（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的室内空气质量监测系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 暑鼍曼皇曼曼鼍曼i i i m i；lio 鼍曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼 摘要 目前，居室内空气质量问题主要来自两个方面：一方面是由于房屋装修、玩具、 杀虫喷雾剂等带来的有害气体，如甲醛、挥发性有机物( v o c s ：包含苯系物) 等致癌 物质；另一方面，是人们日常生活中由于粗心或设备故障引起的诸如水煤气、天然气、 液化石油气之类的有害气体泄露，给人体带来危害。本课题依据实际需要，设计了一 种集这两方面有害气体浓度监测为一体的便携式监测报警仪，及时、准确、有效地对 生活坏境中这两方面的有害气体进行检测并报警，提醒人们在气体浓度超标时做出一 定措施，不仅可以有效地保护人们的健康，甚至使得很多家庭灾难都得以避免。 本文以室内空气质量监测仪为对象，首先介绍了室内空气中甲醛、甲苯等挥发性 有机物的来源及其对人体身体健康的影响，家庭燃气泄漏的重大危害；然后对嵌入式 系统的特点、设计方法，以及本系统的总体设计方案作了详细的论述；之后介绍了气 体传感器工作原理，本系统中选用的各个气体传感器的性能指标；最后，重点讲解了 本系统的软、硬件各部分的设计原理及方案。 在室内空气质量监测仪中，选用s a m s u n g 公司的3 2 位s 3 c 4 4 b o x 微处理器芯片 作为嵌入式系统的硬件核心，采用了i _ t c o s i i 嵌入式实时操作系统作为软件开发平 台，开发了基于i - t c o s i i 操作系统的应用程序。实现了对室内甲醛、甲苯、水煤气、 天然气、液化石油气浓度的实时监测、显示以及超限及时报警等功能。 在本监测仪中移植嵌入式实时操作系统可方便的使用软件的方法对仪表的功能和 行为进行控制，缩短了智能仪表的开发周期，提高了仪表的稳定性、可靠性和可维护 性。 关键词：嵌入式；s 3 c 4 4 b o x ；弘c o s i i ；气体监测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼皇曼皇皇皇曼曼皇! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼i i ：= iip_i i ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i n d o o re n v i r o n m e n tp r o b l e m e sa r em a i n l yr a i s e db yt w ok i n d so ft o x i c g a s e s o n ep a r ti sg a s e ss u c ha sf o r m a l d e h y d e ，t o l u e n e t l l e ym a i n l yc o m ef r o md e c o r a t i o n m a t e r i a l s ，t o y s ，h o u s e h o l di n s e c t i c i d ea e r o s oa n ds oo n t h eo t h e rp a r tt o x i cg a s e si n c l u d e c a r b o nm o n o x i d e ，n a t u r eg a so rl i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) t h el a t e r sh a v ec h a n c et o r i s kp e o p l e sl i f em a i n l yb e c a u s ep e o p l e c a r e l e s s n e s s b a s eo na c t u a ln e e d s ，w ed e s i g na l l i n d o o ra i rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hc a nt e s tg a s e ss u c ha sf o r m a l d e h y d e ，t o l u e n e ， c a r b o nm o n o x i d e ，n a t u r eg a so rl i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) h e no n eg a sc o n c e n t r a t i o n g o e sb e y o n di t sl i m i t , t h ed e v i c e w i l la l a r mp e o p l et i m e l ya n dc o r r e c t l y u s i n gt h i s m o n i t o r i n gd e v i c e ，n o to n l yp e o p l ec o u l dk e e ph e a l t h ，b u ta l s om a n yf a m i l yd i s a s t e r e sc o u l d b ea v o i d e d t h i st h e s i si sa l la b o u tt h ei n d o o re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m f i r s to fa l l ， w ei n t r o d u c et h o s et o x i cg a s e s s o u r c e sa n dt h ed a m a g e st h e yb r i n gt op e o p l e sl i f e ， s p e c i a l l yt h ee x p l o s i v ea n dc o m b u s t i b l eg a sl e a k a g e d a m a g e a n dt h e n ，w ei n t r u o d u c e e m b e d d e ds y s t e m sc h a r a c t e r s ，h o wt os e tu pa ne m b e d d e