基于嵌入式技术的烟气检测监控系统的设计

基于嵌入式Linux的网络视频监控系统的研究基于嵌入式Linux的网络视频监控系统的研究页脚内容页脚内容基于嵌入式Linux的网络视频监控系统的研究页脚内容设计报告课程名称：嵌入式课程设计学院：电气与信息工程学院专业班级：通信工程XX班\XX号学生姓名：XXX指导教师：XXXX完成时间：2013年06月23日报告成绩：评阅意见：评阅意见：评阅教师日期目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 31、芯片及操作系统简介 41.1、微处理器（STM32F107）简介 41.2、以太网芯片资料 41.3、ucosII简介 51.4、系统结构框图 62、部分电路原理图及其原理 62.1、STM32F107最小系统电路图 62.2、以太网部分原理及电路原理图 72.3、以太网的RMll模式描述 82.4、烟气浓度检测模块原理 113、系统软件设计 12总结 16参考文献 16基于嵌入式技术的烟气检测监控系统的设计摘要随着工业现代化的飞速发展，给人们带来的便利和健康，同时也给环境带来了重大的威胁，工业生产过程中排放的大量的废气，严重污染了环境和影响的人们的健康，为了减少废气排放对人们造成的影响，即需要对烟气进行监控。本设计研制了以嵌入式技术ucosII为核心的烟气检测监控系统，着重阐述了系统的总体结构、工作原理和基于STM32F107微处理器芯片的关键字：嵌入式技术；ucosII；STM32F1071、芯片及操作系统简介1.1、微处理器（STM32F107）简介STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/sAD(模数转换器)(快速交替模式下2Msample/s)、两个12位DA(数模转换器)、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口和高质量数字音频接口IIS，另外STM32F107拥有全速USB（OTG）接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100MAC模块。此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。STM32F107VX（32位RISC性能处理器）1、32位ARMCortex-M3结构优化2、72MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz3、硬件除法和单周期乘法4、快速可嵌套中断，6~12个时钟周期5、具有MPU保护设定访问规则6、64K~256KBFlash，高达64KB的SRAM1.2、以太网芯片资料DP83848C由美国国家半导体（NS）公司生产的集成以太网控制芯片，芯片是一种10/100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，支持10/100M的以太网通信，同时也支持MII和RMI接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。由于远超过IEEE规格的电缆长度性能，以及为10BASE-T和100BASE-TX以太网协议的应用提供低成本解决方案的特性，该器件在基于高端外围设备、工业控制、工厂自动化、通用的嵌入式应用等领域中广泛采用，并确保与基于其他标准的以太网产品相互兼容及实现互操作。该芯片的主要特性如下：1、低功率3.3V、0.18&微米CMOS技术2、低功耗<270mW(典型值)3、3.3VMAC接口4、对10/100Mb/s速度的Auto-MDIX5、能量检测模式25MHz时钟输出SNI接口(可配置)RMII版本1.26、接口(可配置)MII串行管理接口(MDC和MDIO)IEEE802.3uMII7、IEEE802.3u自动-谈判及并行检测8、IEEE802.3uENDEC、10BASE-T收发器及滤波器9、综合式ANSIX3.263标准TP-PMD物理子层，具备自适应均衡和基线漂移补偿长达137米的无故障工作10、可编程LED支持链路、10/100Mb/s模式、主动和冲突检测11、完全PHY状态的单一寄存器存取12、10/100Mb/s信息包BIST(内部自检)1.3、ucosII简介μC/OS-II是一种可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，抢占式的，实时多任务操作系统内核。