基于ARM平台的智能温控系统设计

1、摘 要温度的测量和控制在工业生产中有广泛的应用，尤其在石油、化工、电力、冶金等工业领域中，对度的测量和监控是非常重要的一个环节，温度参数是工业控制中的一项重要的指标。本文主要研究了基于ARM9架构的嵌入式Linux系统在工业领域中各种炉温控制场合中的应用。目前控制方案主要是采用传统的PLC和单片机进行控制。PLC主要是针对单项工程或者重复数极少的项目，灵活性相对不足，并且体积大，成本相对较高；而单片机主要用于小型设备的控制，具有成本低，功耗低，效率高的特点，但可移植性较差。为了适应信息产业的发展，新技术革新以及产业的专业化现代化的发展，本文针对PLC和单片机控制的优缺点和应用场合提出了采用AR

2、M9嵌入式微控制器AT91RM920T和Linux操作系统相结合的嵌入式温度控制系统，具有系统扩展性强、可靠性高、响应速度快、体积小等特点，为用户提供了一种新型的控制方案。本文首先论述了了嵌入式操作作系统的组成成，接着设计计了温度控制制系统的硬件件系统，主要要括CPU模模块、模拟电电路模块、存存储模块和通通信模块四个个部分；在对对温度控制系系统的软件部部分的设计中中，主要是针针对Boott-Loadder的移植植、Linuux内核移植植、根文件系系统的定制、驱驱动程序的编编写和应用程程序的编写五五部分进行设设计。系统功能主要是是循环采集AAD通道数据据，上传ADD数据到服务务器，接收服服务器下

3、发的的控制数据包包，记录日志志等。通过在在线运行测试试，该系统稳稳定可靠，采采集和控制效效果良好，可可有效降低了了生产成本和和工人的劳动动强度，为安安全生产提供供保证。关键词：ARMM；Linuux；嵌入式式系统；温度度控制系统AbstracctIts a broadd appliicatioon to measuure andd conttrol ttemperraturee in tthe inndustrry produuctionn.Espeeciallly in some indusstry，ssuch aas oill，chemmistryy，elecctric powerr，me

4、taallurggy，itS a vvery iimporttant ttache to meeasllrre andd conttrol ttemperraturee，tempperatuure paarametter iss all imporrtant indexx in iindusttry coontroll situuationn.The papper maainly reseaarchess the appliicatioon in kindss of ttemperraturee conttrolsiituatiions iin thee induustry fieldd ba

5、seed on ARM9 consttruct and eembeddded Liinux ssystemm.Pressentlyy the contrrol prrojectts norrmallyy are PLC aand SCCM.PLCC normmally aims atsinngle pprojecct or smalll repeetitioon prooject，llacks in aggilityy and volumme，thee costt ishiigher compaarativvely；SSCM iss mainnly ussed inn the minittyp

6、e eequipmment，tthe coost anndthe powerr is llower，tthe effficieency iis higgher，bbut itt is hhard tto traansplaant.Inn ordeer toaadapt to thhe impprovemment oof infformattion iindusttry，thhe papper foocusess on sstronggpointta，weaakpoinnts annd appplied fieldds of PLC aand SCCM，andd putss forwward t

7、to adoopt ARRM9 emmbeddeed miccro coontrolller aand Liinux ooperattion ssystemm to ccontrool thee tempperatuure，Itthas aa goodd expaansibiility，ddependdabiliity，faast reesponsse speeed，smmall vvolumee，offeers annew tyype coontroll projject tto useers.Firstlyy the paperr disccussess the compoosing of

8、 thhe embbeddedd operrationn systtem，thhen deesignss the hardwware ssystemm of ttemperraturee conttrol ssystemm whicch maiinlycoonsistts of CPU mmodulee，anallog ciircuitt moddde，stoorage modulle andd commmunicaationmmodulee；In tthe deesign of sooftwarre sysstem，wwe aimm at tthe trranspllant oofBoott

9、-loadder，thhetrannsplannt of Linuxx kernnel，thhe taiilor oof rooot fille sysstem，tthe prrogrammming of dffiverssandappplicaationss.The funnctionns of systeem maiinly aare ciirculaarly ssampliing thhe datta froom thee ADchhannells，uplloadinng thee dataa to tthe seerver，aand reeceiviing thhe conntrol

10、data packaagefroom thee servver annd reccord llogs.TThrougg the onlinne tesst，we concllude tthat，tthe syystem is stteady，hhas goood saamplinng anddcontrrol efffect.It can bee goodd for reduccing tthe coost off prodductioon andd laboour inntensiity，annd guaaranteees thhe saffe prooductiion.Key worrds

11、：ARRM，Linnux，emmbeddeed sysstem，ttemperraturee conttrol ssystemm目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28595 1 绪 论 PAGEREF _Toc28595 1 HYPERLINK l _Toc29968 1.1 嵌入入式的概述 PAGEREF _Toc29968 1 HYPERLINK l _Toc10921 1.1.1 嵌入式系统统的定义 PAGEREF _Toc10921 1 HYPERLINK l _Toc1473 1.1.2 嵌入式系统统的特点 PAGEREF _Toc1473 2 HYP