ds y s t e m ，a n dt h eg e n e r a lp l a no f t h i sm o n i t o r i n gs y s t e m a f t e rt h a t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fg a ss e n s o r sa n dt h e c h a r a c t e r so fg a ss e n s o r sw h i c ha r eu s e di nt h i ss y s t e m t h el a s tp a r ti sa b o u tt h es y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e sd e s i g n ，w h i c hi sa l s ot h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l et h e s i s t h ee m b e d d e ds y s t e mc h o o s e ss 3 c 4 4 b o x ，w h i c hi sc o m ef r o ms a m s u n ge l e c t r o n i c s c o ，l t d ，a st h ec o r eo fi t sh a r d w a r ea n dt a k e st h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 斗c o s i l a si t s s o f t w a r ep l a t f o r m t h et h e s i ss t u d yh o wt ot r a n s p l a n ta n dc o n f i g r a t et h eo p e r a t i n gs y s t e m i 且c o s i it os 3 c 4 4 b o x i ta l s oe m p o l d e r e da p p l i c a t i o nb a s e do n , c o s - i i t h ew h o l e s y s t e mc o u l dm o n i t o ra n dd i s p l a yt h et o x i cg a s e s c o n c e n t r a t i o na n da l a r mp e o p l et i m e l y a n dc o r r e c t l y i n t r o d u c ee m b e d d e ds y s t e mi n t om o n i t o r i n gd e v i c eo f f e r sc o n v e n i e n c et od e s i g n e r st o u s es o f t w a r em e t h o d st oc o n t r 0 1t h ed e v i c e s f u n c t i o n sa n db e h a v i o r s a n da l s os h o r t e nt h e c i r c l eo fd e v e l o p i n gn e wi n t e l l i g e n td e v i c e ，e n h a c et h ed e v i c e ss t a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；s 3 c 4 4 b o x ；i 上c o s - i i ；g a sm o n i t o r i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位敝作者虢墨降 指捌雠：荔瞧融 日期：2 0 i 0 r f日期：2 d d f ；f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本人首先对室内空气质量监测系统的可行性进行了理论分析，重点分析了该监测 系统传感器部分的工作原理及误差；然后进行了监测系统硬件电路的设计，包括传感 器加热电路、传感器调理电路，以及处理器的其它外围电路的设计；之后在硬件设计 的基础上进行操作系统移植、图形用户接口的移植，以及应用软件设计；最后进行了 论文的撰写。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 摩碍 知pr ；7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本次设计的任务是：搭建嵌入式系统实现对人们日常生活中经常遇到的甲醛、甲 苯等有机致癌污染物，以及水煤气、天然气、液化石油气这些易燃易爆的危险气体的 浓度进行实时监测。一旦有气体浓度超限，系统将进行声光报警提醒人们采取一定措 施来避免危害或者灾难的发生。 1 1 课题背景 随着人们对环境及健康问题的日益重视，对室内空气中有害气体监测的种类也越 来越多，其中，人们日常生活中主要关心的气体污染问题主要存在于以下两个方面。 一方面，甲醛和苯都是确认的致癌物，可造成哮喘、心脑血管病、糖尿病、再生 障碍性贫血、白血病、胎儿畸形、儿童智力大大降低以及“亚健康”状态等多种急慢 性症状。尤其到了夏季，3 0 或以上时，装修材料、家具等释放出的有毒气体增多， 室内污染相对较重，由此而造成的心脑血管疾病激增，突发症状以中风、常见的半身 不遂、口眼歪斜为多。中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会于2 0 0 4 年在北京地 区千户新装修家庭中进行的抽检结果显示甲醛超标的占6 0 。从其他地区青岛、南京、 银川、重庆、深圳、乌鲁木齐等地有关部门的检测数据看，新装修家庭中的甲醛不合 格比率都在6 0 以上，深圳市计量质量检测研究院2 0 0 4 年1 至7 月份，共对全市4 0 0 多套房子进行了室内环境检测，9 0 甲醛超标。室内空气污染已被世界银行列为全球 四个最关键的环境问题之一，全球每年因此而导致死亡的人数达2 8 0 万人。根据中华 人民共和国国家标准居室空气中甲醛的卫生标准规定：居室空气中甲醛的最高允 许浓度为o 0 8m g m3 ( = 6 0 p p b ) ，w h o 提出的甲醛气体浓度室内环境指导限值为 o 1m g m 3 ( = 7 4 p p b ) 。 