基于ARM的实时数据采集系统外文翻译资料

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基于ARM的实时数据采集系统

摘要：本文旨在监测PCB板设计工业，移动电子和其他电子厂以及电源等制造行业的温湿度值。温度，湿度等是制造电子厂导致生产损失的关键性因素。本文旨在基于无线传感器网络模块和LPC2148主控芯片来移植简单C代码以实现系统远程监控工厂不同区域的温度，湿度水平从而解决此问题。此外，这里的蜂鸣器设备可以在温湿度值超限和SD卡存储故障时发出报警声，以便提供更进一步的参考并且使系统立即连续地存储数据。这些装置使得电子制造设备行业运行地更良好。

关键词：LPC2148，传感器，RTC，通讯协议，SD卡

1 绪论

最近由于温度，湿度等原因，许多工厂面临严重的生产故障。另外，温度会导致更多的缺陷，例如不正确的焊接接头，电路板的额外氧化，桥接焊料部件等会带来许多关于生产的问题。即使是环境因素，这些参数也必须要控制尤其是在机器设备方面的使用上，例如焊膏冰箱，用于存储浆料的干燥器，发电厂的裸PCB板和锅炉等。

还有一些工厂想要控制机器的运行温度在某个特定的值以提高该机器的效率，这种情况有时会导致意外事故发生，同时会使产品质量下降。

因此，本文使用labview软件，PLC（如图1所示）和微控制器LPC2148实现监控系统。作者在本文中分享了他的想法，用ARM处理器来实现对温湿度系统的监控和预警。

图1 PLC型号

系统是使用简单的嵌入式C代码来实现的，同时系统也具有多任务功能，可监控多个任务并进行控制。此外，系统可以通过编写代码来添加更多的应用程序。所以当被要求具备其他功能时，系统也可能需要更新。

本系统中使用的ARM微控制器是最新的并且最近支持更高端的应用程序，在这里我选择的ARM控制器附带简单的嵌入式C代码。在工程师的指导下，系统通过实时获取传感器在工厂内检测的值来对环境进行监测和控制。

本文的完整架构分为以下几个部分：系统硬件模块，软件模块，操作单元，并在最后得出结论。

2 硬件模块

本文的简单工作原理和硬件框图如图2所示，图2展示了本文的实验设计，这里ARM处理器将不断获得来自外部或实时环境的输入信号，输入信号为实时测量的温度和湿度，测量的信号送入处理单元。获取输入信号后，处理单元会将这些值与固定值进行比较，固定值可以人为设置。一般情况下，固定值是由专业人士根据所处行业的要求来设定，各行业的温湿度要求值也有所不同。系统采集的输入值存储在SD卡中以供将来参考，数据与测试的时间段有关，在某一个特定的时间段内，温湿度范围也是一致的。

图2 系统框图

2.1 ARM处理器

ARM架构属于高级RISC机器，具有广泛的版本，每个新版本都比以前更高级且通常是ARM公司授权的32位处理器。此版本ARM7引入了Thumb概念，并保存了16位操作系统，其架构版本是ARMv4T，同样的架构还有另外两种类型即ARM4EJ和ARM4TEJ。本系统中，我选择ARM7TDMI内核，其性能非常低，功耗非常低，它有提取信息，解码不断执行操作的功能。ARM的架构主要适用于RTOS（实时操作系统）：Symbian OS，Palm OS，Windows CE，mu;COS-II和Linux。对于软件方面，ARM还与其合作伙伴密切合作，为现有和未来的细分市场提供定义明确的解决方案。

2.2 LPC2148

LPC2148微控制器是基于16位/ 32位的ARM7TDMI-S CPU，其电路原理图如图3所示，本系统具有实时仿真和嵌入式跟踪支持，将微控制器与32kB至512kB的嵌入式高速闪存结合在一起。128位宽的存储器接口和独特的加速器架构可以以最大时钟速率执行32位代码，对于关键的程序代码，LPC2148替代的16位Thumb模式可以将代码减少30％以上，同时降低性能。