它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器。μC/OS-II的前身是μC/OS，最早出自于1992年美国嵌入式系统专家JeanJ.Labrosse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μC/OS的源码发布在该杂志的BBS上。μC/OS和μC/OS-II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。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200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CPU上。用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌入到开发的产品中。μC/OS-II具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB。μC/OS-II已经移植到了几乎所有知名的CPU上。严格地说uC/OS-II只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理，文件系统，网络等额外的服务。但由于uC/OS-II良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现。uC/OS-II目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个内核之上提供最基本的系统服务，如信号量，邮箱，消息队列，内存管理，中断管理等。uC/OS-II以源代码的形式发布，是开源软件,但并不意味着它是免费软件。你可以将其用于教学和私下研究（peacefulresearch）；但是如果你将其用于商业用途，那么你必须通过Micrium获得商用许可。1.4、系统结构框图系统机构框图如图1.1所示。 STM32F107（ucosII）烟气浓度检测模块以太网传输模块液晶显示模块图1.1系统结构框图2、部分电路原理图及其原理2.1、STM32F107最小系统电路图如图2.1所示，为STM32F107单片机的最小系统原理图。图2.1最小系统图图2.1最小系统图2.2、以太网部分原理及电路原理图 如图2.2所示，为以太网传输部分电路原理图。图2.2以太网部分电路原理图图2.2以太网部分电路原理图DP83848C配合RMII标准接口提供了一种连接方案，可以减少MAC至PHY接口所需要的引脚数目。该方案使得设计工程师在保持IEEE802.3规范中所有特性的同时，降低系统设计成本。正因为如此，DP83848C能够更好地适应工业控制和工厂自动化，以及通用嵌入式系统等应用场合。硬件配置DP83848C的X1(34)脚上提供50MHzCMOS电平的振荡信号。在上电和复位时，强制DP83848C进入RMII模式。方法是通过在RX_DV/MII_MODE(39脚)接入一个上拉电阻。。

2.3、以太网的RMll模式描述RMII模式在保持物理层器件现有特性的前提下减少了PHY的连接引脚。RMII由参考时钟REF_CLK、发送使能TX_EN、发送数据TXD[1：0]、接收数据RXD[1：0]、载波侦听/接收数据有效CRS_DV和接收错误RX_ER(可选信号)组成。在此基础上，DP83848C还增加了RX_DV接收数据有效信号。1、REF_CLK——参考时钟REF_CLK是一个连续时钟，可以为CRS_DV、RXD[1：O]、TX_EN、TXD[1：O]、RX_DV和RX_ER提供时序参考。REF_CLK由MAC层或外部时钟源源提供。REF_CLK频率应为50MHz±50×10-6，占空比介于35%和65%之间。在RMII模式下，数据以50MHz的时钟频率一次传送2位。因此，RMII模式需要一个50MHz有源振荡器(而不是晶振)连接到器件的X1脚。2、TX_EN——发送使能TX_EN表示MAC层正在将要传输的双位数据放到TXD[1：O]上。TX_EN应被前导符的首个半字节同步确认，且在所有待传双位信号载入过程中都保持确认。跟随一帧数据的末2位之后的首个REF_CLK上升沿之前，MAC需对TX_EN取反。TX_EN的变化相对于REF_CLK是同步的。3、TXD[1：0]——发送数据TXD[1：O]的变换相对于REF_CLK是同步的。TX_EN有效后，PHY以TXD[1：0]作为发送端。在10Mbps模式下，由于REF_CLK的频率是在10Mbps模式中数据速率的10倍。