【正文】 學(xué) 號(hào)07700211畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于ARM的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名李洋專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)電子與信息工程系指導(dǎo)教師魯維佳電子與信息工程系2011 年 6月6日基于ARM的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)The Design and Realization of Remote Data Acquisition System Based on ARM摘 要本文介紹了一種基于ARM和nRF401的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，下位機(jī)以AT89S52為中心控制單元。AT89S52接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的采集溫濕度的指令后，通知溫濕度傳感器SHT11采集溫濕度，然后一方面是利用LCD顯示模塊顯示采集的溫濕度，另一方面是利用以nRF401為核心的無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，另外通過(guò)高增益天線可使傳輸距離達(dá)到1000米以上；上位機(jī)以S3C2440微處理器為中心，以nRF401為核心的無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，指令可以控制數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)接收后，一方面利用液晶顯示觸摸屏顯示溫度濕度值，另一方面存儲(chǔ)到SDRAM中。由于上位機(jī)是基于ARM的具有良好移動(dòng)性能的類(lèi)似手機(jī)的微型控制器，因此具有體積小、成本低、易維護(hù)和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可以通過(guò)增加接收到控制端的器件和程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控。關(guān)鍵詞：SHT11；S3C2440；nRF401；AT89S52；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集 ABSTRACTThis paper mainly introduce a method of remote wireless date acquisition system based on ARM and nRF401,the slave machine takes microprocsser AT89S52 as the receives the instructions which sends by the master machine,AT89S52 notices temperature and humidity sensor SHT11 to measure temperature and on the one hand ,the system uses the LCD display module to display temperature and humidity。on the other hand , it uses the nRF401 as the core in the wireless transmission module for the remote wireless data transmission. What is more,through the highgain antenna,the the transmission distance can be extended to more than 1,000 meters . The master machine is centered on S3C2440 microprocessor, which takes the NRF401 as the core of the wireless transmission module for remote wireless instructions to send instructions and receive instructions can control data the acquisition of data. After receiving data,on the other hand, it uses liquid crystal display (LCD) touch screen to display temperature and humidity value。 on the other hand,the vlaue can be stored to SDRAM. The master machine which is similar to phone are based on the ARM with good performance of the moving of miniature controller, therefore it has the advantages of small volume, low cost, easy maintenance and high stability. This system can be applied in all kinds of wireless data acquisition system, and also through increasing devices and control programs can realise the function of monitoring.Keywords: SHT11 。 S3C2440。 nRF401。 AT89S52。 remote data acqusition目 錄第一章 概述 1 研究背景 1 研究課題國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題 1 本課題研究的主要內(nèi)容 2 硬件設(shè)計(jì) 2 軟件設(shè)計(jì) 2第二章 系統(tǒng)原理 3 硬件平臺(tái) 3 嵌入式微控制器 3 嵌入式微處理器 4 軟件平臺(tái)方案 5 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 5 Windows CE操作系統(tǒng) 6 系統(tǒng)總體介紹 6第三章 硬件設(shè)計(jì) 8 溫濕度采集模塊 8 數(shù)字溫濕度傳感器SHT11 8 本模塊總體介紹 8 電源模塊 9 LM317芯片 9 78L05芯片 9 電源模塊介紹 10 下位機(jī)液晶顯示模塊 10 DM12864M顯示模塊 10 液晶顯示模塊 11 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 12 nRF401芯片 12 無(wú)線傳輸模塊介紹 14 ARM外接存儲(chǔ)器模塊 15 外接NAND FLASH 15 外接SDRAM 15 上位機(jī)顯示模塊 16第四章 軟件設(shè)計(jì) 18 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 18 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì) 19 下位機(jī)LCD顯示程序 22 nRF401數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì) 25 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 27 Windows CE移植 27 nRF401接收軟件設(shè)計(jì) 28 液晶觸摸屏顯示軟件設(shè)計(jì) 29第五章 總結(jié) 31致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35 35 36 38第一章 概述 研究背景隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷的飛速發(fā)展，電子、數(shù)字技術(shù)已經(jīng)廣泛滲透到各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，各種基于電子、數(shù)字技術(shù)的設(shè)備層出不窮。