基于arm的嵌入式测控系统的设计及应用

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基于ARM的嵌入式测控系统的设计及应用耿玉新夏路易(太原理工大学信息工程学院；太原；山西；030024)摘摘摘要要要:本文介绍了基于ARM的嵌入式测控系统的设计方案，论述了嵌入式系统的软硬件选型原则，并结合ARM嵌入式模糊自整定PID温度控制系统阐述了嵌入式控制系统的组成和软件实现。关键词：：：嵌入式系统：；微处理器；操作系统；PID中图分类号：：：TP274文献标识码：：：BDesignofameasurementandcontrolsystemandapplicationbasedonembeddedARMGENGYuXin,XIALuYiDepartmentofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,Shanxi,030024,ChinaAbstract:ThisarticleintroducesbasedontheARMembeddedcontrolsystemdesign,embeddedsystemontheprincipleofselectionofhardwareandsoftware,combinedwithARMEmbeddedFuzzyself-tuningPIDtemperaturecontrolsystemontheembeddedcontrolsystemandsoftwarerealization.Keywords:embeddedsystem；MPU；operatingsystem；PID0.0.0.引言日常生活中，各种使用嵌入式技术的电子产品已经得到了广泛的应用，如MP3、PDA、手机、智能玩具、智能家电、车载电子设备等；工业和服务领域中，嵌入式技术也已经大量应用于数控机床、智能工具、机器人等行业；金融、航天和军事等领域嵌入式技术的应用也越来越广泛，以至一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。据统计，每年只有10％～20％的计算机芯片是为台式PC机或手提电脑设计的；而为嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10～20亿片，每年又有10000多个新的嵌入式系统计划产生。嵌入式系统是嵌入式计算机系统的简称，简单地说，嵌入式系统就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的3个基本要素。功能层应用程序文件系统图形用户接口任务管理软件层实施操作系统中间层BSP/HAL硬件抽象层/板极支持包D/A通用接口嵌入式A/DROM硬件层微处理器I/OSDRAM人机交互接口图1嵌入式系统的软/硬件框架嵌入式系统是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式系统基本硬件架构以嵌入式536 处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设。软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口（API），向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP，即包括操作系统及其实时、多任务操作和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统则控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的软/硬件框架如图1所示。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器，一般具备以下4个特点:（1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。（2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。（3）可扩展的处理器结构，以便最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。（4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。111．1．．．嵌入式系统设计嵌入式系统设计通常来说，一个嵌入式系统的开发过程如下：（1）确定嵌入式系统的需求；（2）设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，开发平台以及软硬件的分割和总体系统集成；（3）详细的软硬件设计和RTL代码、软件代码开发；（4）软硬件的联调和集成；（5）系统的测试。222．2．．．嵌入式系统选型原则嵌入式系统选型原则2.1硬件平台的选择硬件平台的选择嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度、产品上市时间、技术支持、功耗等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后，就要综合考虑系统外围设备的需求情况以选择一款合适的处理器。