基于嵌入式技術(shù)的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　1． 引言

　　嵌入式系統(tǒng)是能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)的軟、硬件綜合體，且多數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)是緊密結(jié)合在一起的。選配好RTOS（Real-Time Operating System）開發(fā)平臺(tái)，就能合理的實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)資源利用。

　　嵌入式系統(tǒng)較一般單片機(jī)系統(tǒng)而言，軟件資源利用率較高，開發(fā)周期短；系統(tǒng)精度較高；實(shí)時(shí)性也更好。特別適合于數(shù)據(jù)處理量較大，有聯(lián)網(wǎng)、通信等要求的場合。

　　為了利用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)分布式多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)，本文做了一些前期的嘗試和開發(fā)工作。結(jié)合可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)造了一個(gè)具有溫度測量、相關(guān)數(shù)據(jù)處理以及與上位機(jī)通信等功能的現(xiàn)場溫度測量單元，上位機(jī)則主要完成系統(tǒng)監(jiān)控和人機(jī)交互等功能。

　　2． 系統(tǒng)組成及工作原理

　　溫度測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　本文中，下位機(jī)由嵌入式系統(tǒng)組成。根據(jù)實(shí)際需要，其核心采用了低端的LPC2104芯片。它包含一個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-S CPU，128K 字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器和64K字節(jié)SRAM以及片內(nèi)總線。數(shù)字式溫度傳感器DS18B20連到LPC2104的一個(gè)GPIO管腳P0.8上。LPC2104通過該管腳發(fā)送命令和接收溫度值，并對(duì)讀到的溫度值進(jìn)行數(shù)字濾波、二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理，還設(shè)置了溫度超限報(bào)警等功能。下位機(jī)還可與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，一方面接受上位機(jī)的各種指令，另一方面，將測得的溫度值傳送到上位機(jī)。

　　上位機(jī)為PC機(jī)，通過串口與下位機(jī)相連。一方面將設(shè)定的指令以及人工干預(yù)信號(hào)發(fā)送給下位機(jī)，另一方面，對(duì)從下位機(jī)接收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，并將其以曲線的形式顯示出來。

　　DS18B20直接將測得的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，其有效引腳只有三個(gè)：DQ（數(shù)據(jù)）、VDD（電源）和GND（地）。DS18B20是通過帶5K上拉電阻的DQ線來讀取和發(fā)送信息的，它可以不外接電源，也可在VDD端外接一個(gè)3v～5.5v電源。DS18B20片內(nèi)含有ROM和RAM，ROM中保存有一個(gè)獨(dú)立的序列號(hào)，因而可將多個(gè)DS18B20同時(shí)連在一條總線上工作。

　　對(duì)DS18B20的操作有：復(fù)位；對(duì)ROM的操作（若只用一個(gè)DS18B20，則可跳過ROM匹配）；對(duì)RAM的操作，即先發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令（0x44），使DS18B20將采集到的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存到RAM中，再發(fā)送讀取存儲(chǔ)器命令（0xbe），使其將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從DQ上按照一定的時(shí)序傳送出來。傳送時(shí)，先低位后高位，最后傳符號(hào)位。

　　通過對(duì)DS18B20進(jìn)行時(shí)序分析知，復(fù)位脈信號(hào)應(yīng)為一個(gè)持續(xù)480us以上的低電平信號(hào)；寫信號(hào)應(yīng)滿足：先使DQ線降為低電平，若寫“1”，則在15us內(nèi)置DQ為高電平，若寫“0”，則仍置DQ為低電平，在兩次獨(dú)立寫時(shí)序之間至少應(yīng)保持1us的恢復(fù)時(shí)間；讀信號(hào)應(yīng)滿足：先將DQ線從高電平拉到低電平，并使其至少保持1us，因DS18B20的輸出數(shù)據(jù)將在下降沿后15us有效，故在此之前，微機(jī)必須釋放DQ線，以便讀取數(shù)據(jù)。寫、讀時(shí)序均不得小于60us。根據(jù)以上分析，可編寫出相應(yīng)的復(fù)位和讀、寫函數(shù)，調(diào)用這些函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的操作。溫度測量程序流程見圖2，相應(yīng)的溫度測量函數(shù)為Measure_Temperature()。