12、ERLINK l _Toc23037 1.2 国内内外现状以及及研究意义 PAGEREF _Toc23037 2 HYPERLINK l _Toc24881 1.3 选题题背景和主要要工作 PAGEREF _Toc24881 3 HYPERLINK l _Toc25225 2 温度控制制系统总体方方案设计 PAGEREF _Toc25225 5 HYPERLINK l _Toc29074 2.1 系统统概述 PAGEREF _Toc29074 5 HYPERLINK l _Toc17272 2.2 系统统的总体架构构 PAGEREF _Toc17272 5 HYPERLINK l _Toc26

13、679 2.2.1 硬件系统的的设计原则 PAGEREF _Toc26679 5 HYPERLINK l _Toc9300 2.2.2 系统硬件的的整体结构 PAGEREF _Toc9300 6 HYPERLINK l _Toc17381 2.2.3 系统软件的的整体结构 PAGEREF _Toc17381 6 HYPERLINK l _Toc12457 3 温度控制制系统的硬件件设计 PAGEREF _Toc12457 8 HYPERLINK l _Toc29286 3.1 ATT91RM99200芯片片介绍 PAGEREF _Toc29286 8 HYPERLINK l _Toc5573

14、3.1.1 ARM9220T处理器器概述 PAGEREF _Toc5573 8 HYPERLINK l _Toc12245 3.1.2 ARM9220T系统结结构分析 PAGEREF _Toc12245 8 HYPERLINK l _Toc23377 3.1.3 ARM9220T的存储储器格式 PAGEREF _Toc23377 10 HYPERLINK l _Toc6469 3.2 外围围电路设计 PAGEREF _Toc6469 10 HYPERLINK l _Toc21980 3.2. 1 AT911RM92000相关接口口和控制器 PAGEREF _Toc21980 10 HYPERL

15、INK l _Toc21939 3.2.2 模拟电路设设计 PAGEREF _Toc21939 12 HYPERLINK l _Toc10890 3.2.3 存储模块设设计 PAGEREF _Toc10890 14 HYPERLINK l _Toc3933 3.2.4 通讯模块设设计 PAGEREF _Toc3933 16 HYPERLINK l _Toc21902 4 嵌入式LLinux操操作系统的建建立 PAGEREF _Toc21902 17 HYPERLINK l _Toc2289 4.1 交叉叉编译环境的的建立 PAGEREF _Toc2289 17 HYPERLINK l _Toc

16、28947 4.2 Booot-Looader模模块设计 PAGEREF _Toc28947 18 HYPERLINK l _Toc13629 4.2.1 Boot-Loadeer概述 PAGEREF _Toc13629 18 HYPERLINK l _Toc10428 4.2.2 AT91RRM92000的启动流程程 PAGEREF _Toc10428 19 HYPERLINK l _Toc11582 4.2.3 Boot-Loadeer的移植 PAGEREF _Toc11582 20 HYPERLINK l _Toc26089 4.3 M Linuxx的移植 PAGEREF _Toc260

17、89 22 HYPERLINK l _Toc32705 4.4 基于于NandFFlash的的文件系统设设计 PAGEREF _Toc32705 23 HYPERLINK l _Toc28403 4.5 ATT91RM99200系统统内核的烧写写 PAGEREF _Toc28403 25 HYPERLINK l _Toc2839 4.6 嵌入入式Linuux的设备驱驱动程序 PAGEREF _Toc2839 26 HYPERLINK l _Toc5012 4.6.1 设备驱动程程序的开发过过程 PAGEREF _Toc5012 26 HYPERLINK l _Toc22289 4.6.2 加载

18、和卸载载驱动程序 PAGEREF _Toc22289 27 HYPERLINK l _Toc23214 4.6.3 模数转换电电路的驱动程程序设计 PAGEREF _Toc23214 27 HYPERLINK l _Toc30414 5 温度控制制系统应用程程序的设计 PAGEREF _Toc30414 29 HYPERLINK l _Toc14836 5.1 相关关概念 PAGEREF _Toc14836 29 HYPERLINK l _Toc17567 5.1.1 进程 PAGEREF _Toc17567 29 HYPERLINK l _Toc6204 5.1.2 进程间通信信 PAGER

19、EF _Toc6204 30 HYPERLINK l _Toc12984 5.1.3 共享内存 PAGEREF _Toc12984 30 HYPERLINK l _Toc4789 5.1.4 信号量 PAGEREF _Toc4789 31 HYPERLINK l _Toc22045 5.1.5 套接字 PAGEREF _Toc22045 32 HYPERLINK l _Toc19645 5.2 温度度控制系统应应用程序设计计 PAGEREF _Toc19645 33 HYPERLINK l _Toc9610 5.2.1 主程序功能能与实现 PAGEREF _Toc9610 34 HYPERLI