1 - 3 1 在我国，每年由于煤气( 主要是c o ) 中毒和天然气( 又称甲烷，c h 4 ) 中毒的案 例并不鲜见。煤气中毒即一氧化碳中毒。一氧化碳是一种无色无味的气体，不易察觉。 血液中血红蛋白与一氧化碳的结合能力比与氧的结合能力要强2 0 0 多倍，而且，血红 蛋白与氧的分离速度却很慢。所以，人一旦吸入氧化碳，氧便失去了与血红蛋白结 合的机会，使组织细胞无法从血液中获得足够的氧气，致使呼吸困难。煤气中毒多见 于冬天用煤炉取暖、门窗紧闭、排烟不良、液化灶具漏泄或煤气管道漏泄等。煤气中 毒时病人最初感觉为头痛、头昏、恶心、呕吐、软弱无力，大部分病人迅速发生抽筋、 昏迷，两颊、前胸皮肤及口唇呈樱桃红色，如救治不及时，可很快因呼吸抑制而死亡。 所以，如果能够及时测试到这些气体的浓度超过正常状态，并报警提醒人们做出一定 措施，那么很多家庭灾难是可以避免的。 我国现有的一氧化碳报警器，一般将1 0 0 p p m 一2 0 0 p p m 作为报警浓度。因为这种浓 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 皇曼璺曼曼鼍曼曼曼鼍曼笪曼曼曼皇曼曼量皇曼蔓曼曼曼! 曼皇曼曼曼鼍i 一 一一。i 。i h i n i l i l l i 一- - 皇曼曼皇蔓皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼 度的一氧化碳在短时间内尚不会对健康人产生明显的影响。【4 】 因此，有必要设计一种针对甲醛、甲苯、水煤气、天然气、液化石油气这些人们 日常生活中经常遇到的致癌物质和常见燃气的浓度进行实时监测，为人们拥有一个健 康、安全的日常生活环境提供保障。 1 2 便携式室内环境监测仪国内外现状及发展方向 1 2 1国内外发展现状 在测试甲醛、甲苯等害气体方面，国外比较出名的有：美国i n t e r s c a n 公司生产的 4 1 6 0 2 型甲醛分析仪、美国e s c 公司生产的z 3 0 0 甲醛检测仪、英国p p m 公司生产 的p p m - 4 0 0 甲醛检测仪；国内的有：江苏安普电子工程有限公司生产的4 0 0 型甲醛分 析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪x p 3 0 8 、长春吉大小天鹅有限公 司生产的全自动室内空气甲醛、氨测定仪等。这些仪器可实现对有害气体的检测功能， 适用于专业检测机构或实验研究机构。 准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵( 如英国p p m 公司生产的p p m 4 0 0 甲醛仪约两万多元) ，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定( 如英国p p m 公司生产的p p m 4 0 0 甲醛仪) ，需要专业人员进行操作，很难连续测定。【5 】 在检测可燃气体泄露方面，国外引进产品如法国奥德姆便携可燃气体检测仪、美 国i s c 可燃性气体检测仪、日本新宇宙便携可燃气体检测仪，i 国内的产品主要有北京 燕山时代仪表有限公司生产的k s 3 型遥控数字显示可燃性气体变送器、沈阳市爱尔 普仪器有限公司g p 1 0 9 c 便携式可燃气体检测仪。目前国内外产品的设计差异主要集 中在监测传感器和控制单片机芯片的选用，操作方面国外的产品操作界面方便，功能 更加完备。 1 2 2 发展方向 现代微电子技术的发展使得测量装置的精度越来越高，促进了室内环保监测监控 仪器向着智能化的方向发展。新的智能化仪表具有以下特点。 1 操作自动化 仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输 与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动 化。 2 测量智能化 包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。这 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大方便了仪器的维 护。 3 具有数据处理功能 这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许 多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以 解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数 字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、 求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来， 也有效地提高了仪器的测量精度。 4 具有友好的人机对话能力 智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令， 就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作 状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。 具有可编程操作能力。一般智能仪器都配有( r s 2 3 2 c ，r s 4 8 5 等标准) 通信接口， 可以很方便地与p c 机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统， 来完成更复杂的测试任务。 1 3 主要研究内容 本设计旨在开发一种可以对人们日常生活中室内常见的几种有毒害气体浓度进行 实时监测的嵌入式系统。该监测系统应该具有：测量准确、运行稳定、报警及时、操 作简单、便携性好、成本低廉等优点。设计中采用基于a r m 7 t d m i 嵌入式处理器的 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片作为硬件核心，采用嵌入式操作平台p c o s i i 实时操 作系统作为软件开发平台进行应用程序的开发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 。- i ii i ii,- 舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼蔓曼曼! 