【正文】 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 6 計(jì)算機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”或者“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。它與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 相比具有如下的特點(diǎn) : ● 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專(zhuān)用性強(qiáng)。嵌入 復(fù)位 ROM ROM 復(fù)位 電源模塊 復(fù)位 時(shí)鐘 ROM MPU FLASH RAM 外圍電路 微處理器 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 8 式處理器與通用處理器的最大不同點(diǎn)在于其大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。 ● 高度集成的片上系統(tǒng) (Soc):Soc 在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶的任務(wù)可能有時(shí)間和精度的要求。 (5)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。硬件方面，近年來(lái)微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，處理器增長(zhǎng)速度也隨之加快，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。它的出現(xiàn)無(wú)疑為國(guó)家發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)事業(yè)提供了極有吸引力的機(jī)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 12 會(huì)。目前一些先進(jìn)的 PAD 在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但一般的嵌入式設(shè)備想達(dá)到這個(gè)要求還有很長(zhǎng)的路要走。 ● 2 個(gè)片內(nèi)振蕩器和 2 個(gè)鎖相環(huán)電路 PLL。 ● 20 個(gè)外圍數(shù)據(jù)控制通道 。 (9)3 個(gè)同步串行控制器 SCS ● 每個(gè)發(fā)送器和接收器都有單獨(dú)的時(shí)鐘和幀同步信號(hào) 。 ● 4 條外部片選線 。由各種傳感器獲得的低電平信號(hào)或者由儀器、變送器輸出的小電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確性判斷、標(biāo)度變換及線性化等處理工作。 數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處 理和二次處理。 有些傳感器很復(fù)雜 。 按轉(zhuǎn)換過(guò)程是否可逆，分為雙向傳感器、單向傳感器。有些需在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行的測(cè)試工作，被測(cè)信號(hào)疊加干擾信號(hào)后也不應(yīng)迸入非線性區(qū)。 然而任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性，在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。 ● 傳感器的穩(wěn)定性 傳感器的穩(wěn)定性 是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。 另外，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程的控制與檢測(cè)系統(tǒng)，往往要求真實(shí)性與可靠性。各種傳感器的變換原理、結(jié)構(gòu)、使用目的、環(huán)境條件雖各不相同，但對(duì)它們的主要性能要求都是一致的。 傳感器的性能指標(biāo)包括很多方面，企圖使某一傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)良，在實(shí)用上沒(méi)有必要。 ● 安裝方便： DIN 導(dǎo)軌式安裝或 PCB 插針式安裝 。 電壓傳感器同理 圖 產(chǎn)品型號(hào) 精度等級(jí) 輸出類(lèi)型 輸出標(biāo)稱(chēng)值 響應(yīng)時(shí)間 負(fù)載能力 靜態(tài)電流 溫漂 結(jié)構(gòu)類(lèi)型 電源 產(chǎn)品級(jí)別 輸入標(biāo)稱(chēng)值 WBI411S07 0.1 VC V 5V 15 ?S 5mA 5mA 50 S0 )15(12 VV ?? 空/I S44?穿心 電 壓電 流傳感器接線表 (2) 溫度傳感器 溫度傳感器選用 DS18 B 20 數(shù)字溫度傳感器。 DS18 B 20 是世界上第一片支持 “ 一線總線 ” 接口的溫 度傳感器。 ● 可用數(shù)據(jù)線供電。 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 26 ● 在 1 秒（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 。向 DS18B20 供電的另外一種方法是外接電源供電方式。電壓傳感器、電流傳感器的輸出電壓經(jīng)可調(diào)電阻進(jìn)行嚴(yán)格的比例分壓調(diào)整，即統(tǒng)一調(diào)整傳感器輸出的 2/3，同時(shí)在購(gòu)買(mǎi)傳感器時(shí)，已要求廠家進(jìn)行了輸出飽和值的限壓調(diào)整，即要求各傳感器最大飽和輸出電壓為 。圖中 1 腳、2 腳相連即構(gòu)成一路電壓跟隨器電路。能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并且輸入到 CPU是一個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。