20、NK l _Toc10121 5.2.2 AD数据采采集程序功能能与实现 PAGEREF _Toc10121 34 HYPERLINK l _Toc29961 5.2.3 DA数据采采集程序功能能与实现 PAGEREF _Toc29961 37 HYPERLINK l _Toc26626 5.2.4 网络通信程程序功能与实实现 PAGEREF _Toc26626 38 HYPERLINK l _Toc15065 5.2.5 日志记录程程序功能与实实现 PAGEREF _Toc15065 41 HYPERLINK l _Toc17534 5.3 Maakefille的编写和和源文件的编编译 PA

21、GEREF _Toc17534 42 HYPERLINK l _Toc20677 结 论 PAGEREF _Toc20677 44 HYPERLINK l _Toc24890 致 谢 PAGEREF _Toc24890 45 HYPERLINK l _Toc15662 参考文献 PAGEREF _Toc15662 466 HYPERLINK l _Toc14792 附录 A 英文文原文 PAGEREF _Toc14792 47 HYPERLINK l _Toc5724 附录 B 中文文翻译 PAGEREF _Toc5724 55 HYPERLINK l _Toc17801 附录 C 程序序代码

22、 PAGEREF _Toc17801 611 绪 论1.1 嵌入入式的概述随着微电子技术术的发展，嵌嵌入式系统被被广泛应用于于工业领域、无无线通信领域域、智能仪表表，消费电子子等各个领域域。它以嵌入入式应用为目目的，将计算算机硬件和软软件相结合，完完成特定的任任务和功能。嵌嵌入式系统在在形式上可以以分为系统级级、板级、器器件级。系统统级指的s各种工控机机，板级是指指带有CPUU的主板和OOEM(OrriginaalEquiipmentt Manuufactuurer)产产品，器件级级以单片机最最为典型，后后来许多半导导体厂商以嵌嵌入式应用为为目标，形成成嵌入式微处处理器，并有有许多嵌入式式操作

23、系统的的支持。通常常嵌入式系统统是针对某一一特殊领域而而专门设计和和应用的，既既要求产品体体积小、实时时性好、系统统可靠性好，又又要求产品的的性价比高。所所以对嵌入式式系统开发来来说，如何针针对某种具体体应用来选择择合适的嵌入入式处理器，使使嵌入式操作作系统与之配配合是非常关关键的。1.1.1 嵌入式系统统的定义嵌入式系统（EEmbeddded syystem）也也称嵌入式计计算机系统。顾顾名思义，嵌嵌入式系统是是计算机的一一种特殊形式式，所以在理理解嵌入式系系统概念前，必必须先明确计计算机的基本本概念。计算算机是能按照照指令对各种种数据进行自自动加工处理理的电子设备备，一套完整整的计算机系系

24、统包括硬件件和软件两个个部分。软件件是指令与数数据的集合，而而硬件则是执执行指令和处处理数据的环环境平台，是是那些看得见见、摸得着的的部件。计算算机的硬件系系统主要由中中央处理器（CPU）、存储器、外部设备以及连接各个部分的计算机总线组成。嵌入式系统是以以应用为中心心、计算机技技术为基础，软软、硬件可剪剪裁，适应应应用系统对功功能、可靠性性、成本、体体积、功耗严严格要求的专专用计算机系系统。上述定定义较好地描描述了嵌入式式系统各方面面的特征，不不同的应用对对计算机的有有不同的需求求，嵌入式计计算机在满足足应用对功能能和性能需求求的前提下，还还要适应应用用对计算机的的可靠性、机机械结构、功功耗、

25、环境适适应性等方面面的要求，在在一般情况下下，还要尽量量降低系统的的成本。简单单地说，嵌入入式系统是为为具体应用定定制的专用计计算机系统，定定制过程既体体现在软件方方面，也体现现在硬件方面面。硬件上，针针对应用，选选择适当的芯芯片、体系结结构，设计满满足应需求的的接口、设计计方便安装的的机械结构；软件上则明明确是否需要要操作系统、配配置适当的系系统软件环境境、编写专门门的应用软件件2。1.1.2 嵌入式系统统的特点(1)是“专用用的计算算机系统嵌入式系统微处处理器大多非非常适合于工工作在为特定定用户群所设设计的系统中中，称为“专专用微处理器器，它专用用于某个特定定的任务，或或者很少的几几个任务

26、。(2)运行环境境差异大嵌入式系统无处处不在，但运运行环境差异异也很大，可可运行在飞机机上，冰天雪雪地的两极中中，骄阳似火火的汽车里。特特别是在恶劣劣的环境或突突然断电的情情况下，系统统仍能够正常常工作。(3)比通用PPC系统资源源少通用PC系统有有数不胜数的的系统资源，可可轻松地完成成各种工作。而而嵌入式处理理器结构简单单，资源较少少。(4)功耗低，体体积小，集成成度高，成本本低通用PC发热量量大，功耗大大，空间大，而而嵌入式微处处理器必须嵌嵌入到对象的的体系中所以以必须严格控控制其功耗和和体积，同时时为了减低成成本，系统必必须进行量体体裁衣，去除除冗余力争用用较少的软硬硬件资源实现现较高的

