无线气压测量系统接口及显示.docx
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无线气压测量系统接口及显示.docx
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无线气压测量系统接口及显示
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计(论文)
题目:
无线气压测量系统—接口及显示
单元设计
系别:
电子信息系
专业:
通信工程
班级:
B090310
学生:
李向上
学号:
B09031010
指导教师:
张峰
2013年06月
毕业设计(论文)任务书
系别电子信息系专业通信工程班级B090310姓名李向上学号B09031010
1.毕业设计(论文)题目:
无线气压测量系统—接口及显示单元设计
2.题目背景和意义:
在工农业生产及日常生活中,气压测量有广泛应用,在压力监测、环境监测、物理参量测量、天气预报等领域起着重要作用。
本课题将结合ARM处理器、压力传感器及无线收发模块设计一套数字化的气压测量系统,能够实现气压数据的实时采集、短距离无线传输及显示等功能,可应用于各种需要进行气压测量的场合。
3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):
本课题需要完成整个无线气压测量系统中接口及显示单元的软硬件设计与开发,课题的研究将综合利用ARM处理器LPC2103、Nokia5110显示屏、433MHz无线收发模块及ADS1.2开发环境,具体内容如下:
(1)熟悉EasyARM2103开发板、Nokia5110显示屏、无线收发模块及相关芯片使用;
(2)完成设计方案分析及确定;
(3)完成整个接口及显示单元的硬件原理设计及PCB设计;
(4)完成整个接口及显示单元的控制程序设计及调试;
(5)协作完成整个无线气压测量系统的调试。
主要技术指标:
(1)数据通信距离:
200米;
(2)数据显示方式:
LCD显示;
(3)具备RS232串行通信接口;
(4)具有压力超限报警功能;
(5)具备按键接口进行工作参数的设置;
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
本设计要求完成整个无线气压测量系统中接口及显示模块的软、硬件设计,并进行功能调试。
设计工作要求严格按照学校计划安排和各项规范进行,保质保量完成任务书中各项工作,技术指标满足要求并认真撰写学位论文。
毕业设计工作的进度安排如下:
第1周—第2周:
查找资料,做前期的准备工作,学习相关的芯片资料及开发环境使用;
第3周—第4周:
方案设计分析确定,撰写开题报告,准备开题答辩;
第5周—第8周:
进行接口及显示功能的硬件原理的设计及调试;
第9周—第10周:
完成接口及显示功能的控制软件的设计与调试;
第11周—第12周:
协作完成整个无线气压测量系统的联调。
第13周—第15周:
撰写毕业论文,进行毕业答辩。
5.毕业设计(论文)的工作量要求
①实验(时数)*或实习(天数):
300学时
②图纸(幅面和张数)*:
A4,1张
③其他要求:
提供完整的接口及显示单元控制程序一套,并完成与课题相关的3000字左右的英文文献资料翻译。
指导教师签名:
年月日
学生签名:
年月日
系(教研室)主任审批:
年月日
说明:
1本表一式二份,一份由学生装订入附件册,一份教师自留。
2带*项可根据学科特点选填。
无线气压测量系统——接口及显示单元设计
摘要
在工农业生产及日常生活中,气压测量有广泛应用,在压力监测、环境监测、物理参量测量、天气预报等领域起着重要作用。
本课题将结合ARM处理器、压力传感器及无线收发模块设计一套数字化的气压测量系统,能够实现气压数据的实时采集、短距离无线传输及显示等功能,可应用于各种需要进行气压测量的场合。
论文主要完成无线气压测量系统中的显示及接口模块的设计。
论文首先介绍了显示及接口模块设计方案;然后针对课题所需要的相关技术及芯片进行了详细的介绍和分析,包括32位ARM处理器LPC2103、RF1100-232、NOKIA5110液晶显示屏、MAX232及ADS1.2开发环境等;在此基础上进行了显示及接口模块的软硬件设计。
在硬件设计方面,ARM处理器LPC2103接收了来自无线收发模块的信号,利用NOKIA5110LCD液晶显示屏把气压信息显示出来。
预设值通过按键模块输入,并与接收来的气压信号进行比较,并通过蜂鸣器报警。
软件设计基于集成开发环境ADS1.2,用C语言编写,包括无线收发的串口通信程序、NOKIA5110LCD显示程序及4*4矩阵式键盘处理程序。