因此TXD[1：0]上的值必须在10个脉冲期间保持稳定，确保DP83848C能够每隔10个周期进行采样。发送时序如图5所示，发送延时情况如表l所列。其中，PMD为物理介质关联层(physicalmediadepen-dent)接口。4、RXD[1：0]——接收数据RXD[1：0]转换是与REF_CLK同步的。在CRS_DV有效后的每个时钟周期里，RXD[1：O]接收DP83848C的两位恢复数据。在某些情况下(如数据恢复前或发生错误)，则接收到的是RXD[1：O]的预确定值而不是恢复数据。CRS_DV解除确认后，RXD[1：O]为“00”，表示进入空闲状态。CRS_DV确认后，在产生正确的接收解码之前，DP83848C将保证RXD[1：0]=“00”。DP83848C提供的恢复数据总是半字节或成对双位信号的形式，这对于由前导符开始的所有数据值都成立。因为CRS_DV是异步确认的，不能假设先于前导符的“00”数据会是双位信号形式。100Mbps模式下，在CRS_DV确认之后的正常接收过程中，RXD[1：O]将会保持“00”，直到接收器检测到正确的起始串分界符(STartSt-reamDelimiter，SSD)。一旦检测到SSD，DP83848C将会驱动前导符(“01”)，后面紧跟着起始帧分界符(StartofFrame.Delimiter，SFD)(“01”“01”“01”“11”)。MAC应该开始SFD之后的数据。如果检测到接收错误，在载波活动结束前，RXD[1：0]将会替换为接收字符串“01”。而由于帧中剩余数据被替换，MAC的奇偶校验将会拒绝错误的信息包。如果检测到错误的载波(坏的SSD)，RXD[1：O]将会替换为“10”，直到接收事件结束。这种情况下，RXD[1：O]将会从“00”变为“10”，而无需标明前导符(“01”)。10Mbps模式下，CRS_DV确认后，RXD[1：O]将会一直保持“00”，直到DP83848C有恢复脉冲并能对接收数据进行解码为止。当存在有效接收数据时，RXD[1：O]以“01”为前导符接收恢复的数据值。因为REF_CLK频率是10Mbps模式下数据速率的10倍，MAC对RXD[1：0]上的值每隔10个周期采样一次。接收时序如图6所示，接收延时情况如表2所列。5、RX_DV——接收数据有效尽管RMII并不要求，DP83848C还是提供了一个RX_DV信号。RX-DV是没有结合CRS的接收数据有效信号(ReceiveDataValid)。第一个正确的恢复数据(前导符)或伪载波检测到来时，RX_DV被确认，在恢复数据的末两位传送之后解除确认。通过使用该信号，全双工MAC不必再从CRS_DV信号中恢复RX_DV信号。6、CRS_DV——载波侦听/接收数据有效当接收介质处于非空闲状态时，由PHY来确认CRS_DV。在载波检测中，CRS_DV依据与工作模式相关的标准异步确认。10BASE_T模式下，静噪通过时发生该事件。在100BASE-TX模式，当10位中检测到2个非相邻的零值时，发生该事件。在RMII规范(1.2版)中提到，载波丢失将导致与REF_CLK周期同步的CRS_DV解除确认，这在RXD[1：O]半字节的首两位出现(即CRS_DV仅在半字节边界解除确认)。在CRS_DV首次解除确认后，如果DP83848C还有数据位要加在RXD[1：O]上，则在REF_CLK周期中，DP83848C应在每半个字节的第2个双位上确认CRS_DV，并在一个半字节的第1个双位解除确认。这样，从半字节边界开始，到CRS(载波侦听/接收信号)在RX_DV前结束时，CRS_DV以25MHz(100Mbps模式)或2.5MHz(10Mbps模式)的频率翻转(假设当载波事件结束时DP83848C还有待传送的数据位)。通过编程DP83848C能够与RMII规范(1.0版)很好地兼容。在该模式下，CRS_DV将会异步地与CRS进行确认，但是要等传送完最后的数据时才会解除确认，CRS_DV在数据包的末端不会被翻转。该模式虽然不能对来自CRS_DV的CRS信号进行精确的恢复，但是却可以使MAC层的设计更简单。在出错的载波活动时间中，CRS_DV保持确认。一旦确认CRS_DV，则可以认为在RXD[1：O]上的数据是有效的。然而，由于CRS_DV的确认相对于REF_CLK是异步的，因而在正确解码接收信号之前，RXD[1：0]上的数据应为“00”。7、RX_ER——接收错误遵照IEEE802.3标准的规定，DP83848C提供一个RX_ER输出端。RX_ER可以维持一个或更多的REFCLK周期，来标识一个在当前PHY到帧的传输过程中曾出现的错误(MAC子层不一定能检测到，但PHY可以检测到的编码错误或其他错误)。