　　圖2  溫度測量程序流程圖

　　DS18B20的數(shù)據(jù)精度決定于它的配置（9，10，11或12位），其中12位是出廠設(shè)置。這相當(dāng)于溫度精度為0.5°C, 0.25°C, 0.125°C, 或0.0625°C。

　　除了溫度測量之外，嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)重要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。為實(shí)現(xiàn)LPC2104與PC機(jī)RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口的互連，采用了芯片MAX3232，它是為RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)的一種電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器，使用單一的+5V電源，外接4個(gè)0.1uF的電容，就可將LPC2104的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)，也可進(jìn)行相反的電平轉(zhuǎn)換。兩者之間的連接如圖3所示。

　　圖3  LPC2104與上位機(jī)的連接

　　在嵌入式系統(tǒng)的通信程序中用到了中間件（middleware），它是基礎(chǔ)軟件的一大類，屬于可復(fù)用軟件的范疇。中間件處在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫之上，應(yīng)用軟件之下，是第三方程序。其作用是為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行與開發(fā)的環(huán)境，幫助用戶靈活、高效地開發(fā)和集成復(fù)雜的應(yīng)用軟件?；谥虚g件開發(fā)的應(yīng)用程序可以方便的實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的移植。

　　本系統(tǒng)用到了串口通信中間件和數(shù)據(jù)隊(duì)列中間件，即只需要將中間件程序添加到系統(tǒng)項(xiàng)目表中去，調(diào)用中間件的接口函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)串口的通信，如：調(diào)用URAT0Init(9600)實(shí)現(xiàn)串口的初始化，其中，波特率可直接進(jìn)行調(diào)整；調(diào)用URAT0Putch(temp4)實(shí)現(xiàn)將temp4中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。當(dāng)要將應(yīng)用程序移植到其他系統(tǒng)上時(shí)，只要對(duì)這兩個(gè)函數(shù)及其他相關(guān)函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改，而無需改變應(yīng)用程序。

　　上位機(jī)的通信程序運(yùn)用了MSComm 控件，它是Microsoft公司提供的，簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，該控件提供了兩種處理通信問題的方法，本系統(tǒng)采用了事件驅(qū)動(dòng)法。當(dāng)串口發(fā)生事件或錯(cuò)誤時(shí)，MSComm控件會(huì)產(chǎn)生OnComm事件，用戶程序可以捕獲該事件進(jìn)行相應(yīng)處理。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入相應(yīng)的處理代碼。

　　利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通信的關(guān)鍵是正確設(shè)置MSComm控件的屬性和方法。以下是用VB編寫的部分設(shè)置程序：

　　Private Sub Form_Load()

　　Me.Show

　　MSComm1.CommPort = 1            //選擇串口com1

　　MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"     //設(shè)置MSComm的連接屬性

　　MSComm1.RThreshold = 2           //定義閥值為2

　　MSComm1.InBufferSize = 2

　　i = 0

　　Picture1.Visible = False

　　On Error Resume Next

　　End Sub

　　連接屬性"BBBB,P,D,S"中，BBBB 為波特率，P為奇偶校驗(yàn)，D為數(shù)據(jù)位數(shù)，S為停止位數(shù)。閥值定為2，則在接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)超過“2”時(shí)，就轉(zhuǎn)入OnComm（）事件處理程序執(zhí)行。

　　3． 嵌入式系統(tǒng)軟件

　　采用了嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II，它是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。 uC/OS-II是基于優(yōu)先級(jí)的占先式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。由于在多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序是以任務(wù)形式運(yùn)行的，操作系統(tǒng)的一個(gè)重要的作用就是任務(wù)的調(diào)度，所以要在操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的執(zhí)行，就必須建立任務(wù)，在任務(wù)中實(shí)現(xiàn)測溫和串行通信等操作。建立任務(wù)如下：