27、性能能3。1.2 国内内外现状以及及研究意义目前以信息家电电为代表的互互联网时代嵌嵌入式产品，不不仅为嵌入式式市场的发展展展现了美好好的前景，还还给嵌入式技技术的发展注注入了新的生生命力。主要要的发展趋势势有：（1)联网成为为必然趋势为了适应嵌入式式分布式处理理器结构和应应用上的需求求，面向211世纪的嵌入入式系统要求求配备标准的的一种或多种种网络通讯接接口。针对外外部联网要求求，嵌入式设设备必须配有有通讯接口，以以及相应的TTCP/IPP协议栈支持持。同时由于于家用电器互互联的要求，新新一代嵌入式式设备还须具具备USB，BB1uet000th或IIrDA等通通讯接口，同同时也需要提提供相应的

28、通通讯组网协议议。（2)支持小型型电子设备实实现小尺寸，微微功耗和低成成本由于消费类电子子以及应用场场合的需要，嵌嵌入式的集成成度越来越高高，体积越来来越小，功耗耗越来越低。由由于限制了内内存容量和复复用接口芯片片，这就提高高了嵌入式系系统软件设计计的要求，使使设计者不得得不选用最佳佳的编程模型型和最佳的软软件算法，优优化程序。（3)提供精巧巧的多媒体人人机界面嵌入式设备之所所以为亿万用用户乐于接受受，其中重要要的因素之一一就是他们与与使用者之间间的亲和力以以及自然的人人机交互界面面。如银行的的存取款机以以及汽车GPPS导向系统统等，都具有有良好的人机机界面。工业控制，这一一当今热门领领域更是

29、让嵌嵌入式系统找找到了一个良良好的发展空空间。从上世世纪90年代代开始，工业业控制开始向向一体化的智智能控制方向向发展，即采采用微电子技技术，实现机机电一体化，计计控一体化，人人机一体化。而而嵌入式工业业控制系统其其具有功耗小小，集成度高高，专用性强强，速度快，编编程方便，价价格低等优点点逐渐成为当当今工业控制制的首选。当今的中国已经经成为世界的的制造工厂，我我国是一个工工业制造的大大国，但绝对对不是一个工工业制造的强强国，一个制制约我国成为为工业制造强强国的根本因因素是工业控控制系统设计计，而工业控控制系统的设设计关键在于于工业控制器器的设计。自自从19655年我国研制制出第一块集集成电路至

30、今今，集成电路路产业已经经经历了40多多年风风雨雨雨，可现在依依然落后于发发达国家，甚甚至不如后起起的一些国家家和地区。原原因是多方面面的。利用嵌嵌入式系统带带来的良好机机遇，采取特特色产品战略略，大力发展展各种具有自自主知识产权权的IP(IIntellligencce Proopertyy)核H1，形形成技术积累累和IC产品品特色，满足足工业控制的的市场需求，缩缩短技术差距距，使我国不不仅仅是一个个制造大国，而而且成为一个个制造强国。因此，研究如何何将嵌入式控控制系统应用用到工业控制制中，实现工工业控制的网网络化，智能能化，一体化化对我国工业业控制水平的的发展具有积积极的现实意意义。1.3

31、选题题背景和主要要工作温度的测量和控控制在工业生生产中有广泛泛的应用，尤尤其在石油、化化工、电力、冶冶金等重要工工业领域中，对对温度的测量量和监控是非非常重要的一一个环节。很很多行业需要要使用大量的的加热设备，诸诸如热处理的的加热炉，用用于融化金属属的坩埚炉，以以及各种反应应炉等，这样样，温度就成成了工业控制制中的一项重重要的被控参参数。由于炉炉子的种类，用用途，实现手手段的不同，各各种加热方法法也不尽相同同，比如煤气气、天然气、油油、电力等等等，但就其控控制系统本身身的动态性而而言，基本属属于大惯性，纯纯滞后环节。目前控制方案主主要是采用传传统的PLCC和单片机进进行控制，满满足了用户大大多

32、数场合的的需要。PLLC主要是针针对单项工程程或者重复数数极少的项目目，灵活性相相对不足，并并且体积大，成成本相对较高高，功能扩展展需要较多的的模块；而单单片机主要用用于小型设备备的控制，尤尤其是专业电电子设备的控控制，具有成成本低，功耗耗低，效率高高的特点，但但是也存在程程序一次性拷拷入后无法修修改，对外围围设备的控制制较低，抗干干扰能力差等等缺点。为了了适应信息产产业的发展，新新技术革新以以及产业的专专业化现代化化的发展，本本文采用Attmel公司司的32位AARM9嵌入入式微控制器器Arm91RM99200和LLinux操操作系统实现现温度控制，具具有系统扩展展性强、可靠靠性高、测量量和

