维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第６期 电子工程师 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．６ ２００８年６月 ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ ＥＮＧＩＮＥＥＲ Ｊｕｎ．２００８ 基于ＡＲＭ７的温度采集及控制系统 罗家奇，张正华 （扬州大学信息工程学院，江苏省扬州市２２５００９） 摘 要：目前的温度采集及控制系统内部芯片采用单片机，采集终端硬件功能简单，芯片性能低， 软件设计复杂，终端设备软件无底层操作系统，任务调度需由程序设计者设定，系统升级困难。基于 ＡＲＭ７的温度采集及控制系统运用Ｓａｍｓｕｎｇ公司的ＡＲＭ Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ０１硬件平台，配置嵌入式￣ＣＬｉｎｕｘ 操作系统，选用两端式温度／电流传感器ＡＤ５９０，构成的温度采集及控制系统。具有高精度多路采集， 更简单的软件设计，方便的软硬件功能修改、扩充、升级等优点，满足了系统实时性需求，有效地解决 了温度采集及控制系统中的问题。 关键词：ＡＲＭ Ｓ３Ｃ４４ Ｂ（】Ｘ（】１；温度采集及控制；Ａ／Ｄ转换 中图分类号：ＴＰ２７４．２ ０引言 模 拟 多 随着现代社会的发展，人们对温度采集及控制系 路 开 统的要求也越来越高。重点体现在系统的多路采集、 关 实时性、软件设计、精度、升级等方面。目前各大商场 图１系统结构框图 宾馆普遍应用的空调以及粮库采用的温度采集和 控制等设备，其温控系统的内部芯片普遍采用单片机， ２系统硬件环境 具有采集终端硬件功能简单、芯片性能低、软件设计复 杂、终端设备软件无底层操作系统、任务调度需由程序 ２．１ ＡＲＭ开发平台 － 设计者设定、系统升级困难等缺点。随着芯片技术和 基于ＡＲＭ７的嵌入式开发平台，运行Ｉ￣Ｃ／ＯＳ－Ⅱ和 嵌入式操作系统的发展，基于ＡＲＭ７的温度采集及控 ￣ＣＬｉｎｕｘ双操作系统，具有完善的软硬件资源。 制系统运用Ｓａｍｓｕｎｇ公司的ＡＲＭ￥３Ｃ４４ＢＯＸ０１硬件 ２．２温度传感器ＡＤ５９０ 平台，配置嵌入式￣ＣＬｉｎｕｘ操作系统，具有高精度多 温度信号采集采用温度传感器ＡＤ５９０。ＡＤ５９０ 路采集，更简单的软件设计，方便的软硬件功能修改、 是利用ＰＮ结正向电流与温度的关系制成的电流输出 扩充、升级等优点，满足了系统实时性需求，有效地解 型两端温度传感器，具有良好的线性和互换性，测量精 决了温度采集及控制系统中的问题。 度高，并具有消除电源波动的特性。ＡＤ５９０的工作电 压为４ Ｖ～３０ Ｖ；工作温度为一５５℃～＋１５０℃，保存 １系统结构 温度为一６５℃～＋１７５ ｏＣ，正向电压为＋４４ Ｖ，反向电 该系统温度信号采集选择美国ＡＤ公司生产的单 压为一２０ Ｖ，焊接温度（１ ０ ｓ）为３００ ｏＣ，灵敏度为 片集成两端式温度／电流传感器ＡＤ５９０，把室内温度物 １ Ａ／Ｋ。 理量转换成模拟物理量的电流信号，并对信号进行放 被测温度一定时，ＡＤ５９０相当于一个恒流源．与 大来给Ａ／Ｄ转换器提供足够大的信号。采用运算放 ５ Ｖ～３０ Ｖ直流电源相连，并在输出端串接一个１ ｋＱ 大器把输入的电流信号转换成电压信号，电压信号再 的恒值电阻，电阻上流过的电流将和被测温度成正比， 经滤波器滤波送给Ａ／Ｄ转换器（选用Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ０１本 电阻两端将会有１ ｍＶ／Ｋ的电压信号。在利用ＡＵ 身集成的８路１０位Ａ／Ｄ转换器）进行Ａ／Ｄ转换，转 特性集成ＰＮ结传感器的感温部分核心电路中．Ｔ１、他 换结果处理后用键盈控制在ＬＥＤ（发光二极管）上显 起恒流作用，用于使左右两支路的集电极电流，。和，２ 不。 相等；Ｔ３、Ｔ４是感温用的晶体管，两管的材质和工艺相 系统结构框图如图ｌ所示。 同，但Ｔ３实质上是由ｎ个晶体管并联而成，其结面积 是Ｔ４的ｎ倍。Ｔ３和Ｔ４的发射结电压 和 经 收稿日期：２００７—１１－１７；修回日期：２００７—１２－２６。 反极性串联后加在电阻Ｒ上，所以Ｒ上端电压为 ．７３． 维普资讯 http://www.cqvip.com