图3 LPC2148电路原理图

由于其体积小巧，功耗低，LPC2148非常适合小型化应用如门禁控制和销售点。微控制器具有USB 2.0全速设备，多个UART，SPI，SSP到I2C总线以及8kB至40kB的片上SRAM的串行通信接口，这些设备非常适合通信网关和协议转换器，软调制解调器，语音识别和低端成像，并且提供较大的缓冲区大小和高处理能力。其内部各种32位定时器，单或双10位ADC，10位DAC，PWM通道和45个快速GPIO线路，具有多达9个边沿或电平敏感的外部中断引脚，使这类微控制器非常适用于工业控制和医疗系统。

2.3 温度传感器

LM35系列是精密集成电路温度传感器，其输出电压与摄氏（摄氏度）温度成线性比例。 LM35比起开尔文校准的线性温度传感器具有优势，因为用户不需要从其输出中减去大的恒定电压，以获得方便的摄像头刻度。LM35不需要任何外部校准或修剪，以在室温下提供plusmn;0.25°C的典型精度，并且plusmn;0.75°C覆盖全-55°C至 150°C温度范围。

2.4 湿度传感器

湿度是指空气中存在的水分，空气中的水蒸汽量可能会影响到人们的舒适度以及行业中的许多制造工艺，水蒸气的存在也影响到各种物理，化学和生物过程。工业中的湿度测量至关重要，因为它可能会影响产品的业务成本和人员的健康和安全。因此，湿度传感器尤为重要，特别是在工业过程和人体舒适的控制系统中。控制或监测湿度在许多工业和家庭应用中是不可或缺的，在半导体工业中，需要在晶圆处理期间适当地控制湿度或湿度。

2.5 RTC (DS1307)

DS1307是串行实时时钟（RTC），可以计数秒，分，时，星期，日期，月份和年份。RTC的目的是提供可用于各种应用的准确时间和日期。RTC是以各种封装方式提供集成芯片（IC）形式的电子设备，它由内部锂电池供电，因此，即使关闭系统的电源，RTC时钟仍然运行。 它在数字时钟，考勤系统，数码相机等实时系统中起着非常重要的作用。在需要时间戳的应用中，RTC是一个很好的选择。使用RTC设计这样的应用程序始终是一个很好的选择，尽管开始可能有点困难。在设计处理时间的任何实时系统时，有两种处理时间因素的方法。一种是在内部产生时间，由此完成编程控制器的定时器，另一种是使用RTC，RTC是低功耗56字节的非易失性RAM数据存储，它具有2个串行双向接口线和8针双列直插封装。电池备份模式小于500nA，具有自动切换功率，电源在2 5°C时出现电源故障。RTC运作工业温度范围为4 0°C至 85°C，它被使用在电视，录像机和电话号码召回。DS1307 RTC是使用带有时间计数器的Isup2;C总线连接到ARM控制器。

2.6 SD卡

SD存储卡是非易失性闪存，便携式设备，广泛用于手机，计算机和其他消费电子产品。 具有高安全性，其内存大小可以根据成本而有所不同，用于音频和视频录制。SD存储卡是一个安全数字输入输出（SDIO）卡，它支持数据保护，避免了基于国际标准ISO-7816识别卡的相同定时和安全系统中的重复感测值。 根据JESD84-A43，MMC的嵌入式版本是eMMC。 SD卡与ARM使用串行外设接口（SPI）总线进行通信，微处理器工作在3.3V，可提供高达8位宽的接口以及可应用于兼容SD存储卡的硬件接口。SD存储卡为应用程序添加高级数据存储功能，并且易于访问。

2.7 蜂鸣器

蜂鸣器是音频信号装置，它是机械式的或压电式的，以定时方式用作报警装置，并通过发出蜂鸣声音确认操作人员使用计算机或其他设备的输入。蜂鸣器使用一根杜邦线连接到ARM。

2.8 LCD显示

液晶显示屏（LCD）屏幕是电子显示模块，在信息技术时代得到广泛范围。LCD是经济的，易于编程的LED模块，并且没有限制其显示特殊或者自定义的字符.LCD优于七个段和多段LED数码管。本系统所使用的LCD为16x2 LCD，16x2表示每行可显示16个字符，并且可以显示2行。所使用的LCD有两个寄存器：命令寄存器和数据寄存器。提供给LCD的命令指令将存储在命令寄存器中，要显示在LCD上的数据则存储在数据寄存器中。

3软件模块

软件产品的书面描述是指软件设计人员为了给软件开发团队对软件项目的架构提供整体指导。SDD通常伴随着架构图，其中指出了较小部分设计的详细功能规格，实际上需要一个设计文件来协调一个单一愿景下的大型团队。设计文件需要是一个稳定的参考，概述了软件的所有部分以及它们将如何工作。