33、控制精度度较高、多任任务实时调度度、响应速度度快、体积小小等特点，为为用户提供了了一种新型的的控制方案1。本文的工作主要要分为3个部部分：一是温度控制制系统的硬件件设计，二是是嵌入式linnux操作系系统的建立，三是温度控控制系统应用程序序的设计。2 温度控制制系统总体方方案设计2.1 系统概概述该温度控制系统统主要由模拟拟电路，主控控制电路，数数据存储模块块，输入输出出模块，通讯讯模块等组成成。主控制电电路由ARMM及其外围电电路组成，是是温度控制系系统的核心部部分，完成整整个系统的控控制，数据传传输与存储和和信号的处理理等工作处理理器对模拟电电路采集进来来的模拟量进进行A/D转转换得到实时

34、时温度数据，由由控制算法对对数据进行处处理，得到的的数字控制量量经过D/A转换后通通过输出电路路对温度进行行控制。处理理器在数据处处理过程中会会将历史数据据存入NanndFlassh中，并可可通过网络介介质与其他PPC机通讯进进行数据的传传输。2.2 系统统的总体架构构2.2.1 硬件系统的的设计原则硬件系统设计必必须遵循一下下原则：(1)稳定性和和可靠性：工工业现场环境境比较恶劣，模模拟量参数处处理的性能直直接影响系统统的技术指标标，必须从一一开始就充分分考虑应用现现场的各种环环境状况，采采取抗干扰措措施，选择适适当的元器件件类型和参数数，防止串扰扰和误差积累累。设计要充充分考虑硬件件电路的

35、简化化，使用集成成度较高的元元器件，提高高系统抗干扰扰性能，提高高稳定性和可可靠性。(2)速度与精精度：根据允允许误差限值值，按一定规规则分配各个个部件模块锁锁允许的误差差，系统设计计过程中根据据分配的允许许误差选择位位数较高的转转换芯片，提提高转换精度度，选定电路路结构。(3)功耗以及及数据存储：Arm9lRM99200自身身具有低功耗耗的特点，VVDDCORRE电流为330.4mAA，待机模式式电流为3.1mA，并并具有低速的的时钟操作模模式和软件功功耗优化能力力，非常适合合于能耗敏感感的场合。采采用低功耗器器件和贴片封封装元器件，可可有效降低功功耗，减小PPCB面积，提提高电路本身身的抗

36、干扰性性能。为保证证数据的存储储空间和安全全保证，系统统采用了一片片32M的NNandFllash作为为数据和程序序存储区，保保证了大容量量数据存储的的需要。2.2.2 系统硬件的的整体结构根据系统设计的的要求，系统统的整体框图图如图2.11所示：信号处理电路信号输出电路 AT91RM9200存储模块通讯模块 信号处理电路信号输出电路 AT91RM9200存储模块通讯模块 图2.1 系统统整体框图系统主要分为以以下四个模块块：(1)CPU核核心模块：主主要由CPUU以及外围电电路组成，是是系统的主控控制电路。CCPU选用AAtme公司司的基于删9920TARRM Thuumb处理器器AT9lI

37、ItM92000，对数据据进行处理，存存储，通讯等等功能。(2)模拟电路路：主要包括括信号处理电电路和信号输输出电路。其其中信号处理理电路主要完完成模拟输入入信号的放大大和滤波，得得到满足模数数转换电路输输入范围的数数值。信号输输出电路将算算法处理后的的数字量转换换成相应的模模拟信号输出出，实现对被被控对象的控控制。(3)存储模块块：主要由NNorFlaash、SDDRAM、NNandFllash三部部分组成。其其中，NorrFlashh用来存储系系统启动程序序和系统内核核；SDRAAM是操作系系统和应用程程序的运行空空间；NanndFlassh主要存储储采集的数据据以及应用程程序。(4)通讯

38、模块块：主要由串串行口电路，JJTAG电路路，以太网接接口电路三部部分组成，串串行口电路和和JTAG电电路用来下载载和调试程序序，以太网接接口电路用来来和其他PCC机或设备进进行通讯，实实现数据的交交换。1222.2.3 系系统软件的整整体结构ARM嵌入式软软件的开发流流程一般是：设计目标硬硬件板，建立立嵌入式Liinux开发发环境，编写写、调试Booot-Loadeer，编写、调调试Linuux内核，编编写、调试应应用程序，调调试ARM板板。从软件开发的角角度来看，一一个嵌入式LLinux系系统可以分为为以下4个层层次：(1)引导和加加载Linuux内核程序序，主要是编编制Boott.Loa

39、dder程序。BBoot-LLoaderr相当于PCC的BIOSS，在硬件板板一加电后就就开始运行，主主要完成硬件件初始化，同同时设置Liinux启动动时所需要的的参数，然后后跳到Linnux内核启启动代码的第第一个字节开开始引导Liinux。它它要用串行电电缆把PC与与硬件开发板板连接起来，在在PC端编译译程序，生成成bin文件件，然后烧写写到Flassh中。(2)Linuux内核。主主要工作是为为特定的嵌入入式硬件系统统板定制内核核以及内核的的启动参数。为为实现Linnux内核的的移植，需要要把编译生成成的Boott-loadeer、KerrnelImmage(内内核)、Rooot Fii