・计算机与自动化技术・ 电子工程师 ２００８年６月 △ ，因此，电流， 为： ＝ 盘和ＬＥＤ通过ＺＬＧ７２８９Ａ驱动芯片连接到主芯片的 Ｉ／０口及相关的控制信号，分别用来控制显示通道的 选择和显示采集结果。整个电路的连接简单实用， 对于ＡＤ５９０，ｎ：８，电路的总电流将与热力学温度 成正比，电流引至负载电阻 上便可得到与 成正 比的输出电压。由于恒流特性，输出信号不受电源电 压和导线电阻的影响，电阻Ｒ是硅板上形成的薄膜电 ＺＬＧ７２８９Ａ驱动芯片节省了芯片的接口资源，为系统 功能的扩展留下了足够的空间。 ４系统软件环境 ａ）系统硬件电路连接图使用Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的 阻，已用激光修正了电阻值，因而在基准温度下可得到 １ Ａ／Ｋ的，值。 ２．３ Ｓ３Ｃ４４１￣Ｘ芯片 Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸＯ１是为手持设备和通用设备设计的 １６／３２位ＲＩＳＣ结构低成本高性能芯片。配置８ ｋＢ高 速缓存（Ｃａｃｈｅ）、片内ＳＲＡＭ、ＬＣＤ控制器两路带握手 功能的ＵＡＲＴ（通用异步收发器）、４路ＤＭＡ控制器、 系统管理功能（片选逻辑，ＦＰ／ＥＤＯ／ＳＤＲＡＭ控制器）、 带ＰＷＭ（脉宽调制）的定时计数器、Ｉ／Ｏ接口，ＲＴＣ （时钟）、８路１Ｏ位Ａ／Ｄ转换器、ＩＩＣ总线、ＩＩＳ总线、同 步ＳＩＯ接口和为系统提供时钟而设的ＰＬＬ（锁相环） 倍频电路等。 ２．４ Ａ／Ｄ转换器 选用￥３Ｃ４４Ｂ０Ｘ０１集成的８路１Ｏ位Ａ／Ｄ转换器。 可通过软件设置为休眠模式，减少功率损失，最大转换 速率为５００ ＫＳＰＳ（千次采样每秒），非线性度为正负１ 位。转换时间可以计算，如系统时钟为６６ ＭＨｚ，比例 值为９，则转换时间为：（６６ ＭＨｚ／２）（９＋１）／１６（完成 转换至少需要１６个时钟周期）：２０５．２５ ｋＨｚ（相当于 ４．８５ ｓ）。 ＡＲＭ芯片与Ａ／Ｄ功能相关的引脚中，ＡＩＮ［７：０］ 为８路模拟采集通道，ＡＲＥＦＴ为参考正电压，ＡＲＥＦＢ 为参考负电压，ＡＶＣＯＭ为模拟工电压。 相关的寄存器有： ａ）ＡＤＣＰＳＲ（采样比率寄存器）。可设置采样率， 最后得到的除数因子为２×（寄存器值＋１）。 ｂ）ＡＤＣＣＯＮ（采样控制寄存器）。０位是转换使 能位，写１表示转换开始；１位是读操作使能转换，写１ 表示转换在读操作时开始；２、３、４位是通道号；５位为 睡眠式设定；６位为转换标志位（只读）。可设置该寄 存器，如：ｒＡＤＣＣＯＮ＝０ｘｌ１（通道４开始转换）。 ｃ）ＡＤＣＤＡＴ（转换结果数据寄存器）。该寄存器 的十位表示转换后的结果，全为１时为满量程２．５ Ｖ。 ３系统硬件设计 数据采集电路由运算放大器的引脚６输出到主芯 片的Ａ／Ｄ输入脚ＡＩＮ１，采集的温度信号转换成电压 信号送给芯片自带的Ａ／Ｄ转换器进行Ａ／Ｄ转换。键 ・７４・ ＥＤＡ（电子设计自动化）软件Ｐｒｏｔｅ１９９进行设计，设计 过程采用自底向上的设计方法，包括Ａ／Ｄ转换模块、 ＬＥＤ液晶显示模块和键盘控制模块。 ｂ）ＡＤＳ集成开发环境是ＡＲＭ公司ＡＲＭ核微控 制器集成开发工具，支持软件调试及ＪＴＡＧ硬件仿真 调试，支持汇编、Ｃ、Ｃ＋＋源程序，具有编译效率高、系 统库功能强等特点，可在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ／ Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００以及ＲｅｄＨａｔ Ｌｉｎｕｘ上运行。由命令行 开发工具、ＡＲＭ时实库、ＧＵＩ开发环境（Ｃｏｄｅ Ｗａｒｒｉｏｒ 和ＡＸＤ）、实用程序和支持软件等组成，用户可以为 ＡＲＭ系列的ＲＩＳＣ处理器编写和调试开发的应用程 序。 Ｃ）Ｃｏｄｅ Ｗａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＡＲＭ是为基于ＡＲＭ ＲＩＳＣ处 理器设计的集成开发工具，可加速并简化嵌入式开发 过程环节，开发人员只需通过集成软件开发环境就能 研制出ＡＲＭ产品，可节省开发人员在操作工具上的 时问，有更多的精力投入代码编写。 ｄ）ＡＸＤ调试器是ＡＲＭ扩展调试器，包括ＡＤＷ／ ＡＤＵ的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真。ＡＸＤ能 够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等 调试功能，可以观察变量、寄存器和内存的数据。 ５系统软件设计 软件主要完成数据采集和转换，图２和图３分别 是转换结果函数和主函数的流程图。 