所设计的显示及接口模块以EASYARM2103开发板为基础进行了软、硬件的测试,运行正常,功能符合设计指标要求。
关键词:
无线;气压测量;LCD显示;RF1100-232;ARM;LPC2103;NOKIA5110;ADS1.2;MAX232
WirelessAtmosphericPressureMeasuringSystem(InterfaceandDisplayUnitDesign)
Abstract
Pressuremeasurementiswidelyusedinindustrialandagriculturalproductionanddailylife,inthepressuremonitoring,environmentalmonitoring,thefieldofmeasurementofphysicalparameters,weatherplaysanimportantrole.ThisprojectwillcombinetheARMprocessor,pressuresensorsandwirelesstransceivermoduletodesignadigitalairpressuremeasurementsystemcanachievereal-timeacquisitionofpressuredata,theshort-rangewirelesstransmissionanddisplayfunctionscanbeappliedtoavarietyofneedspressuremeasurementoccasion.
Thethesiscompleteswirelesspressuremeasurementsysteminthedisplayandthedesignoftheinterfacemodule.Thepaperintroducesthedesignofthedisplayandinterfacemodules;subjectrelatedtechnologiesandchipadetailedintroductionandanalysis,including32-bitARMprocessorLPC2103Nokia5110LCDdisplay,MAX232andADS1.2developmentenvironment;Onthisbasis,thehardwareandsoftwaredesignofthedisplayandinterfacemodules.ARMprocessorLPC2103receivedasignalfromthewirelesstransceivermoduleinthehardwaredesign,whileuseNOKIA5110LCDliquidcrystaldisplaywaveforminformationdisplayed,enteradefaultvaluebykeymoduleandcomparethesizeofthereceivedpressuresignalandbeepalarm.ThesoftwaredesignisbasedontheintegrateddevelopmentenvironmentADS1.2,writteninClanguage,includingserialcommunicationprogram,NOKIA5110LCDdisplayprogram,and4*4matrixkeyboardhandler.
DisplayandinterfacemodulearedesignedtoEASYARM2103developmentboardbasedsoftwareandhardwaretesting,normaloperation,functionmeetsdesignrequirements.
KeyWords:
Wireless;PressureMeasure;LCDDisplay;RF1100-232;ARM;LPC2103;NOKIA5110;ADS1.2;MAX232
目录
1绪论1
1.1前言1
1.2课题研究的意义1
1.3相关技术现状2
1.3.1ARM技术现状2
1.3.2无线收发技术现状3
1.3.3EDA技术现状4
1.3.4串行通信技术现状5
1.4课题的主要研究内容5
1.5课题研究分析及重难点6
1.5.1课题研究的重点6
1.5.2课题研究的难点6
1.6论文的结构安排6
2系统设计方案8
2.1系统设计目标及指标要求8
2.2设计方案方案论证8
2.2.1数据通信方式论证8
2.2.2处理器选择论证9
2.3设计方案9
2.4相关技术选择10
2.4.1ARM处理器的选择10
2.4.2无线收发模块11
2.4.3LCD显示模块的选择11
2.4.4电平转换芯片的选择12
2.4.5按键模块的设计12