但是，自然界中絕大多數(shù)物理信號(hào)都是模擬信號(hào)，因此要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理加工，就必須先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這就是數(shù)據(jù)采集所要完成的任務(wù)，完成相應(yīng)任務(wù)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng) DAS(Data Acquisition System)。數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段。數(shù)據(jù)采集是指將溫度、濕度、壓力、流量、位移、電壓、電流等模擬量采集、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分地廣泛。例如，對(duì)于某些制造類(lèi)企業(yè)，毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)據(jù)的采集是保證企業(yè)管理系統(tǒng)正常運(yùn)行的的關(guān)鍵所在。建立連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以避免傳統(tǒng)手工信息錄入方式造成的數(shù)據(jù)滯后和錯(cuò)誤，對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平有很大的幫助。通常，在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集和控制監(jiān)控結(jié)合在一起，形成一套完整的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)。通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由各種類(lèi)型的傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及下位機(jī)等將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和簡(jiǎn)單信號(hào)處理，然后通過(guò)有線或無(wú)線的方式發(fā)送到上位機(jī)終端（通常為計(jì)算機(jī)或服務(wù)器）。再通過(guò)上位機(jī)控制下位機(jī)的，完成數(shù)據(jù)采集，而且在上位機(jī)中可以利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及顯示等功能。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及不斷完善，目前數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程的自動(dòng)化已滲透到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個(gè)部分。采集過(guò)程自動(dòng)化內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備“即插即用”，數(shù)據(jù)發(fā)布的自動(dòng)化，消息發(fā)布機(jī)制等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展和新技術(shù)的介入使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越復(fù)雜、應(yīng)用越來(lái)越廣泛、實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng)、操作性越來(lái)越簡(jiǎn)便。在實(shí)際中，溫度、濕度是非常重要的指標(biāo)。比如在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的許多場(chǎng)合像溫室、冷凍室等對(duì)溫度和濕度有著嚴(yán)格的要求。再比如，在未來(lái)的智能家居中，為了人們的身心健康，溫濕度也會(huì)變成重要的參數(shù)，只有在合適的溫濕度中，人才會(huì)感到身體舒服，心理愉悅。因此在許多方面，需要對(duì)進(jìn)行溫度、濕度的采集, 并且根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制輸出。而且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展, 單片機(jī)，嵌入式等相關(guān)電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域隨之不斷擴(kuò)展?，F(xiàn)在利用單片機(jī)和傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的精確測(cè)量, 大大提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平,并且成本較低, 應(yīng)用十分廣泛。 研究課題國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題目前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)水準(zhǔn)越來(lái)越高，相應(yīng)成本也隨之提高，應(yīng)用前景便有了一定界限。而且通常的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)一般為PC，即便是筆記本電腦，其移動(dòng)性能還是很差，遠(yuǎn)不如手機(jī)類(lèi)型的上位機(jī)方便。而且手機(jī)類(lèi)型的上位機(jī)有著體積小、成本低、易維護(hù)和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。因此本文提出的基于ARM的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)不是計(jì)算機(jī)而是基于ARM(Advanced RISC Machines)的具有良好移動(dòng)性能的類(lèi)似手機(jī)的微型控制器。這也是本文的創(chuàng)新點(diǎn)所在。另外，通常傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式是通過(guò)有線的通信線路來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸( 常見(jiàn)的有RS485總線結(jié)構(gòu)等)的,這種方式不僅施工麻煩、費(fèi)用高,而且出現(xiàn)故障時(shí)不易排查,越來(lái)越不能滿(mǎn)足現(xiàn)代各行業(yè)快速發(fā)展的需求。而隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸距離越來(lái)越遠(yuǎn)，性能越來(lái)越好，無(wú)疑，在未來(lái)無(wú)線傳輸方式將成為不可替代的方式。