图２取转换结果函数程序流程 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第６期 罗家奇，等：基于ＡＲＭ７的温度采集及控制系统 ・计算机与自动化技术・ 图３函数程序流程 数据采集部分程序如下： ｖｏｉｄ ｉｎｉｔＡＤｄｅｖｉｃｅ（） ｛／／初始化 ｒＡＤＣＰＳＲ＝２０； ｒＡＤＣＣＯＮ＝ＡＤＣＣＯＮ—ＳＬＥＥＰ； ｝ ｉｎｔ ＧｅｔＡＤｒ一 ｅｓｕｈ（ｉｎｔ ｃｈａｎｎｅ１） ｛ ｒＡＤＣＣＯＮ＝（ｃｈａｎｎｅｌ＜＜２）Ｉ ＡＤＣＣＯＮ＿ＥＮＡＢＬＥ＿ＳＴＡＲＴ； Ｄｅｌａｙ（１０）； ｗｈｉｌｅ（！（ｒＡＤＣＣＯＮ＆ＡＤＣＣＯＮ—ＦＬＡＧ））；／／转换结束 ｒｅｔｕｒｎ ｒＡＤＣＤＡＴ；／／返回采样值 ｝ ｉｎｔ ｍａｉｎ（ｖｏｉｄ） ｛ ｉｎｔ ｉ； ｌｆｏａｔ ｄ； ＡＲＭＴａｒｇｅｔｌｎｉｔ（）；／／开发台初始化 ｉｎｉｔ—ＡＤｄｅｖｉｃｅ（）； Ｕａｒｔ—Ｐｒｉｎｆｆ（”＼ｎ”）； ｗｈｉｌｅ（１） ｛ ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜＝３；ｉ＋＋） ｛／／采样０～３路Ａ／Ｄ值 ｄ＝（ＧｅｔＡＤｒｅｓｕｈ（ｉ）￥２．５ ｌＯＯＯ）／（３ １０２３）－２３７；／／ 数据采集，处理 ＵａｒｔＰｒｉｎｆｆ（”ａ％ｄ＝％ｆ＼ｔ”，ｉ，ｄ）； Ｄｅｌａｙ（１０００）； ｝ ＵａｒｔＰｒｉｎｆｆ（”＼ｒ”）； ｒｅｔｕｒｎ ０； ｝ 数据采集主程序在开发台初始化、Ａ／Ｄ转换器接 口初始化、串口通信初始化完成后，用一个死循环对 ０～３路Ａ／Ｄ的信号进行采集，采集的数据放入内存 供显示用。主函数调用获取转换结果子函数，在启动 指定通道后，延迟一段时间等待该通道数据转换结束， 如果Ａ／Ｄ转换结束，就把转换结果送主函数中规定的 内存空间，再继续采集转换。 ＡＤ５９０具有１ ｔＬＡ／Ｋ标准线性化输出，０ ｏＣ时输 出电流为２７３ ＩｘＡ，温度采集范围为０℃～３Ｏ℃，放大 器将输出电流信号放大为０ Ｖ～３ Ｖ。电压信号再转 换回温度信号的算式是： ｄ＝ 堕 ３ 采集放大后的电压信号转换成温度信号显示出 来。算式中：乘２．５是转换结果数据寄存器ＡＤＣＤＡＴ 的十位转换后的结果，全为１时满量程为２．５ Ｖ；除以 １ ０２３是把采集转换的二进制数转换成显示用的十进 制数；乘１ ０００和除以３是采集放大的倍数关系；减 ２７３是把开尔文温度转换成摄氏温度。结果采集显示 的温度与测试点用温度计测量得到的温度是相同的。 ６结果数据分析 温度采集后在超级终端中显示的的数据结果如下 （随机取一次值，显示４个通道某一时刻各自的温 度）： Ｆｉｌｅ Ｕ１２Ｘ１２ ＦＮＴ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅａｄ！Ｌｏａｄｉｎｇ １２ｘ１２ ｆｏｎｔ， ｐｌｅａｓｅ ｗａｉｔ．．． １２ｘ１２ ｆｏｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｉｎｉｓｈｅｄ Ｆｉｌｅ Ｕ１６Ｘ１６ ＦＮＴ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅａｄ！Ｌｏａｄｉｎｇ １６ｘ１６ ｆｏｎｔ， ｐｌｅａｓｅ ｗａｉｔ．．． １６ｘ１６ ｆｏｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｉｎｉｓｈｅｄ Ｌｏａｄｉｎｇ ＣｏｎＦｉｇ ｄａｔａ．．． Ｍａｔｉｒｘ：Ａｎ＝－２６７１２０，Ｂｎ＝－９６３０，Ｃｎ＝１０７１６２４３０ Ｄｎ＝１５５４０．Ｅｎ＝１９４９４０．Ｆｎ＝一３５６０６８３２０ Ｄｉｖｉｄｅｒ＝一１１３１２１４ ｅｒｒｏｒ ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ ｄａｔａ！ｓｔａｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｓｋ． ｂｅｇｉｎ ＴｏｕｃｈＳｃｒｅｅｎ Ｔａｓｋ ｂｅｇｉｎ ｋｅｙ ｔａｓｋ Ｆｉｌｅ ０ ＢＭＰ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅａｄ！ｂｅｇｉｎ ＬＥＤ Ｆｒｅｓｈ Ｔａｓｋ ！！！Ｅｎｔｅｒ ＡＢＯＲＴ ０ ＢＩＯＳ ｓｔａｒｔ：ＯＫ！ ａｌ＝１０．３２１５５６ ａ２＝１７．