40、lesysstem(根根文件系统)烧写到Fllash中。在在编译内核的的时候，可以以根据需要选选择网络协议议，例如TFFTP、FTTP、DHJJP等。(3)和Linnux内核配配合使用的根根文件系统，包包括建立根文文件系统和建建立于Flaash设备上上的文件系统统。(4)用户应用用程序。主要要是针对采集集的数据类型型，进行相应应的数据处理理，以完成温温度控制和数数据通讯的目目的。本章从从总体上对该该系统的组成成以及各部分分的功能做了了简单的介绍绍，部分的具具体功能和步步骤将在后面面的几章作详详细的阐述。3 温度控制制系统的硬件件设计本章主要是温度度控制系统各各模块的硬件件设计，主要要包括模拟电

41、电路设计，存存储模块设计计，通讯电路路设计，输入入输出模块设设计。本设计计采用了Attmel公司司的ARM核核芯片AT991RM92200，首先先对该芯片的的功能做一些些必要的介绍绍。3.1 ATT91RM99200芯片片介绍Atmel公司司的AT9llRM92000是完全围围绕ARM9920T AARM Thhumb处理理器构建的系系统。它有丰丰富的系统与与应用外设以以及标准的接接口，提供了了一种低功耗耗、低成本、高高性能的微控控制器解决方方案。3.1.1 ARM9920T处理理器概述 ARM920TT高速缓存处处理器是 AARM9 TThumb系系列中高性能能的32位单单片系统处理理器。它

42、提供供完善的高性性能CPU子子系统：ARM9TDDMI RIISC整数CCPU16-K字节节指令与166-K字节数据据缓存指令与数据存存储器管理单单元(MMUUs)写缓冲器高级微处理器器总线架构(AMBA)总线接口 OETM(内内置追踪宏单单元)接口3.1.2 ARM9220T系统结结构分析ARM920TT中的ARMM9TDMII内核可执行行32位删及及16位Thhumb指令令集。ARMM9TDMII处理器是哈哈佛结构，包包括取指、译译码、执行、存存储和回写55级流水线。ARM920TT处理器包括括两个协处理理器：CPll4，控制软软件对调试信信道的访问：CPl5，系系统控制处理理器，提供11

43、6个额外寄寄存器用来配配置和控制缓缓存、MMUU、系统保护护、时钟模式式及其他系统统选项。ARRM920TT系统结构如如图3.1所所示：图3.1 AARM9200T 系统结结构图AT91RM99200包括括一个高速片片上SRAMM工作区及一一个低等待时时间的外部总总线接口(EEBI)，以以成应用所要要求的片外存存储器和内部部存储器映射射的无缝连接接。EBI有有同步DRAAM(SDRRAM)、BBurstFFlash及及静态存储器器的控制器，并并设计了专用用电路以方便便SmarttMediaa、ComppaetFllash及NNandFllash连接接。高级中断控制器器(AIC)通过多向向量、中

44、断源源优先级划分分和缩短终端端处理器传输输时间来提高高ARM9220T处理器器的中断处理理性能。外设数据控制器器(PDC)向所有的串串行外设提供供DMA通道道，使其与片片内或片外存存储器传输数数据时不用经经过处理器，以以减少传输连连续数据流时时处理器的开开销。包含双双指针的PDDC控制器极极大的简化了了AT91RRM92000的缓冲器连连接。并行I/O(PPIO)控制制器与I/OO复用外设输输入/输出口口线的配合，最最大程度地适适应器件的配配置。每条口口线上包含有有一个输入变变化中断、开开漏能力和可可编程上拉电电阻。电源管理控制器器(PMC)通过软件控控制处理器以以及各种外设设来使系统的的功耗

45、保持最最低。它用一一个增强的时时钟发生器提提供包括慢时时钟(32kkHz)在内内的选定时钟钟信号，以随随时优化功耗耗和性能。AAT91RMM9200集集成了许多标标准接口，包包括USB22.0全速主主机和设备端端口及在网络络层广泛使用用的10/1100Basse-T以太太网媒体访问问控制器(MMAC)。此此外，它还提提供了一系列列符合工业标标准的外设，可可在频、电信信、Flassh卡、红外外及智能卡中中使用。为完善性能，AAT91RMM9200集集成了包括JJTAG-ICE、专专门UARTT调试通(DDBGU)及及嵌入的实时时追踪的一系系列的调试功功能，这些功功能使得开发发所有的应用用特别是受

46、实实时性限制的的应用成为可可能。3.1.3 ARM9220T的存储储器格式ARM920TT支持字节(8位)、半半字(16位位)、字(332位)三种种数据类型，其其中字需要44字节对齐，半半字需要2字字节对齐。AARM9200T体系结构构将存储器看看作是从零地地址开始的字字节的线性组组合。从O字字节到3字节节放置第一个个存储的字数数据，从4字字节到7字节节放置第二个个存储的字数数据，依次排排列。作为332位的微处处理器，ARRM920TT体系结构所所支持的最大大寻址空间为为4GB(22字节)。AARM9200T体系结构构可以用两种种方法存储字字数据，大端端格式和小端端格式。大端端格式中字数数据的