曼曼 第2 章嵌入式系统介绍及本监测系统整体规划 2 1 嵌入式操作系统简介 根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义：嵌入式系统是“用来控制，监视和辅 助设备，机器和各种平台运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t o f o p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的。目前 国内更普遍认同的定义是：以应用为中心，计算机技术为基础，软、硬件可裁减，适 应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等严格要求的定制的计算机系统。【6 1 与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些特点：【7 】 1 系统内核小 嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介 质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这就要求嵌入式操作系统只能 运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操 作系统必须结构紧凑，体积微小。 2 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对 硬件进行系统的移植，同时，针对不同的任务需要对系统进行较大更改，程序的编译 下载要和系统相结合。 3 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的设计及实 现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4 高实时性 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储，以 提高速度。 5 多任务的操作系统 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理地 调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质 量。 6 特殊的开发调试环境 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 皇曼鼍曼皇曼皇蔓曼曼曼曼曼皇! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼毫曼曼曼曼舅曼蔓曼- - - m m ：mm m m mi i。 =m l s 提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌 入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译连接器、内核调试跟踪器和集 成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真 器和监视器等。 2 2 嵌入式系统设计方法 嵌入式系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系结构设计、硬件及软件设 计、系统集成和系统测试。【8 】各个阶段之间往往要求不断的反复和修改，直至完成最 终设计目标，整个系统的开发流程如图2 1 所示。 在应用嵌入式系统开发的过程中，因为对应于每一个处理器的硬件平台都是通用 的、固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统错误的引入机会；同时， 因为嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使得开发者通过操作系统提 供的a p i 函数可以完成大部分工作，大大简化了开发过程，提高了系统的稳定性。所 以说，嵌入式系统的开发把开发者从反复进行硬件平台的设计过程中解放出来，从而 可以把主要精力放在编写特定的应用程序上。这个过程更类似于在系统机上的某个操 作系统下开发应用程序。1 9 , 1 0 】 图2 1 嵌入式系统的开发流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼曼皇皇鼍皇! 皇曼曼皇曼量曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼量量量舅曼曼曼曼曼皇曼寰曼量曼皇曼曼皇蔓皇蔓曼曼! 曼曼皇曼鼍曼鼍曼鼍曼曼曼孽鼍曼皇曼皇- - - - m | 曼 2 3 嵌入式系统总体结构设计 一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成。其中嵌入式计算机 系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、软件层、功能层组成。执行装置 也被称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操 作或任务。在本系统中，采用选用了s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 微处理器为硬件平台 核心，i t c o s i i 嵌入式实时操作系统作为软件开发平台进行应用程序的开发平台，被 控对象为传感器阵列，如图2 。2 所示。 下面结合图2 - 2 ，对嵌入式计算机系统的组成进行简要描述： 1 硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和i o 接口( a d 、d a 、 i o 等) 组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储电路( r a m 和r o m 等) ，就构成了一个嵌入式核心控制模块。各种操作系统和应用程序都可以固 化在r o m 中。【l l 】在本设计中，硬件层是由s 3 c 4 4 b o x 微处理器及其外围电路组成。 2 中间层 硬件层和软件层之间为中间层，也成为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它把系统软件与底层硬件部分隔离， 使得系统的底层设备驱动程序和硬件无关，一般具有的相关硬件的初始化、数据的输 出输出操作、硬件设备的配置等功能。 