８９７４５６ ａ３＝３６．９５６４７３ ａ４ ＝４２．３５６５８４ 下面是对应测温点用温度计测得的温度值： ａｌ＝１０．３０，ａ２＝１７．８６，ａ３＝３６．９０，ａ４＝４２．３３。 测试温度过程中，４个通道处于不同的温度测量 点，可通过测试结果研究整个系统的性能。对比测试 结果与温度计测试结果，可以看出系统的精度符合设 计要求。随着温度变化，输出显示随之迅速改变，说明 系统的灵敏度也符合要求。 ７结束语 从上面调试的数据结果和分析可以看出，该系统 ．７５． 维普资讯 http://www.cqvip.com ・计算机与自动化技术・ 电子工蠢师 ２００８年６月 的设计效果已达到预期要求。相对于空调、粮仓 温度控制等系统的应用，通过基于ＡＲＭ的温度控制 系统节省了硬件资源，采集精度高，实时处理能力强， 编程简单，开发成本低，便于升级。可以在更多的温度 控制系统中得到更广泛的应用。 参考文献 ［３］雎丙东，等．单片机应用技术与实例［Ｍ］．北京：电子工业 出版社，２００５：２５．３１． ［４］张大波．嵌入式系统原理、设计与应用［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００５：４１６４２０． ［５］文全刚．汇编语言程序设计——基于ＡＲＭ体系结构［Ｍ］． 北京：京航空航天大学出版社，２００７：２４３．２４８． ［６］梁延贵．数字单元电路转换电路分册［Ｍ］．北京：科学技 术文献出版社，２００３． ［Ｉ］全国大学生嵌入式系统专题邀请赛组委会．全国大学生 嵌入式系统专题邀请赛优秀作品选编［Ｍ］．上海：上海交 通大学出版社，２００５． ［７］贾智平．嵌入式系统原理与接口技术［Ｍ］．北京：清华大 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ｕｐｇｒａｄｅ ｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｎｅｅｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃａｃｉｏｕｓｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ￥３Ｃ４４ＢＯＸ０１；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｎｇ；Ａ／Ｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ 瞳童瞳塞砖塞畦：曼畦：塞瞠 畦：美 ？妻蝗？ （上接第６９页） Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｘ３Ｄ ＸＩＮＧ Ａｉｆｅｎｇ （Ｊｉｎｌｉｎｇ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｈａｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｓｍａｌ１．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｅｂｓｉｔｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｍｏｓｔｌｙ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｌａｎｅ ｄｉｓｐｌａｙ．Ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｗｅｂｓｉｔｅ ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃｅｎｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｌｌｏｗ ＵＳ— ｅｒ８ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｈａｖｅ ａ ｐｒｅｓｏｎａｌ ｆｅｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｇｇｅｓｔｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｒｙ；Ｘ３ Ｄ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ ・７６・
