数据DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK为高电平时，DATA再次翻转为高电平。SCKDATA图42数据传输启动时序SHT11温湿度测试时序如图43所示S地址和命令ACK测量数据（高）ACK数据（低）ACKCRCMACK图43SHT11温湿度测试时序图SHT11总的测量时序如下当SCK为高电平时，DATA为低电平，然后SCK变为低电平，接着当SCK再为高电平时，DATA也变为高电平，此时表示数据读写启动序列开始，然后发送一个8位的命令码，包括3B的地址位和5B的命令位。发送完该命令码，将DATA设为输入状态等待SHT11的响应；SHT11接收到上述地址和命令码后，会在第8个时钟下降沿，将DATA线下拉为低电平作为从机的ACK；在第9个时钟下降沿之后，从机释放DATA恢复高电平总线；释放总线后，SCK继续发送一个周期的时钟表示ACK，这时传感器开始测量，约210MS对应14位精度后，传感器在DATA上送出低电平表示测量结束，这时送出测量数据和校验和。接着，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ACK高电平来中止通讯。在测量和通讯结束第四章软件设计20后，SHT11就会自动转入休眠状态。由于微处理器通过二线串行数字接口访问湿度传感器SHT11，而访问协议是芯片生产商自定义的，因此需要利用通用I/O口模拟该通信协议。本系统采用的是AT89S52，可以通过I/O口P2口模拟该通信协议。SHT11可以通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为“相对湿度“，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按下式修正湿度值2RH3RH21SOCCRHLINEAR其中，RHLINEAR为线性补偿后湿度值，SORH为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，取值如表41表41湿度线性补偿系数S0RHC1C2C312位400405281068位4064872104因为温度对有着湿度十分显著的影响，因此需要对上述计算得到的湿度用如下公式进行补偿LINEARRH21TURESOT5TRH上式中，RHTRUE为线性补偿和温度补偿后的湿度值，T为测量湿度时的温度，T1和T2为温度补偿系数，取值如表42所示表42湿度值补偿系数SOTT1T212位0010000088位001000128因为SHT11是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件，所以线性输出特性非常好。因此实际温度值可通过下式计算TD1D2SOT在上式中，T为实际温度，D1和D2为特定系数，D1、D2的大小分别取决于与SHT11工作电压有关和其内部A/D转换器SOT，SOT为分辨率；其对应关系分别如下表43和表44所示表43D1与工作电压的对应关系VD0/VD1/D1/5400040004397539503539653935第四章软件设计213396039282539553923表44D2与分辨率的对应关系SOTD2/D2/14位001001812位0010072数据采集程序流程图如图44所示串口初始化通信初始化测量温度湿度调用温度湿度补偿函数结束开始判定是否有错得到精确温度湿度NY图44SHT11测量温湿度程序流程图程序主要函数及定义如下INCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDE第四章软件设计22TYPEDEFUNIONUNSIGNEDINTIFLOATFVALUEENUMTEMP,HUMIVOIDS_TRANSSTARTVOIDVOIDS_CONNECTIONRESETVOIDCHARS_WRITE_BYTEUNSIGNEDCHARVALUECHARS_READ_BYTEUNSIGNEDCHARACKCHARS_MEASUREUNSIGNEDCHARP_VALUE,UNSIGNEDCHARP_CHECKSUM,UNSIGNEDCHARMODEVOIDCALC_DHT90FLOATP_HUMIDITY,FLOATP_TEMPERATURE412下位机LCD显示程序1在编写程序之前，需要了解DM12864M的内部功能器件及相关功能，期间及功能如下1）指令寄存器IR用于寄存指令码，与数据寄存