目前眾多生產(chǎn)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) 32 混合信號(hào)器件的半導(dǎo)體廠商紛紛推出了帶有 SPI 接口的器件，包括串行 A/D和串行 D/A 等等，此類(lèi)器件用串行接口總線代替以往的并行接口總線，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，節(jié)省了系統(tǒng)的 I/0。這 3 線分別是片選線 CS，數(shù)據(jù)線 DOUT，時(shí)鐘信號(hào)線 SCKL。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所要采集的模擬信號(hào)從 lmV 不等，而模山東科技大學(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) 35 數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX1241 的輸入要求在 0~，所以要求運(yùn)算放大器增益的范圍從 1 到 1000，為了滿足這個(gè)要求，本系統(tǒng)選用了 AD625JN 可編程放大器。 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) 36 EN A0 A1 Rf Rg 1 0 0 R1 2? (R1+R2+R3+R4)+R5 1 0 1 R2 2? (R3+R4)+R5 1 1 0 R2+R3 2? R4+R5 1 1 1 R2+R3+R4 R5 表 編碼信號(hào)選擇電阻表 根據(jù)公式 G=1+ZRf/Rg 可計(jì)算出滿足 G 為 1， 10， 100， 1000 時(shí)所需要的各個(gè)電阻值。在上述例子中控制閥一般需要電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常由 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出來(lái)控制?；蛘呖捎?=0,瓦 =0, ILE=輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而麗反乏和萬(wàn)麗端接負(fù)脈沖信號(hào)，可達(dá)同樣的目的。1。如圖 (二 )從 0~7 八路中 選通一路送到增益可編程儀用放大器 AD625，一共有四種可變?cè)鲆?，根?jù)需要通過(guò) I/O 口控制所選擇的增益大小。AD625JN 一共有 16 個(gè)引腳，其引腳描述如表 所示。 下面簡(jiǎn)單介紹一下 MAX1241 的轉(zhuǎn)換過(guò)程，在開(kāi)始加電 20ms 內(nèi)不要有任何轉(zhuǎn)換工作。 MAX1241 是低功耗， 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有 8 個(gè)管腳 (如表 )，工作電壓為 +~5V，連續(xù) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 ? s，跟蹤時(shí)間為 ? s，片上自備時(shí)鐘及采樣保持電路。而串行總線只需要一條傳輸線，所以線路簡(jiǎn)單，但是相對(duì)傳送速度比較慢。 ++A G N DR 34 KI NR 42 0 K56U 1 0 8 BL M 3 5 8R 21 0 KC 10 . 1 μ F 5 V+ 5 VC 20 . 1 μ F48L M 3 5 8U 1 0 8 AR E F O U T7R 51 KR 61 KC H 1 +C H 1 23R 12 K 圖 信號(hào)調(diào)理電路山東科技大學(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) 31 4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本論文的 ARM 板卡采用的是模塊式結(jié)構(gòu)，具有通用性強(qiáng)， 系統(tǒng)組態(tài)靈活等特點(diǎn)，因而具有廣泛的適用性。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及 隔離級(jí)。 μ P+ 5 V4 . 7KI / OVDDD S 1 8 2 0G ND+ 5 V 強(qiáng)上拉在溫度變換時(shí)間內(nèi)向 DS18B20 供電 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 28 μ P+ 5 V4 . 7 KI / OVD D+ 5 VD S 1 8 2 0其 它 D S 1 8 B 2 0 單 總 線 圖 使用 VDD 提供溫度變換所需電流 傳感器信息采集設(shè)計(jì) TLC2543 芯片雖然具有精度高、轉(zhuǎn)換快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但它有一個(gè)不足之處，即每路輸入電壓不可高于其電源電壓，為和單片機(jī)可靠連接，電源只能選用 5V。有兩種方法確保DS18B20 在其有效變換期內(nèi)得到足夠的電源電流 [35]。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度 告警觸 發(fā)器 TH 和 TL 、配置寄存器。 DS18B20 支持 3 V ～ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。B0ARD ）專(zhuān)利技術(shù)。 ● 原邊與副邊之間高度絕緣，隔離電壓 。經(jīng)過(guò)調(diào)研和 用戶反映，這兩種傳感器選用西南自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的 WB 系列傳感器。傳感器輸出信號(hào)有很多形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸傳感器的原理確定。這些環(huán)境因素超限時(shí)都會(huì)給煤礦安全生產(chǎn)和礦工的生命造成威脅。 在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)參數(shù) (例如回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、扭矩 )，往往需要非接觸式測(cè)量。