47、高字节节存储在低地地址中，而低低字节存放在在高地址中；小端格式中中低地址存放放的是字数据据的低字节，高高地址存放的的是高字节。3.2 外围围电路设计3.2. 1 AT911RM92000相关接口口和控制器AT91RM99200的第第一级译码由由存储控制器器执行，即由由具有附加功功能的高级系系统总线执行行。译码将44G的地址空空间分为166个256MMB的区域。区区域l8对对应EBI，和和外部片选NNCS0NCS77相对应。区区域0为内部部存储器地址址，第二级译译码提供1MM字节的内部部存储空间。区区域15为外外设地址，并并且提供了对对高级外设总总线(APBB)的访问其其他区域未使使用，使用它它

48、们进行访问问时，需要向向发出访问请请求的主机发发出异常中断断。外部存储器映射射空间结构如如图3.2所示：图3.2外部存存储器映射空空间结构图外部总线接口口(EBI)设计用以确确保多个外设设和基于ARRM器件的内内置控制存储储器间的正确确数据传输。静静态存储器、SSDRAM及及Burstt Flassh控制器均均可作为EBBI上的外部部存储控制器器。这些外部部存储控制器器可以处理多多种类型的外外部存储器以以及外部设备备，如SRAAM、PROOM、EPRROM、EEEPROM、FFlash、SSDRAM及及Burstt F1assh。EBII通过集成电电路支持CoompacttFlashh与Sma

49、rrtMediia协议，从从而大大降低低了对外部组组件的需求。此此外，EBII可处理多达达8个外设的的数据传输，每每个外设分配配8个在内置置存储控制器器中定义的地地址空间。数数据通过166位或32位位数据总线进进行传输，地地址总线高达达26位，88个芯片选择择口(NCS77：0)用来片选选不同的外设设，多个控制制引脚可以在在不同外部存存储控制器间间复用。片选的分配如下下：.NCS0上为为Burstt Flassh控制器或或静态存储控控制器.NCSl上为为SDRAMM控制器或静静态存储控制制器.NCS3上为为静态存储控控制器，可选选支持SmaartMeddia.NCS4.NNCS6上为为静态存储

50、控控制器，可选选支持CommpactFFlash.NCS7上为为静态存储控控制器在本设计中，选选用NCS00作为Norr Flassh的片选信信号，NCSSl作为SDDRAM的片片选信号，NNCS3作为为NandFFlash的的片选信号，NNCS6作为为AD控制器器的片选信号号。静态存储控制器器(SMC)产生信号来来控制外部静静态存储器或或外设的访问问。SMC可可编程地址可可达512MM字节。它有有8个片选及及一个26位位地址总线。116位数据总总线配置与88位或16位位外部器件连连接。独立的的读写控制信信号允许存储储器与外设直直接连接。SSMC支持不不同的允许单单时钟周期存存储器访问的的访问

51、协议，同同时也提供了了外部等待请请求能力。 静态存储储控制器方框框图如图3.3所示：图3.3 静态态存储控制器器3.2.2 模拟电路设设计（1）信号处理理电路设计ADS78422是一个高效效的4通道112位精度的的模数转换芯芯片，它包含含一个带有采采样保持的112位的逐次次逼近寄存器器(SucccessivveApprroximaation Regisstcr，SSAP)，具具有并行的三三态输出驱动动器。ADSS7842在在2mW的功功率消耗下达达到200kkHz的采样样频率，参考考电压范围可可以从1000mV到Vccc，相应的的LSB范围围从24uvv到1.222mV。ADDS78422最低

52、可以在在2.7V的的电压下工作作。低功耗，高速速率以及自身身的多路复用用器使得ADDS78422成为体积小小重量轻的需需要多路数据据转换和测量量的嵌入式系系统的理想选选择。并且AADS78442可以在.40885的温度度范围内正常常工作，适合合工业现场的的恶劣环境。NCS2，NCCS4NCS7这这些片选系统统没有使用，可可以任意选择择一路作为译译码器的使能能信号。本设设计选择的是是NCS6，其其地址空间是是0 x7000000000 x7FFFFFFFFF，基地址为为0 x700000000016路模拟拟通道的地址址空间是0 xx70000004000 x70000005E，为为了选通这些些地

53、址，必须须通过译码器器对这些地址址进行译码，以以完成不同的的芯片操作.工业现场的测温温器件主要有有热电偶和热热电阻传感器器，测量出来来的信号值一一般很小，只只有201100mV，需需要通过温度度变送器转变变为标准的00(4)20mA电电流信号或者者(0)15VV的电压信号号。这里以常常见的420mA电电流信号为例例，16路标标准电压信号号连接多路开开关DG5006，为了稳稳定输入电压压和电流以保保护元器件或或者预设缺省省电位，应在在每路输入电电压进入多路路开关之前外外加470的下拉电阻阻。A3：0连接地址址线的AB4：11，多路选通通后，通过DD端输出。因因为ADS77842的输输入电压范围围