　　#include "config.h"

　　#define  TASK_STK_SIZE   64            //定義任務(wù)棧的大小為64字節(jié)

　　OS_STK  TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];   //定義任務(wù)棧

　　void  TaskStart(void *data);                //聲明任務(wù)

　　int main (void)

　　{

　　OSInit();                               //操作系統(tǒng)初始化

　　OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0); // 建任務(wù)

　　OSStart();                             //啟動(dòng)操作系統(tǒng)

　　return 0;

　　}

　　在TaskStart任務(wù)循環(huán)開始前，先進(jìn)行初始化工作，如調(diào)用中間件函數(shù)URAT0Init(9600)初始化串口、設(shè)置P0.8為GPIO等。然后，在任務(wù)循環(huán)中調(diào)用溫度測量函數(shù)Measure_Temperature()和串口發(fā)送函數(shù)URAT0Putch(uint16 data)，實(shí)現(xiàn)溫度的測量并將溫度值傳送到上位機(jī)。嵌入式系統(tǒng)程序總流程見圖4。

　　基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用中，還有一項(xiàng)重要的工作就是操作系統(tǒng)的移植和裁剪。

　　所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。 uC/OS-II的移植工作主要包括：OS_CPU.H 文件中與微處理器類型及相應(yīng)硬件有關(guān)的常數(shù)定義、宏定義和類型定義；分別用匯編語言和C語言編寫相關(guān)函數(shù)，特別是OSTaskStkInit()，在任務(wù)創(chuàng)建初期，將由其初始化任務(wù)堆棧。

　　實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪，就是只嵌入用戶程序需要的函數(shù)，這樣可以減少軟件所需的存儲(chǔ)器空間。由于uC/OS-II采用的是條件編譯。即當(dāng)條件滿足時(shí)編譯相應(yīng)的代碼，否則不編譯，故只要對(duì)編譯條件進(jìn)行控制就可以控制編譯后文件的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的裁剪。

　　4. 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

　　JTAG(Joint Test Action Group)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。目前，大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議。作為ARM的典型調(diào)試手段，JTAG除了可以設(shè)置ARM的斷點(diǎn)以外，還可以對(duì)ARM的內(nèi)核進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的讀寫（比如：下載程序到RAM或者Flash空間）。

　　ADS是ARM公司為方便用戶在ARM芯片上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)而推出的一整套集成開發(fā)工具。

　　在保證電源電路、晶振電路和復(fù)位電路正常工作的前提下，可通過JTAG接口來調(diào)試以LPC2104為核心的目標(biāo)板。在系統(tǒng)上電前，首先應(yīng)檢測JTAG接口的TMS、TCK、TDI、TDO信號(hào)是否已與LPC2104的對(duì)應(yīng)引腳相連。在保證LPC2104已正常工作的情況下，可用ADS通過JTAG接口對(duì)片內(nèi)的部件進(jìn)行訪問和控制。圖5為調(diào)試系統(tǒng)的硬件連接。

　　采用 ADS 下的工具集來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試：首先建立工程，即將用戶文件、操作系統(tǒng)文件、中間件以及目標(biāo)板的啟動(dòng)代碼依次加入到工程中；然后編譯程序和鏈接目標(biāo)代碼；再下載并調(diào)試程序。

　　經(jīng)調(diào)試，當(dāng)用手握住DS18B20對(duì)其加溫時(shí)，由上位機(jī)顯示的溫度變化曲線如圖6所示。

　　5． 結(jié)語

　　本文構(gòu)造了一個(gè)溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)用可編程數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，以嵌入式芯片LPC2104為核心，除了實(shí)現(xiàn)溫度測量及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理外，還能與上位機(jī)通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量精度和速度都符合要求。下一步的工作是，增加溫度控制功能并擴(kuò)充測控點(diǎn)數(shù)，構(gòu)造一個(gè)集中監(jiān)控的分布式溫度測控系統(tǒng)。