但實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一遲延，但遲延時(shí)間越短越好。 為了保證測(cè)量的精確度，傳感器必須在線性區(qū)域內(nèi)工作。但靈敏度越高，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會(huì)被放大。 傳感器的分類(lèi) 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電阻 敏感元件 +12V 被測(cè)量 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 19 按傳感器的工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型和生物型。 傳感器通常由三部分組成： 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 18 敏感元件： 直接感受被測(cè)量 ,輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系。 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 17 ● 屏幕顯示：顯示信號(hào)波形、趨勢(shì)圖、模擬圖、相關(guān)性等曲線。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的主要任務(wù)就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的加工，并將處理結(jié)果進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的測(cè)量和監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制某些物理量。 ● 硬件和軟件握手協(xié)議 。 ● 集成 FFIO 和專(zhuān)用 DMA 通道 。 ● 專(zhuān)用調(diào)試單元，兩線 UATR 的調(diào) 試通道 。 ● 16KB 的高速數(shù)據(jù)緩存， 16KB 的高速指令緩存 。 ● 精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。軟件方面，作為嵌入式系統(tǒng)核心的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。 嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 嵌入式系統(tǒng)正處于一個(gè)飛速發(fā)展激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)與 PC 最大的不同就是嵌入式 CPU 大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，能夠把 PC 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)。 ● 接口 :應(yīng)用最廣泛的包括并口、 RS 一 232 串口、 IDrA 紅外接口、 SPI 串行外設(shè)備接口、 I， C(InterIC)總線接口、 USB 通用串行總山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 9 線接口、 Ether 接口等。 ● 中高端的嵌入式微處理器 (EMPU):其基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CUP 具有體小、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、抗電磁干擾可靠性等方面都做了加強(qiáng)。 ● 對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高，應(yīng)該盡最大可能避免“死機(jī)”的發(fā)生 。隨著國(guó)內(nèi)外嵌式產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來(lái)越和人們的生活緊密關(guān)聯(lián)。地面主控計(jì)算機(jī)還可通過(guò)向采區(qū)變電所分站發(fā)控制命令，控制某智能采集器輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)真空配電開(kāi)關(guān)的復(fù)位、合閘或分閘。在此基礎(chǔ)上，本論文所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有以下的要求 : (l)多通道模擬量采集。在國(guó)外，嵌入式 CUP 的處理能力提升較快，由 8 位、16 位升級(jí)到 32 位，掌上電腦、 PAD、智能手機(jī)等新產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是處理速度慢、系統(tǒng)資源有限、實(shí)時(shí)性能較差。 課題研究的意義 本課題的目的是運(yùn)用 ARM 實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井供電系統(tǒng)的信息采集。ARM9。本論文最終能夠?qū)崿F(xiàn)下面幾個(gè)功能 :8 路模擬量的采集， 2 路數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出控制， 8路開(kāi)關(guān)量的輸入輸出， RS232 的串口通訊，以及以嵌入式板卡為服務(wù)器的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和 U 盤(pán)在無(wú) CP機(jī)板卡上的數(shù)據(jù)傳輸。本論文設(shè)計(jì)的具有數(shù)據(jù)采集與控制等多種功能的測(cè)控平臺(tái)包括以下幾個(gè)部分 :基于 SPI 串行接口設(shè)計(jì)的 8路 A/D 模擬量采集硬件電路，基于 EBI 并行接口設(shè)計(jì)的 2路 D/A 模擬量輸出硬件電路，以及采用 POI 接口設(shè)計(jì)的 8 路開(kāi)關(guān)量輸入輸出硬件電路，