下面列出考虑系统外围设备的一些因素：·总线的需求；·有没有通用串行接口；·是否需要USB总线和IrDA接口；·有没有以太网接口；·系统内部总线类型选定；·音频D/A连接的IIS总线；·外设接口；·系统是否需要A/D或D/A转换器；·系统是否需要I/O控制接口；·中断控制器；·处理器的寻址空间，有没有片上的Flash存储器；·处理器是否容易调试和仿真以及调试工具的成本和易用性等相关的信息。在实际过程中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌和干扰，包括其他工程的影响以及缺乏完整或准确的信息等。537 2.2嵌入式操作系统的选择嵌入式操作系统的选择实时嵌入式系统的种类繁多，按经济上分类大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和µC/OS，但不可靠，无技术咨询。不管选用什么样的系统，都要考虑以下几点：·操作系统支持的微处理器；·操作系统的性能；·操作系统的软件组件和设备驱动程序；·操作系统的调试工具，开发环境、在线仿真器（ICE）、编译器、汇编器、连接器、调试器等等；·操作系统的标准兼容性；·操作系统的技术支持程度；·操作系统是提供源代码还是目标代码；·操作系统的许可使用情况；·操作系统的开发者声誉状况；[1]·能否满足应用需求。333．3．．．嵌入式系统应用嵌入式系统应用系统以温度作为被控对象，采用ARM微控制器LPC2132作CPU，通过双向端口与数字温度传感器DS18B20连接，将采样得到的数据经过模糊自整定的PID算法的运算，由电机驱动模块控制打开或关闭热风门、冷风门及循环风机，使温度按预设定的曲线变化。由于采用了ARM微控制器，其它功能模块的外围电路简单。系统硬件框图如图2所示。LPC2132由一个32位的RAM7TMDMI-S的CPU内核，8路10[2]位A/D转换及接口丰富。液晶电源电路报警装置时钟及复位电路微处理器存储器LPC2132JTAG接口温度数据采集UART接口电机驱动模块键盘接口图2系统硬件框图系统测温器件采用DS18B20，其测量可精确到0.0625℃。DS18B20输出的数字量直接与微控制器相连接，微控制器再将得到的温度值与给定的温度值进行比较，计算其偏差，再对偏差按一定的规律进行运算。运算结果通过控制可控硅在控制周期内的过零触发脉冲个数来达到控制温度的目的。预测技术是一种基于模型的控制算法，它不同于传统的PID控制方法。PID控制通常是根据过程当前和过去的输出测量值与设定值的偏差，来确定当前的控制输入；而预测控制则是利用预测模型预估过程未来的输出状况与设定值之间偏差，然后利用“滚动式”的最优化策略计算当前的控制输入。预测控制对数学模型要求不高，能直接处理具有滞后的对象，具有良好的跟踪性能，并对模型误差538 具有较强的鲁棒性。经过预测以后的输出再通过模糊控制，对KI、KP、KD三个参数进行在线修改，以满足在不同E和EC时对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的动静态性能。初始化及启动操作系统多任务调度温预报串电键度测警口机盘采模处通控及样糊理信制液PID晶图3系统软件框图本系统软件部分采用了嵌入式操作系统µC/OS-Ⅱ，并编写多任务应用软件实现具体测温控制，如图3所示。µC/OS-Ⅱ是专门为计算机的嵌入式应用而设计的，其基于优先级的占先式多任务实时内核。大部分的µC/OS-Ⅱ代码都是用C语言编写的，只有少量与处理器相关的代码是用汇编语言编写，因此具有移植性强的特点。在多任务实时操作系统中，应用程序是以任务的形式进行的，操作系统的一个重要的作用就是任务的调度，所以要在操作系统下实现应用程序的执行，就必须建立任务，在任务中实现对温度测量及显示程序的调用。温度测量程序编写时，在驱动DS18B20时，必须严格遵循单总线协议，每次操作都有严格的时序匹配要求，在每次读写操作之前必须将DS18B20进行复位，然后才能执行读写指令。复位时主机将数据线拉为低电平并保持480～960μs，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉高15～60μs，[3]等待DS18B20发出脉冲，这样就完成了复位操作。444．4．．．结束语结束语随着计算机后PC时代(业界称第三代计算机时代)的到来，嵌入式嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，基于ARM的µC/OS-Ⅱ的测温控制系统得到很好的控制效果，是一种能够适用于不同环境下的不同控制对象的高精度、稳定性强的温度控制系统。对于解决目前许多工业过程中非线性的、时变性、大滞后性的控制问题,提供了一个有效的方法，因此也为嵌入式市场展现了美好的前景。参考文献[1]祁桂兰,郝曼,刘玉兰.基于ARM的嵌入式测控系统的设计[J].工业仪表与自动化装置,2007.5.[2]周立功,张华.深入浅出ARM7－LPC213x_214x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[3]赵成,荆立帅.基于ARM的模糊自整定PID温度控制系统[J].539