如何設(shè)計(jì)基于ARM的智能測(cè)溫系統(tǒng)？

引言

測(cè)溫測(cè)量和控制在當(dāng)今社會(huì)生活中扮演著至關(guān)重要的角色，國際國內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有的多種測(cè)溫技術(shù)涵蓋了安檢、市 場(chǎng)、生活、消防、科研等諸多領(lǐng)域。溫度的測(cè)量和控制在工 業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，尤其在石油、化工、電力、冶金等 重要工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度的測(cè)量和監(jiān)控是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，溫度采集器通常采用模擬溫 度傳感器，模擬信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中容易受到干擾從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，精度較高的A/D 轉(zhuǎn)換器一般價(jià)格昂貴，對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合國內(nèi)外在溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的研究現(xiàn)狀，本文進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。

本文智能測(cè)溫系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)程無線可移動(dòng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，依托于FS_S5PC100開發(fā) 平臺(tái)用三星公司先進(jìn)的基于Cortex-A8 內(nèi)核的 S5PC100處理 器和無線網(wǎng)卡WI-FI作為硬件載體，綜合應(yīng)用WLAN、嵌入 式Linux和JSP技術(shù)等技術(shù)，以程序軟件的通用性和易用性為 方向，實(shí)現(xiàn)無線視頻和智能測(cè)溫系統(tǒng)控制以及環(huán)境信息采集。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)接口目標(biāo)與功能

本文設(shè)計(jì)智能溫度采集系統(tǒng)，需要具備溫度采集、溫 度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、溫度數(shù)據(jù)的顯示和網(wǎng)絡(luò)通信功能。因此，平 臺(tái)擬設(shè)計(jì)的接口如下：

電路板設(shè)計(jì)溫度傳感器采集接口1路，溫度傳感器采用 DS18B20一線制通信接口;由于平臺(tái)需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 同時(shí)又需要存儲(chǔ)本地操作系統(tǒng)代碼，需要有穩(wěn)定的存儲(chǔ)方 案，因此平臺(tái)設(shè)計(jì)NAND FLASH與SD卡結(jié)合的存儲(chǔ)方案， 其中NAND FLASH主要用于存儲(chǔ)本地代碼，SD卡用于存儲(chǔ) 采集數(shù)據(jù);系統(tǒng)需要將采集的溫度以及歷史溫度實(shí)時(shí)的顯示

圖3 S5PC100 DDR2 SDRAM電路原理圖

圖4 S5PC100 NandFlash電路原理

出來， 因此需要集成圖形顯示接口，系統(tǒng)中采用24bit TFT LCD接口電路;系統(tǒng)為滿足遠(yuǎn)程對(duì)平臺(tái)采集數(shù)據(jù)訪問功能， 因此集成一路10M/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口;為滿足對(duì)溫度 的監(jiān)控需要，平臺(tái)集成一路PWM蜂鳴器接口以及一路RS232 接口，RS232接口可連接GPRS模塊。調(diào)試擴(kuò)展接口：系統(tǒng)應(yīng)集成1路RS232接口，用于使用控制終端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。課題設(shè)計(jì)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)溫度采集、顯示 以及溫度超限報(bào)警等功能，其主要工作流程如下：

1.平臺(tái)能夠以定間間隔對(duì)采集 溫度傳感器數(shù)據(jù);

2.采集的溫度數(shù)據(jù)按時(shí)間順序保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中;

3 。 每次采集溫度與設(shè)定溫度上、下限進(jìn)行比較，當(dāng)溫度超限后 可發(fā)出本地報(bào)警或遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)，本地報(bào)警信號(hào)通過蜂鳴器報(bào)警音實(shí) 現(xiàn) ， 遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)可以通過外接GPRS實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警;

4 。 平臺(tái)具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問功能，可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫的訪問。

1.2 平臺(tái)的硬件電路各模塊選型

根據(jù)平臺(tái)的接口和功能需求，將系統(tǒng)按照功能劃分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其個(gè)功能模塊的選型如下：

1.2.1 平臺(tái)處理器單元

平臺(tái)需要具備溫度采集、大容 量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。因 此，其處理器部分具備運(yùn)行文件系 統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇的能力。課題提 出以ARM微控制器為核心處理器的 解決方案，利用ARM微控制器可搭 載操作系統(tǒng)和能夠處理復(fù)雜協(xié)議族 的能力;降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)， 提高平臺(tái)計(jì)的可實(shí)施性與靈活性。

A R M 微 控 制 器 在 本 系 統(tǒng) 中 的 作用主要是，采集溫度傳感器溫度 值，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)以及轉(zhuǎn)發(fā)功能。平臺(tái)采用三星公司先進(jìn)的 基于Cortex-A8 內(nèi)核的 S5PC100處理器設(shè)計(jì)而成。S5PC100 處理器采用64位內(nèi)部總線構(gòu)架，包括強(qiáng)大的硬件加速器， 如：動(dòng)態(tài)視頻處理，顯示控制和縮放。支持多種格式的硬件 編解碼：MPEF-1/2/4、H263/H264、CV-1、DivX。其硬件加速功能支持實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議和模擬電視輸出，支持NTSC 和PAL模式的HDMI。S5PC100內(nèi)部集成了24BIT LCD接口、 TVout接口、Camera輸入接口、4路串口、SD卡接口、SPI、100M網(wǎng)口、USB2.0-OTG接口，USB Host接口、矩陣按鍵掃 描接口、SPI通信、I2C通信接口等硬件資源，適用于有高性 能要求的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。

圖6 DS18B20與接口原理圖

在平臺(tái)中需要NAND FALSH、SD卡、以太網(wǎng)等復(fù)雜接口的支持，S5PC100具備強(qiáng)大的片內(nèi)接口，平臺(tái)需要的外設(shè) 接口通過S5PC100搭載簡(jiǎn)單的外部電路即可實(shí)現(xiàn)，提高了系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成度，因此S5PC100非常適用于本系統(tǒng)。

1.2.2 溫度傳感器

平臺(tái)采用美國DALL A S公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù) 字溫度傳感器。其耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形 式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

DS18B20具有一線通信接口，只需要單根口線即可實(shí)現(xiàn)微控 制器通信互聯(lián)，極大地簡(jiǎn)化了外部溫度傳感器通信線路。 DS18B20具有寬泛的工作電壓和溫度測(cè)量范圍，750毫秒內(nèi) 完成溫度測(cè)量，可在-10℃至+85℃范圍達(dá)到±0.5℃的測(cè)量精 度。DS18B20在出廠時(shí)內(nèi)部集成了唯一的序號(hào)， 可用于實(shí)現(xiàn) DS18B20通過一總線進(jìn)行組網(wǎng)。DS18B20簡(jiǎn)化的通信接口以 及便捷的組網(wǎng)方式可降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，提高系統(tǒng)的靈活 性。目前，DS18B20已經(jīng)被用于各種環(huán)控，設(shè)備溫度監(jiān)控測(cè) 量，以及各種溫度測(cè)量系統(tǒng)中。

1.3 平臺(tái)的硬件電路總體構(gòu)成

平臺(tái)硬件組成如圖1所示。其中核心模塊為S5PC100， DD2 SDRAM、NAND FLASH、TFT LCD、SD卡、RS232接 口均可通過S5PC100內(nèi)部外設(shè)接口直接擴(kuò)展，以太網(wǎng)接口通 過S5PC100的外部靜態(tài)總線接口連接。

1.4 平臺(tái)主要軟件方案的選定