54、在-0.3V0.3V+Vcc之间间，Vcc使使用5V的直直流电压，所所以D端的输输出值接入AAD芯片之前前需要经过合合理的转换。经过OP07的的两次倒相后后，输入端44-20mmA的电流转转换为1-5V的电压压信号，以便便连入ADSS7842。本本设计中选用用ADS78842的通道道l，所以AA1：0接地。nAADC_CS分别与与系统读使能能信号NRDD和系统写使使能信号NWWR0相或后后作为芯片的的读写使能信信号，同时nnADC_CS作为片片选信号输入入。转换后的的数据存储在在DB111:0中44。（2）信号输出出电路设计DAC712是是一个高效的的16位并行行双缓冲D/A转换器，10v的电

55、电压输出，并并带有+100V的参考电电压精确温度度补偿。数字字接口是一个个快速的，660ns的最最小写脉冲宽宽度，当模拟拟信号输出复复位时有清除除功能。数据线的DB15：0接DAC7712的数据据输入端，nnDAC_CS0接使使能端A0，根据变送送器的不同的的需要，同样样可以通过搭搭接运算放大大电路把输出出信号转换成成420mmA或者1-5V的标准准信号。由于ADS78842的工作作电压是+55V，数字量量输出高电平平是+3.55V+5V，低低电平是00.4V，DDAC7122的工作电压压是12VV，数字量输输入高电平是是+2V110.6V，低低电平是0VV8V，而AAT91RMM9200的的

56、工作电压是是+3.3vv，所以要完完成两者的数数据通信必须须进行电平的的转换。本设设计选用744LVCHll622455芯片完成电电平之间的转转换。3.2.3 存储模块设设计（1）Nor Flashh存储器电路路设计Flash存储储器是一种可可在系统(IIn-Sysstem)进进行电擦写、掉掉电后信息不不丢失的存储储器。它具有有低功耗、大大容量、擦写写速度快、可可整片或分扇扇区在系统编编程(烧写)、擦除等特特点，在体积积、抗震性方方面都有很大大的优势，并并且可由内部部嵌入算法完完成对芯片的的操作，因而而在各种嵌入入式中得到广广泛的应用。作作为一种非易易失性存储器器，Flassh在系统中中通常用

57、于存存放程序代码码、常量表以以及一些在系系统掉电后需需要保存的用用户数据等。常常用的Flaash为8位位或16位的的数据宽度，编编程电压为单单3.3V。主主要生产厂商商为Atmeel、AMDD、Hyunndai等，他他们生产的同同型器件一般般具有相同的的电气特性和和封装形式，可可通用100。AT49BV3322A的工工作电压是22.6533.6V，单单片容量2MMX 16位位，采用488脚TSOPP封装，166位数据宽度度，可以8位位字节数据宽宽度工作。FFlash分分成71个扇扇区，通过对对其内部的命命令寄存器写写入标准的命命令序列，可可对Flassh完成编程程、整片擦除除、按扇区擦擦除以及

58、其他他操作。Flash中主主要存放程序序代码、系统统内核、常量量表等等，选选用一片166位的Flaash存储器器构建Flaash存储系系统已经足够够，本设计采采用一片2MMXl6位的的AT49BBV322AA作为Flaash存储系系统，容量为为4MB。由由于Flassh的特殊性性，系统上电电或复位后从从此处获取指指令并开始执执行，因此，应应将存有程序序代码的Fllash存储储器配置到CChipseelect00上。即将NNCS0连至至AT49BBV322AA的/CE端。AT91RM99200的NNCS0连接接/CE端，起起始地址为00 xl00000000；AT91RRM92000的NRD接接

59、/OE端；NWRO接接/VIE端端；地址总线线A20：1连接地址端端口Al9：0，数据总线线DB155：0连接数据端端口DQ115：0。（2） SDRRAM电路设设计与Flash不不同，SDRRAM不具有有掉电保持数数据的特性，但但其存取速度度大大高于FFlash存存储器，具有有读写的属性性，因此SDDRAM在系系统中主要用用于程序的运运行空间，数数据及堆栈区区。当系统启启动时，CPPU首先从复复位地址0 xx0处读取启启动代码，在在完成系统的的初始化后，程程序代码一般般调入SDRRAM中运行行，以提高系系统的运行速速度，同时，系系统及用户堆堆栈、运行数数据也都放在在SDRAMM中。SDRAM

60、的存存储单元可以以理解为一个个电容，总是是倾向于放电电，为避免数数据丢失，必必须定时刷新新(充电)。因因此要在系统统中使用SDDRAM，就就要求微处理理器具有刷新新控制逻辑，或或是在系统中中另外加入刷刷新控制逻辑辑电路。ATT91RM99200芯片片在片内具有有独立的SDDRAM刷新新控制逻辑，可可方便地与SSDRAM接接口。本设计采用的是是Hyunddai公司的的HY57VV2816220H，单片片容量为4BBanksXX 2MX116位，工作作电压3.33V，采用554脚TSOOP，兼容LLTTL接接口，支持自自动刷新(AAuto-Refreesh)和自自刷新(Seelf-Reefresh