1 1 1 在本设计中，中间层即为s 3 c 4 4 b o x 初始化 文件4 4 b o i n i t c o 3 软件层 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 软件层由实时多任务操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 、文件系统、 图形用户接口( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 、以及通用组件模块组成。r t o s 是嵌 入式应用软件的基础和开发平台，r t o s 实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系 统复位后首先执行相当于用户的主程序，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。 r t o s 是一个标准的内核，它将c p u 时钟、中断、i o 、定时器等资源都封装起来，留 给用户的是一个标准的a p i 函数接口。【l l 】在本设计中，软件层是由为s 3 c 4 4 b o x 微处 理器芯片量身裁制的r t c o s i i 嵌入式操作系统， t c g u i 图形用户接口。 4 功能层 功能层由基于r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。【l l 】 在本设计中即为基于- t c o s i i 操作系统的功能子任务。 2 4 系统硬件规划 项目的成败取决于许多因素，但首先可以肯定的一点是，微处理器选型不当，将 会给项目带来无限的烦恼，甚至导致项目的流产。【1 2 1 本节首先介绍嵌入式处理器的分 类，接着介绍所选用的s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器的特点，这样就可以说明所选用 处理器的合理性。根据微处理器大的分类框架，可以决定设计中需要哪一类的处理器。 根据通用的选型标准和具体需求，就可以确定所选用处理器的型号。 2 4 1 嵌入式处理器分类 近年来，嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。一般可以 将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、嵌入式 微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u 单片机) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。下面对这四种嵌入式 处理器做简单介绍，以便得出本系统所需要的处理器类型： 1 m p u m p u 是由通用计算机中的c p u 演变而来。与计算机处理器不同的是，在实际嵌 入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分， 这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 2 m c u m c u 又称单片机，是指将计算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时数器和多种i o 接 口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。目 前8 位m c u 已渐成为市场主流，大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变 频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器( c a l l e r i d ) 、电话录音机、c r t 显示器、 键盘及u s b 等。但同时，8 位的微控制器己经很难实现现代嵌入式系统复杂的功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 d s p d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进 行了特殊设计，在数字滤波、f f t 、频谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用， 它一般用在快速执行算法，在语音合成和编码解码器中得到广泛应用。 4 s o c s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片 内部。它是i c 设计的发展趋势。采用s o c 设计技术，可以大幅度的提高系统的可靠 性，减少系统的面积和功耗，减低系统的成本，极大地提高系统的性能价格比。 2 4 2 本设计处理器选型 嵌入式微处理器选型一般参照以下标准：处理器功能满足要求( 取决于片上资源) ； 价格便宜；速度够快；功耗够低；生产方便；供货持久( 取决于供应商) ；开发容易( 取 决于开发工具) 。【1 2 】根据这个标准，在嵌入式系统中应尽可能选择适合系统功能接口 的s o c 芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊需求。 a r m 7 t d m i 是目前低端的a r m 核( 并非芯片，a r m 核与其他部件如r a m 、 r o m 、片内外设组合在一起才构成现实的芯片) ，具有广泛的应用。a r m 7 t d m i 处理 器是a r m 通用3 2 位微处理器家族的成员之一。a r m 处理器具有优异的性能，功耗 低，使用门的数量也很少。 9 a m m 结构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理设计的。 指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。 本次设计使用的是s a m s u n g 公司生产的s 3 c 4 4 b o x 微处理器。它片内集成了 a r m 7 t d m i 核，并在a r m 7 t d m i 核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能模块， 便于低成本设计嵌入式应用系统。