RX_ER的变化相对于REF_CLK是同步的。由于DP83848C是通过以固定数据代替原来数据的方式干扰到RXD[1：O]，所以MAC不需要RX_ER，而只需CRC校验(即奇偶校验)就可以检测到错误。8、冲突检测RMII不向MAC提供冲突标志。对于半双工操作，MAC必须从CRS_DV和TX_EN信号中产生它自己的冲突检测。为了实现这一点MAC必须从CRS-DV信号中恢复CRS信号，并和TX_EN进行逻辑与。注意，不能直接使用CRS_DV，因为CRS_DV可能在帧的末端触发以标志CRS解除确认。 2.4、烟气浓度检测模块原理 烟气分析仪的工作原理常用两种，一种是电化学工作原理，另一种是红外工作原理。目前市场上的便携式烟气分析仪通常是这两种原理相结合，J2KN烟气分析仪也不例外。以下是这两种烟气分析仪的工作原理介绍：电化学气体传感器工作原理：将待测气体经过除尘、去湿后进入传感器室，经由渗透膜进入电解槽，使在电解液中被扩散吸收的气体在规定的氧化电位下进行电位电解，根据耗用的电解电流求出其气体的浓度。在一个塑料制成的筒状池体内安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体在电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。可测量SO2、NO、NO2、CO、H2S等气体，但这些气体传感器灵敏度却不相同，灵敏度从高到低的顺序是H2S、NO、NO2、SO2、CO，响应时间一般为几秒至几十秒，一般小于1min；它们的寿命，短的只有半年，长则2年、3年，而有的CO传感器长达几年。红外传感器工作原理:利用不同气体对红外波长的电磁波能量具有特殊吸收特性的原理而进行气体成分和含量分析。红外线一般指波长从0.76μm至1000μm范围内的电磁辐射。在红外线气体分析仪器中实际使用的红外线波长大约在1~50μm技术参数-*多功能烟气分析仪可以测量:O2,CO,NO,NO2,NOx,SO2,NH3等烟气参数，还可以测量烟气温度和烟气压力、差压、流速等-计算:CO2,燃烧效率,热损失,过量空气系数,烟气露点，参比氧换算-LCD图文显示-*分析仪由无线手操作控制器控制操作仪器，覆盖距离可到50米远-烟气温度搜寻烟气中心点，使测量数据具有代表性-*帕尔帖气体冷却器和冷凝水排放蠕动泵-电子检测冷凝水,一旦到达排放值，自动启动蠕动泵排放冷凝水-气体预处理带有精细过滤器单元，有效过滤烟尘和颗粒物-*内置高速热敏打印机，现场打印数据-采样探管300mm双层管壁带有加热烟黑测量,带操作手柄和3米标准采样管线-直径10mm不锈钢采样探管，长度1000mm，耐温1000-*耐NOx和NH3采样管线，特氟龙材质，长度3.5米，防止NOx和SO2对管路腐蚀-*加热采样系统,加热采样管线3.3m，加热过滤器头带有300mm探管和1米探管，-*差压测量+/-100hPa;及流速测量计算，包括L型皮托管直径8mm,长度1000mm,-进口大功率采样气泵，带可视流量计显示-CO气路SO2/NOx过滤器，保证CO的测量精度-开机自校准不超过1分钟，测量完毕后，自动抽取清新空气清洗传感器-具有CO超量程自动关断保护功能-*DAS数据采集软件和无线数据采集器USB-HF，实时采集数据传输到PC-*128MBMMC数据存储卡，用于仪器自动测量，存储记录值可达38万-市电/蓄电池，交直流两用供电-铝合金框架仪器箱过滤芯及耗材：-20支精细过滤器-热敏打印纸20卷3、系统软件设计 软件配置以太网PHY的软件初始化流程如图2.3所示。图2.3软件初始化流程图2.3软件初始化流程以太网初始化程序如下：voidEthernet_Init(void){ ETH_InitTypeDefETH_InitStructure; uint32_ttemp; Ethernet_Configuration(); /*MII/RMIIMediainterfaceselection*///MII_MODE/*ModeMIIwithSTM3210C-EVAL*/ GPIO_ETH_MediaInterfaceConfig(GPIO_ETH_MediaInterface_MII);/*GetHSEclock=25MHzonPA8pin(MCO)*/RCC_MCOConfig(RCC_MCO_HSE);/*ResetETHERNETonAHBBus*/ETH_DeInit();/*Softwarereset*/ETH_SoftwareReset();/*Waitforsoftwarereset*/while(ETH_GetSoftwareResetStatus()==SET);/*ETHERNETConfiguration*//*CallETH_StructInitifyoudon'tliketoconfigureallETH_InitStructureparameter*/ETH_StructInit(Ð_InitStructure);/*FillETH_InitStructureparametrs*//*MAC*/ETH_InitStructure.ETH_AutoNegotiation=ETH_AutoNegotiation_Enable;ETH_InitStructure.ETH_LoopbackMode=ETH_LoopbackMode_Disable;ETH_InitStructure.ETH_RetryTransmission=ETH_RetryTransmission_Disable;ETH_InitStructure.ETH_AutomaticPadCRCStrip=ETH_AutomaticPadCRCStrip_Disable;ETH_InitStructure.ETH_ReceiveAll=ETH_ReceiveAll_Disable;ETH_InitStructure.ETH_BroadcastFramesReception=ETH_BroadcastFramesReception_Enable;ETH_InitStructure.ETH_PromiscuousMode=ETH_PromiscuousMode_Disable;ETH_InitStructure.ETH_MulticastFramesFilter=ETH_MulticastFramesFilter_Perfect;ETH_InitStructure.ETH_UnicastFramesFilter=ETH_UnicastFramesFilter_Perfect;#ifdefCHECKSUM_BY_HARDWAREETH_InitStructure.ETH_ChecksumOffload=ETH_ChecksumOffload_Enable;#endif/*DMA*//*WhenweusetheChecksumoffloadfeature,weneedtoenabletheStoreandForwardmode:thestoreandforwardguaranteethatawholeframeisstoredintheFIFO,sotheMACcaninsert/verifythechecksum,ifthechecksumisOKtheDMAcanhandletheframeotherwisetheframeisdropped*/ETH_InitStructure.ETH_DropTCPIPChecksumErrorFrame=ETH_DropTCPIPChecksumErrorFrame_Enable;ETH_InitStructure.ETH_ReceiveStoreForward=ETH_ReceiveStoreForward_Enable;ETH_InitStructure.ETH_TransmitStoreForward=ETH_TransmitStoreForward_Enable;ETH_InitStructure.ETH_ForwardErrorFrames=ETH_ForwardErrorFrames_Disable;ETH_InitStructure.ETH_ForwardUndersizedGoodFrames=ETH_ForwardUndersizedGoodFrames_Disable;ETH_InitStructure.ETH_SecondFrameOperate=ETH_SecondFrameOperate_Enable;ETH_InitStructure.ETH_AddressAlignedBeats=ETH_AddressAlignedBeats_Enable;ETH_InitStructure.ETH_FixedBurst=ETH_FixedBurst_Enable;ETH_InitStructure.ETH_RxDMABurstLength=ETH_RxDMABurstLength_32Beat;ETH_InitStructure.ETH_TxDMABurstLength=ETH_TxDMABurstLength_32Beat;ETH_InitStructure.ETH_DMAArbitration=ETH_DMAArbitration_RoundRobin_