【正文】 elopment of the technologies of microelectronics，puter and work， in modem time data acquisition and control system has been embedded mode instead of the traditional mode and industrial Personal pute The embedded system Plays an important and exclusive role in the industrial data acquisition and control system主要有三大模塊：電路板設(shè)計(jì)，傳感器選擇和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的 ARM 系列芯片屬于中高端的嵌入式微處理器，其基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī) CPU，具有體積小、重量輕、成本低及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且一般在工作溫度、抗電磁干擾及可靠性等方面都做了加強(qiáng)。技術(shù)具有性能高、成本 低和能耗省的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集與處理在傳統(tǒng)的過(guò)程控制系統(tǒng)以及嵌入式多媒體設(shè)備如音頻、視頻信號(hào)處理中占據(jù)著十分重要的地位，是實(shí)現(xiàn)各類現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)、準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)數(shù)字化的必要 環(huán)節(jié)。通過(guò)溫度傳感器和電流傳感器采集到供電系統(tǒng)的溫度信號(hào)和電量信號(hào)，傳輸?shù)交谖⑻幚砥?S3C2410A的芯片所構(gòu)成的電路系統(tǒng)裝置進(jìn)行信號(hào)處理。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。然而國(guó)內(nèi)的個(gè)人數(shù)字處理 (PDA)市場(chǎng)火爆，掌上電腦、機(jī)頂盒等產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后也獲得用戶好評(píng)，智能手機(jī)市場(chǎng)前景看好。信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇，從中可以看出未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢(shì)：嵌入式開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本，友好的用戶界面、圖像界面和靈活的控制方式等趨勢(shì)。 (2)數(shù)據(jù)采集具有移動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能。系統(tǒng)中沒(méi)有被呼叫到的分站以獨(dú)立自動(dòng)的方式控制本站內(nèi)所有高壓真空配電裝置內(nèi)的智能采集器，并不受主控計(jì)算機(jī)通信的影響。圖 嵌入式系統(tǒng)的概述 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)己 所謂嵌入式系統(tǒng) (EmbeddedSystem)，實(shí)際上是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱，它是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。這個(gè)定義是從應(yīng)用方面考慮的，國(guó)內(nèi)一般定義為 :以應(yīng)用中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在工業(yè)領(lǐng)域中，使用嵌入式技術(shù)的數(shù)字機(jī)床、能工具、工業(yè)機(jī)器人等正在改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。 ● 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 7 固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，而不是存儲(chǔ)于磁盤等載體 。 嵌入式 系統(tǒng)的組成 圖 典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件 嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、外設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等幾大部分組成。嵌入式處理器可分為 : ● 低端的微控制器 (MCU):俗稱單片機(jī)，最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，而使功耗和成本下降，可靠性提高。 ● 通信領(lǐng)域 DSP 處理器 (DSP):因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令的 特殊設(shè)計(jì)，DSP 適合于行 DSP 算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。 除了嵌入式處理器以外還有用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能他部件。 (2)嵌入式系統(tǒng)的軟件 如圖 所示，嵌入式軟件系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩大部分 : 圖 典型嵌入式系統(tǒng)基本組成 — 軟件 在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開(kāi)發(fā)更 方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等，即嵌入式操作系統(tǒng)。由于嵌入式應(yīng)用對(duì)成本十分敏感，因此 ，為減少系統(tǒng)成本，除了精簡(jiǎn)每個(gè)硬件單元的成本外，應(yīng)盡可能地減少應(yīng)用軟件的資源消耗，盡可能地優(yōu)化。 (3)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，系統(tǒng)精簡(jiǎn)；操作系統(tǒng)一般和應(yīng)用軟件集成在一起，量體裁衣、去除冗余。 