s 3 c 4 4 b o x 片上集成的主要功能有：【l 3 】 在a r m 7 t d m i 基础上增加8 k b 的c a c h e ； 外部扩充存储器控制器； l c d 控制器，并带有1 个l c d 专用d m a 通道； 2 个通用d m a 通道2 个带外部请求引脚的d m a 通道； 2 个带有握手协议的d a r t ，1 个s i o ； 1 个1 2 c 总线控制器； 5 个p w m 定时器及1 个内部定时器； 看门狗定时器； 7 1 个通用可编程i o 口，8 个外部中断源； 功耗控制模式有正常、低、休眠和停止； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 8 路1 0 位a d c ； 具有日历功能的r t c ( 实时时钟) ； p l l 时钟发生器。 2 4 3 本系统硬件规划 结合s 3 c 4 4 b o x 片上集成功能模块和设计需求，本系统最终的硬件规划如下： c p u - s a m s u n g 的3 2 位处理器s 3 c 4 4 b o x ； s d ra m ： 1 6 m b ) ，t e s _ h y 5 7 v 6 4 16 2 0 ； f l a s h ：2 m b y t e s 一s s t 3 9 v f l 6 0 1 ： l c d ：c a s i os t n 液晶显示模块3 2 0 * 2 4 0 ，2 5 6 色； j t a g ：1 4 针j t a g 接口电路。 2 5 系统软件规划 在熟悉了系统的硬件资源的基础之上才可能进行系统的软件规划。这包括嵌入式 系统的选择、软件模块的划分等等。 2 5 1嵌入式操作系统的选择 首先看一下嵌入式操作系统的概念：嵌入式操作系统是计算机系统中的一种系统 软件，是一些程序模块的集合。它们能够以尽量有效合理的方式组织和管理计算机的 软硬件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，向用户提供各种服务功 能，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统高效地运行。【1 4 j 实时嵌入式操作系统种类繁多，大体上可以分为两种，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， w i n c e 、v x w o r k s 、n g c l e a r s 、p a l mo s 、q n x ；免费型的实时操作系统在价格方面 具有优势，目前主要有l i n u x ( 包括i _ t c l i n u x ) 和f t c o s 。 由于设计中选用的s 3 c 4 4 b o x ( a i 洲7 ) 是比较简单的嵌入式芯片，其内部结构比 较简单，因此只能跑i t c o s 或者i x c l i n u x 这样的操作系统。由于设计者对g c o s 操作 系统比较熟悉，结合产品开发周期的考虑，本设计中使用了前者。 从i - t c o s i i ( g c o s 的改进版) 正常运行的角度考虑，要使其正常运行，处理器 必须满足以下要求： 处理器的c 编译器能产生可重入型代码； 处理器支持中断，并且能产生定时中断( 通常为1 0 1 0 0 h z ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 用c 语言就可以开关中断； 处理器能支持一定数量的数据存储硬件堆栈( 可达几千字节) ； 处理器有将堆栈指针以及其他c p u 寄存器的内容读出、并存储到堆栈或内存中 去的指令。 s 3 c 4 4 b o x 处理器完全符合上述条件，可以对其进行g c o s i i 的移植。所以本次 设计选用了g c o s i i 这个操作系统。 2 5 2 g c o s i i 简介 i t c o s i i 的前身是g c o s ，最早出白于1 9 9 2 年美国嵌入式系统专家j e a nj l a b r o s s e 在嵌入式系统编程杂志的5 月和6 月刊上刊登的文章连载，并把p c o s 的源码 发布在该杂志的b b s 上。 i _ t c o s 和p c o s i i 是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用c 语言编写的。c p u 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约2 0 0 行的汇编语言部分 被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的c p u 上。用户只要有标准的 a n s i 的c 交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将g c o s i i 嵌人到开 发的产品中。至今，从8 位到6 4 位，l a c o s i i 已在超过4 0 中不同架构的微处理器上 运行。【1 5 】 g c o s i i 的特点具体如下【1 6 ，1 7 】： 1 公开源代码 源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到详尽的将结合注释。 2 可移植性( p o r t a b l e ) 绝大部分r t c o si i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处理器硬件相关 的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，使得i t c o s i i 便 于移植到其他微处理器上。g c o si i 移植的条件是，只要该微处理器有堆栈指针，有 c p u 内部寄存器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编( i n l i n e a s s e m b l y ) 或者该c 语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言 程序中实现。 3 可固化( r o m a b l e ) g c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有固化手段( c 编译、 连接、下载和固化) ，i _ t c o s i i 可以嵌入到读者的产品中成为产品的一部分。 4 可裁剪( s c a l a b l e ) 可以只使用g c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品可以只使 用很少几个i 上c o s i i 调用，而另一个产品则使用了几乎所有r t c o s i i 的功能。