4 通信协议

设备之间的所有通信都要求设备统一数据的格式，定义格式的一组规则称为协议。 通信协议涵盖认证，错误检测，纠正和信令，他们还可以描述模拟和数字通信的语法，语义和同步。目前有数千种通信协议在模拟和数字通信中随处可见，它支持有线和无线通信。

4.1 SPI总线

SPI（串行外设接口）总线是低功耗，全双工，主从接口总线。在嵌入式系统中，无论它是否是在片上系统处理器，两者都具有高端32位处理器，如那些使用ARM，MIC或Power PC以及其他微控制器如AVR，PIC等。这些芯片通常包括能够以主模式或从模式运行的SPI控制器，它可以使用SPI接口对系统内可编程的AVR控制器进行编程。基于芯片或FPGA的设计有时会使用SPI进行通信，因此，SPI是当今与外围设备进行通信的常用技术，我们希望在实时限制内快速传输数据。如今常用的通信串行接口有代码电报，RS232，USB，火线，以太网等，每个串行接口根据所需数据速率，空间可用性和噪声考虑的标准为许多设计提供优点或缺点。SPI总线是简单的4线串行通信总线，工作在10MH，在SPI数据中，一次一个输入或输出，并在短距离内从主设备传送数据到一个或多个从设备。它也是高速数据传输总线，没有限制到8位传输。SPI总线简单易用，可与各种外设进行简单快速的通信。它具有高速多IO口模式主机适配器，一些实用的调试工具以及向任何测试系统添加SPI通信功能。

4.2 Isup2;C总线

Isup2;C总线的两条总线：串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）。所有I2C主设备和从设备都只连接两根导线，每个设备可以是发射机，接收机或两者同时兼具。一些设备是主机，它们产生总线时钟并在总线上启动通信，其他设备都是从站，并响应总线上的命令。为了与特定设备进行通信，每个从设备必须具有在总线上唯一的地址。Isup2;C主器件（通常是微控制器）不需要地址，因为没有其他（从））器件向主器件发送命令，它支持多主器件和多从器件，因此可以容易地检测到这种冲突，同时支持7位和10位寻址，每个设备使用独特地址的软件连接总线。 Isup2;C总线的最大速度可达3.4Mbits / s，主要取决于应用模式。Isup2;C总线简单灵活地使用在许多应用中，Isup2;C总线以8位数据包（字节）传输，对字节数没有限制，但每个字节必须后跟一个应答位，该位指示设备是否准备好继续下一个字节。对于包括应答位的所有数据位，主器件必须产生时钟脉冲，如果从设备不确认传输，这意味着没有更多的数据或设备尚未准备好传输，此时主设备必须生成停止或重复启动条件。

sup2;C总线的两条总线：串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）。所有I2C主设备和从设备都只连接两根导线，每个设备可以是发射机，接收机或两者同时兼具。一些设备是主机，它们产生总线时钟并在总线上启动通信，其他设备都是从站，并响应总线上的命令。为了与特定设备进行通信，每个从设备必须具有在总线上唯一的地址。Isup2;C主器件（通常是微控制器）不需要地址，因为没有其他（从））器件向主器件发送命令，它支持多主器件和多从器件，因此可以容易地检测到这种冲突，同时支持7位和10位寻址，每个设备使用独特地址的软件连接总线。 Isup2;C总线的最大速度可达3.4Mbits / s，主要取决于应用模式。Isup2;C总线简单灵活地使用在许多应用中，Isup2;C总线以8位数据包（字节）传输，对字节数没有限制，但每个字节必须后跟一个应答位，该位指示设备是否准备好继续下一个字节。对于包括应答位的所有数据位，主器件必须产生时钟脉冲，如果从设备不确认传输，这意味着没有更多的数据或设备尚未准备好传输，此时主设备必须生成停止或重复启动条件。

5 实验设置和结果模型

拟定系统的实验设置如下图4系统实物所示。处理单元总是从相应的传感器单元得到温度和湿度值，将这些输入信号与固定电平进行比较。温度和湿度固定值是由行业人士设定的，这是其特定领域的要求。每次测量时，处理单元都会将这些输出信号转换值与固定值进行比较。

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