嵌入式系 統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號(hào)處理與控制 ,目前己經(jīng)在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)生活各領(lǐng)域普及應(yīng)用，工業(yè)控制、交通管理、信息家電、山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 11 家庭智能管理、 POS 網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、環(huán)境檢測(cè)、機(jī)器人等領(lǐng)域，無(wú)不有它的蹤影。就嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)和市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，國(guó)外發(fā)展速度極快，技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)格局基本形成 。在國(guó)內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵硬件主要靠國(guó)外引進(jìn)，技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱。進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)有 windowCsE、 vxworks、 QNX 等，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品有 Deltasystem、 Hopen 等。 ● 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 ● 友好的用戶界面、圖像界面和靈活的控制方式。 AT91RM9200 是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)，它片內(nèi)以太網(wǎng)、 EBI、 MCI、 SSC 和 SPI 等多種通信接口， 200MIPS 的處理速度管理使這款芯片 非常適合于系統(tǒng)控制領(lǐng)域 AT91RM9200 的結(jié)構(gòu)如圖 。 ● 支持在線仿真 (JTAG)。 ● 4 個(gè)可編程的外部輸出時(shí)鐘信號(hào) 。 ● 7 個(gè)外部中斷源和 1 個(gè)快速中斷源 。 ● 發(fā)送和接收分別集成了 28 字節(jié)的 FIFO 和專用 DMA 通道 。 ● ZKB 可配置的集成 FFI 氏 (8)多媒體卡接口 MCI ● 自動(dòng)協(xié)議控制和快速數(shù)據(jù)傳輸 。 ● 支持 32 位的高速數(shù)據(jù)流傳送 。 ● USARTI 口包括一個(gè)完整 Mdome 的所有控制信號(hào) 。 ● 支持 ATMEL 公司所有兩線串行 EEPRMO。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)方面的功能： ● 數(shù)據(jù)采集：按照一定的采樣頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，也可以直接對(duì)數(shù)字信號(hào)和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行采樣。 ● 開(kāi)關(guān)量處理：主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)變化，開(kāi)關(guān)信號(hào)主要來(lái)自各種開(kāi)關(guān)器件，如按鈕和繼電器觸點(diǎn)。 ● 打印輸出：定期將各種數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式打印出來(lái)。數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)包括對(duì)采集的各種信號(hào)做物理量解釋，消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)和分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征。 轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)的電路。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 ,沒(méi)有轉(zhuǎn)換電路 ,如壓電式加速度傳感器 ,其中質(zhì)量塊是敏感元件 ,壓電片 (塊 )是轉(zhuǎn)換元件。 按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理 的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量 .在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 傳感器的量程范圍 是和靈敏度緊密相關(guān)的一個(gè)參數(shù)。 如被測(cè)量是一個(gè)向量時(shí)，則傳感器在被測(cè)量方向的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；如果被測(cè)量是二維或三維向量，那么對(duì)傳感器還應(yīng)要求交叉靈敏度愈小愈好 ● 傳感器的線性范圍 任何傳感器都有一 定的線性范圍， 在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。因?yàn)閭鞲衅魈幱跍y(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量例如，機(jī)械式傳感器的彈性元件，其材料的彈性限是決定測(cè)量量程的基本因素。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變化范圍、 令其非線性誤差在允許范圍以內(nèi)。而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器等，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，往往由于機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低。 ● 傳感器其它選用原則 傳感器在實(shí)際測(cè)試條件下的工作方式，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。采用電容式、渦流式等非接觸式傳感器，會(huì)有很大方便。例如，在加工過(guò)程中，若要實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的檢測(cè)，以往的干涉法、觸針式輪廓檢測(cè)法等都不能應(yīng)用，而代之以激光檢測(cè)法。傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置。