这样 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 i i_1 ii ii 可以减少产品中的1 “c o s i i 所需的存储空间( r a m 和r o m ) ，这种可裁剪性是靠 条件编译实现的。只要在用户的应用程序中( 用# d e f i n ec o n s t a n t s 语句) 定义哪些 i 上c o s i i 中的功能是应用程序需要的就可以了。 5 占先式( p r e e m p t i v e ) i x c o s i i 完全是占先式的实时内核。这意味着u c o s i i 总是运行就绪条件下优先 级最高的任务。大多数商业内核也是占先式的，i _ t c o s i i 在性能上和它们类似。 6 多任务 p c o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，目前这一版本保留8 个给系统。应用程序最 多可以有5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不同的，这意味着肛c o s i i 不支 持时间片轮转调度法( r o u n d r o b i ns c h e d u l i n g ) 。时间片轮转调度法适用于调度优先 级平等的任务。 7 可确定性 全部i - t c o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。也就是说，全部 i _ t c o s i i 的函数调用与服务的执行时间是可知的。进而言之，l a c o s 系统服务的执行 时间不依赖于应用程序任务的多少。 8 任务栈 每个任务有自己单独的栈，“c o s i i 允许每个任务有不同的栈空间。以便压低应 用程序对r a m 的需求。使用l a c o s i i 的栈空间校验函数，可以确定每个任务到底需 要多少栈空间。 9 系统服务 p , c o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存 的申请与释放、时间相关函数等。 1 0 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则 高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 1 1 稳定性与可靠性 l t c o s i i 是基于i _ t c o s 的，u , c o s 自1 9 9 2 年以来已经有好几百个商业应用。其 中斗c o s i iv 2 5 2 通过了美国航天管理局( f a n ) 的安全认证，可以用于飞机，航天器 等与人生命攸关的控制系统中，这说明“c o s i i 不仅是一个很有生命力的操作系统， 而且是值得用户放心使用的操作系统。 2 5 3 图形显示系统的选择 本系统具有l c d 人机交互界面，所以需要一套g u i 系统来实现l c d 的显示。由 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 _ _ _i ii i1 1ii ii i i 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼! ! 曼! ! 苎曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼舅 于系统人机界面的要求以及项目周期的限制，自己做一套g u i 会使项目偏移了目标， 而且也不现实，所以比较实际的做法是移植一套g u i 系统。常见的g u i 有很多种， 如u c g u i 和m i n i g u i 等。p 。c g u i 有良好的风格，而且有一系列的控件具有很好的实 用性，与自己设计g u i 的方式相比更有助于各功能的实现，与m i n i g u i 等其他图形显 示界而相比又具有占用资源少的优势，考虑和p c o s i i 的结合，所以最终选用了 p c g u i 。 2 5 3 1 i _ t c g u i 简介 g c g u i 是美国m i c r i u m 公司开发的一个通用的嵌入式应用的图形模块，可以适用 各种c p u 和l c d ，在单任务和多任务操作系统中，都可以工作得很好。i t c g u i 具有 驱动接口层和应用层，全部代码采用a n s lc 编写，提供源代码，可以方便的移植到 各种平台上。并且它提供了丰富的资源，包括二维绘图库、多字体及可扩充字符集、 u n i c o d e 、位图显示、多级r g b 及灰度调整、动画优化显示、具有w i n d o w s 风格的对 话框和预定义控件( 按钮、编辑框、列表框等) ，以及对键盘、鼠标、触摸屏等输入 设备和双l c d 输出的支持，目前在具有图形界面的嵌入式产品中得到越来越广泛地应 用。【1 8 】 2 5 3 2 p c g u i 的特点 t x c g u i 的特点如下：【1 9 】 1 适用任何8 1 6 3 2 位c p u ，只要有相对应的标准c 编译器。 2 任何的控制器的l c d 显示器( 单色、灰度、颜色) ，只要有适合的l c d 驱 动可用。 3 在小模式显示时无须l c d 控制器。 4 所有接口支持使用宏进行配制。 5 显示尺寸可定制。 6 字符和位图可在l c d 显示器上的任意起点显示，并不仅局限于偶数对齐的地 址起点。 7 程序在大小和速度上都进行了优化。 8 编译时允许进行不同的优化。 9 对于缓慢一些的l c d 控制器，l c d 显存可以映射到内存当中，从而减少访 问次数到最小并达到更高的显示速度。 1 0 清晰的设计架构。 11 支持虚拟显示，虚拟显示可以比实际尺寸大( 即放大) 。 因为g c g u i 具有这些优点，它越来越受到更多嵌入式设计者的青睐。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 5 4 系统应用软件规划 基于p c o s - i i 平台，以及“c g u i 图形显示系统，本系统的应用程序被分割成不 同的部分，运行在不同的子任务中。应用程序模块主要包括：电压控制模块，声光报 警模块、数据采集模块、数据处理模块、 c d 刷新模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 曼曼曼曼曼皇i - - r = m 曼皇! 舅皇皇曼皇皇皇曼鼍曼曼曼! 皇曼鼍皇曼 3 1