而且無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸具有不用布線、實(shí)時(shí)性好、容易重新部署等優(yōu)點(diǎn),非常適用于現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。因此,本文討論了一種使用無(wú)線通信方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案, 以溫度濕度為采集樣例，該方案不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)施工的難度和復(fù)雜度,還可以降低成本,方便系統(tǒng)的維護(hù)。而且本文還利用高增益天線擴(kuò)展了nRF401的通信距離。由于無(wú)線數(shù)據(jù)通信不用布線、快速布局的特點(diǎn)，因此具有有線數(shù)據(jù)通信無(wú)法比擬的便捷性,在特殊場(chǎng)合具有無(wú)法替代的作用，在未來(lái)將發(fā)揮著特別的功能。 本課題研究的主要內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)的基于ARM的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容分為硬件和軟件兩部分。 硬件設(shè)計(jì)下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)是以單片機(jī)AT89S52為核心，利用溫濕度傳感器SHT11采集溫度濕度，利用nRF401及外圍器件進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和命令接收，并且用12864顯示數(shù)據(jù)，用以與接收的數(shù)據(jù)的對(duì)比。上位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)是以ARM微處理器S3C2440及外圍器件為核心，以nRF401及外圍器件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和命令發(fā)送，用液晶顯示模塊進(jìn)行對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示。 軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)用AT89S52單片機(jī)為控制中心，包括溫濕度傳感器SHT11的數(shù)據(jù)采集程序，nRF401的發(fā)送接收程序以及DM12864M的顯示程序。 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)以ARM微處理器S3C2440為控制中心。軟件設(shè)計(jì)在Windows CE系統(tǒng)上，包括nRF401的發(fā)送接收程序以及液晶顯示模塊的顯示程序。第二章 系統(tǒng)原理 硬件平臺(tái)本文論述的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的控制器為嵌入式處理器，嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心器件。目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)一千多種，包括各種不同的型號(hào)和封裝形式。流行的體系結(jié)構(gòu)也有 30 多個(gè)。嵌入式處理器主要分為 3 類(lèi)：嵌入式微控制器(單片機(jī))、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(嵌入式 DSP 處理器)、嵌入式微處理器（最常用的為ARM）。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的為嵌入式微控制器（單片機(jī)AT89S52）和嵌入式微處理器(ARM系列S3C2440)，其中，嵌入式微控制器用在下位機(jī)，而嵌入式微處理器用在上位機(jī)。 嵌入式微控制器將整個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中，便組成了嵌入式微控制器。當(dāng)然這種簡(jiǎn)約化的系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)、功能要少很多，而且只是集成一些必須的器件。嵌入式微控制器一般是以微處理器內(nèi)核為核心，內(nèi)部集成各種必要功能和外設(shè)的芯片。通常為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一個(gè)系列的單片機(jī)會(huì)有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生品處理器內(nèi)核都是一樣的，所不同的是存儲(chǔ)器及外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地與應(yīng)用需求相匹配，從而可以很好地控制功耗和成本。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。嵌入式微控制器的典型代表為單片機(jī)，從70年代末至今，雖然僅僅只有30年左右的歷史，但是這種8位機(jī)目前應(yīng)用極其廣泛。一般單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗、I/0、串行口，脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、E2PROM、Flash RAM等必要外設(shè)和功能。單片機(jī)的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，因此功耗和成本下降、可靠性提高。又因?yàn)槠贤庠O(shè)資源比較豐富，適合控制，所以被稱(chēng)為微控制器。由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)異的性能，因此所擁有的品種和數(shù)量很多，比較有代表性的有805MCS25C166/16P51XA、C540/541等，并且支持I2C、CANBUS、LCD等眾多專(zhuān)用MCU及其兼容系列。在本系統(tǒng)中作為數(shù)據(jù)采集端的控制中心，所用的芯片是AT89S52單片機(jī)。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗高性能的CMOS8位嵌入式微控制器，內(nèi)置8KB閃存。該芯片采用Atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令與采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集兼容。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（8KB閃存）允許重復(fù)在線編程，允許其在系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)SPI串行口改寫(xiě)或用同樣的非易失性存儲(chǔ)器改寫(xiě)。通過(guò)把通用的8位CPU與可在線編程下載的Flash集成在一個(gè)芯片上，便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。其應(yīng)用范圍廣，可用于解決較復(fù)雜的控制問(wèn)題，且成本較低。AT89S52的主要特性：兼容MCS51產(chǎn)品，8K字節(jié)可擦寫(xiě)一千次左右的在線可