因此原理及其輸出信號(hào)，需要相應(yīng)的測(cè)量電路來(lái)測(cè)量這些電信號(hào)。下面兩節(jié)對(duì)本設(shè)計(jì)中用到的傳感器的選型作了具體介紹。 ● 可靠性強(qiáng)：平均無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)，大于 50000 小時(shí)。 ● 寬量程：電流： 0 ～ 1000A ，電壓 0 ～ 1000V （ DC 、 AC ） 。 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 24 另外，本系列產(chǎn)品具有精度高、體積小、功耗低、通頻帶寬、性價(jià)比高等特點(diǎn)。為了克服上面提到的三個(gè)問(wèn)題， 在本智山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 25 能采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 采用了新型數(shù)字溫度傳感器 DS18 B 20 。 該溫度計(jì)提供 9 位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。 讀、寫(xiě)和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。具體來(lái)說(shuō)， DS18B20 具有如下特性： ● 獨(dú)特的單線接口，只需 1 個(gè)接口引腳 即可實(shí) 現(xiàn)微處理 器與 DS18 B 20 的雙向通 信 。 ● 不需備份電源。 等效的華氏溫度范圍是 67 ℉ 至 257 ℉ ，增量值為 ℉ 。 ● 告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況）。 64 位光刻 ROM 的排列是：開(kāi)始 8 位（ 28H ）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 D S18B 自身的序列號(hào)，最 后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1 ）。因?yàn)?DS18B20 的工作電流高達(dá) 1mA， 5K 的上拉電阻將使 I/O 線沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。即發(fā)生溫度變換時(shí)，在 I/O 線上提供一強(qiáng)的上拉。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在 I/O 線上不要求強(qiáng)的上拉。因此為保護(hù) TLC2543 芯片，設(shè)計(jì)中在傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器之間加入了調(diào)整電路。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 29 而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要 達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖，起到承上啟下的作用。 模擬量（電壓、電流）輸入電路原理圖如圖 所示： 圖 電壓、電流模擬量輸入電路 前端調(diào)理電路 由于輸入的模擬信號(hào)變化范圍較大，通常不是 AD 芯片所要求的范圍，在高精度、山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 30 高要求的 AD 采樣電路中，為使輸入的模擬信號(hào)與 AD 采樣所需求的信號(hào)相匹配，通常在 AD 采樣電路前加入前端調(diào)理電路，以縮放和平移要采樣的信號(hào)，從而使調(diào)理后的信號(hào)適合 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入要求。本章主要介紹各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。所謂并行總線就是 N 位一次傳送的總線，因此傳送速度快。常用的串行接口總線有 SPI、 I2 C 等?；谏鲜?SPI 串行通信所具備的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用的是 SPI 串行接口總線 1101 一 1111。關(guān)閉模式也可以降低功耗，但這時(shí)傳輸速率也會(huì)降低。當(dāng)把 MAX1241 的模式控制端 SHDN 置低時(shí)，芯片處于關(guān)閉模式或稱休眠模式，此時(shí)工作電流低于 15? A，置高后，它能在 4? s 內(nèi)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)。在 CS 的下降沿，采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，而且轉(zhuǎn)化正式開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一段內(nèi)部轉(zhuǎn)化時(shí)間后，轉(zhuǎn)化結(jié)束的標(biāo)志是 DOUT 信號(hào)置高。外加的三只電阻允許用戶設(shè)置從 1~10000 的任何增益。 AD7502是一只四路 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)信號(hào) AO、 A1 和 NRB4QE 選擇同步切換模擬開(kāi)關(guān)，如表 可看出根據(jù) AO、 A1 的變化 Rf 和 R。 如圖 (一 )，一共有八路模擬量輸入，每一路包括熱電偶、熱電阻、電流 /電壓信號(hào)，通過(guò)跳線選擇其中的一種進(jìn)行輸入，這八路模擬信號(hào)送到多路開(kāi)關(guān) 4051 上。 此后出來(lái)的模擬量，經(jīng)過(guò)串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1241,轉(zhuǎn)換為 0~4095 數(shù)字量 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 38 圖 .42A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 39 4. 2 D/A 通道模塊的硬件設(shè)計(jì) 在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，被測(cè)參數(shù)經(jīng)采樣處理之后，還需要計(jì)算并輸出控制，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇 基于性價(jià)比以及工程要求的考慮，本系統(tǒng)采用 DAC0832 普通型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 DAC0832 一共20 個(gè)管腳，各管腳描述如表 所示。