基于ARM的綜合測試儀設(shè)計(jì)

　　1引言

　　我國的疆域廣闊，時區(qū)分布不同，海拔以及溫度，濕度等氣候差異都很大，實(shí)時的了解我們所處位置的氣候情況對工作和生活是很重要的。尤其對一些野外工作的科研人員來說，需要測試海拔，溫度，濕度等物理量作為參考因素。為了測量這些物理量需要我們攜帶多種測試設(shè)備，這對野外工作很不方便。為了實(shí)時方便的了解我們所處的海拔高度和天氣情況，我們需要有更便捷，功能更齊全的綜合測量儀器。同時可以將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)送到PC，以方便今后的進(jìn)一步分析和處理。

　　2系統(tǒng)組成以及基本原理

　　整個綜合測試儀主要由五個部分組成。分別是核心控制單元，濕度測量，海拔高度測量，溫度測量，以及測量數(shù)據(jù)顯示部分。濕度測量是通過濕度傳感器將環(huán)境濕度物理量變換為電信號，最終將處理后的模擬信號經(jīng)過A/D后送到CPU。海拔測量主要是通過間接測量大氣壓強(qiáng)，經(jīng)過計(jì)算來得出當(dāng)?shù)氐暮０胃叨?，其中也考慮到其他因素的影響而采取了軟件修正的方法。溫度測量采用數(shù)字溫度測量芯片DS1820來實(shí)現(xiàn)，這是一個應(yīng)用的比較廣泛，也是得到了實(shí)踐驗(yàn)證，確切可行的一種測量方法。所有采集的物理量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，在CPU中經(jīng)過處理，反映出各自代表的物理量后，送到顯示電路，以提供使用者信息，也可送到PC，讓PC機(jī)上的數(shù)據(jù)分析軟件做進(jìn)一步的處理和存儲。

　　3系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)控制器單元

　　本設(shè)計(jì)采用LPC2104作為控制器的控制芯片[1][3]。LPC2104是PHILIPS公司專為嵌入式應(yīng)用提供的高性價比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是ARM7TDMI-S，CPU操作頻率可達(dá)60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲器、16KB靜態(tài)RAM、2個UART、1個I2C串行接口、1個SPI串行接口，多達(dá)6路輸出的PWM、2個定時器，分別具有4路捕獲/比較通道、實(shí)時時鐘及看門狗定時器等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接，本系統(tǒng)以LPC2104為核心控制電路，對外圍的各種前端測量電路，包括濕度測量，溫度測量，海拔測量，以及數(shù)據(jù)顯示電路進(jìn)行無逢整合。其中系統(tǒng)整體框圖如圖1。

　　3．1 濕度測試電路設(shè)計(jì)

　　濕敏測量在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是隨著科學(xué)技發(fā)展，對于濕度的檢測和控制越來越受到人們的重視并進(jìn)行了大量的研制工作。

　　在本測量儀中濕度測量電路是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理電路，以及A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，它將環(huán)境濕度變換為電信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，需要同時考慮對濕度傳感器進(jìn)行線性處理和溫度補(bǔ)償，常常采用運(yùn)算放大器構(gòu)成濕度測量電路，在圖2中Rt是熱敏電阻器(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運(yùn)算放大器型號為OP07。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范圍內(nèi)，輸出電壓表示的濕度誤差不超過3％RH。下式是濕度測量的原理表達(dá)式：

　　R=R0exp(B/T-AH)

　　其中H為相對濕度；T為絕對溫度；R0為在T=0℃ ，相對濕度H=0時RH的阻值；A為濕度常數(shù)；B為溫度常數(shù)。

　　圖2 濕度測量電路

　　3．2 海拔高程測試電路設(shè)計(jì)

　　海拔測量的方法主要有兩種：一種是GPS，一種是氣壓檢測法。GPS測量是一個比較好的，也比較先進(jìn)的測量方法，測量結(jié)果也非常精確。但是存在著成本較高這個缺點(diǎn)，所以在本系統(tǒng)中采用氣壓檢測的方法。氣壓測量的原理是依據(jù)海拔高度增加氣壓隨之減小的原理，但是這個變化不是線性，而是一個函數(shù)，函數(shù)關(guān)系大致如下：

　　P=760(e^-(a/7924))

　　P:氣壓，毫米汞柱a:海拔, 千米。當(dāng)然，氣壓還跟季節(jié)，空氣濕度，氣流有關(guān)系，要把這些數(shù)據(jù)也參入計(jì)算是很復(fù)雜的事。所以在設(shè)計(jì)中通過采樣多個數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和。同時在軟件設(shè)計(jì)中考慮進(jìn)行軟件的修正。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，氣壓測量傳感器采用TP051P測量現(xiàn)場氣壓值，而后通過AD620進(jìn)行前端放大，放大以后的數(shù)據(jù)送到ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以串行的方式送到CPU進(jìn)行處理。圖2是海拔測量的前端采樣以及調(diào)理電路。

　
圖3 海拔測量前端電路

　　3．3 溫度測試電路設(shè)計(jì)

　　DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。如圖4是DS1820與微處理器LPC2104的典型連接電路[5][6]：