2.4.6软件开发环境选择13
3相关技术介绍14
3.1ARM处理器LPC210314
3.2RF1100-232介绍15
3.3NOKIA5110LCD介绍16
3.4SPI通信协议介绍17
3.4.1SPI总线协议17
3.4.2SPI总线接口及时序图18
3.5MAX232介绍19
3.6LM111720
3.74*4矩阵式键盘介绍20
3.8ADS1.2开发环境简介21
3.8.1CodewarriorIDE简介22
3.8.2AXD调试器简介22
3.8.3命令行开发工具23
4硬件原理设计25
4.1硬件功能概述及模块划分25
4.2处理器电路设计25
4.2.1处理器电路25
4.2.2晶振电路26
4.2.3去耦电路27
4.2.4复位电路28
4.2.5JTAG调试电路29
4.3电源电路设计31
4.3.15V~3.3V转换31
4.3.25V~3.3V转换32
4.3.30欧电阻的作用32
4.3.4指示灯电路设计32
4.4无线收发模块的电路的设计33
4.5NOKIA5110液晶显示电路的设计34
4.6串口电平转换电路的设计35
4.7按键模块的设计35
4.8报警电路的设计36
4.9总体原理图36
5系统软件设计38
5.1软件的功能及模块划分38
5.2上下位机之间的通信协议38
5.2.1上下位机之间串行通信38
5.3显示及接口软件设计39
5.3.1串口通信程序39
5.3.2NOKIA5110液晶显示程序41
5.3.34*4矩阵式键盘程序42
6系统调试45
6.1系统硬件调试45
6.2系统硬件调试45
6.3遇到的问题及解决措施47
7结论48
7.1设计结论48
7.2收获与体会48
7.3不足及有待改进的地方50
参考文献51
致谢52
毕业设计(论文)知识产权声明53
毕业设计(论文)独创性声明54
附录1硬件原理图55
附录2EasyARM2103开发板实物图56
附录3源程序及代码57
1绪论
1.1前言
气压测量有广泛应用,在压力监测、环境监测、物理参量测量、天气预报等领域起着重要作用。
在气压测量系统中实现数据的无线传输可大大减少电线等设备的支出提高经济效益,而且可以不受地理条件的限制,应用范围十分广泛,减少在实际应用的维护,提高了应用的灵活性,本课题的名称是:
“无线气压测量系统—接口及显示单元设计”该课题将结合ARM处理器、压力传感器及无线收发模块设计一套数字化的气压测量系统,能够实现气压数据的实时采集、短距离无线传输及显示等功能,可应用于各种需要进行气压测量的场合。
1.2课题研究的意义
一般意义下的无线气压测量已经广泛地应用到国内外的工业、气象及日常生活领域。
气压的测量越来越广泛的被人们所重视,其种类繁多,测量方式手段不甚枚举在压力监测、环境监测、物理参量测量、天气预报等领域起着重要作用。
能够实现气压数据的实时采集、短距离无线传输及显示等功能,本课题将结合ARM处理器、压力传感器及无线收发模块设计一套数字化的气压测量系统,能够实现气压数据的实时采集、短距离无线传输及显示等功能,可应用于各种需要进行气压测量的场合可以广泛应用于气象,国防,航空等领域,无线传输可大大减少电线等设备的支出提高经济效益,而且可以不受地理条件的限制,应用范围十分广泛,成本廉价,有线通讯的局限性太大,在遇到一些特殊的应用环境,比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境,将对有线网络的布线工程有着极强的制约力,所以说无线数据传输方式比有线通讯有更好的更广泛的适应性,几乎不受地理环境限制。
在用户组建好一个通讯网络之后,常常因为系统的需要增加新的设备。
如果采用有线的方式,需要重新的布线,但是如果采用无线数据传输方式,只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了,相比之下有更好的扩展性。
而且设备维护更容易实现:
有线通讯链路的维护需沿线路检查,出现故障时,一般很难及时找出故障点,而采用无线数据传输方式只需维护数传模块,出现故障时则能快速找出原因,恢复线路正常运行。
本课题是设计一个气压传感器与基于ARM的微控制器为核心元件组成的气压计系统。
微控制器和气压计的结合何以使得气压计的设计更具灵活性,测量结果的显示也更加直观,并加入蜂鸣报警器等特殊功能,以满足某些特定的需要。
1.3相关技术现状
在本课题的研究及设计过程中综合运用了ARM技术、EDA技术、无线收发技术和串行通信技术。
现对课题实现的相关技术现状做简要的介绍。
1.3.1ARM技术现状
ARM即AdvancedRISCMachines的缩写,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。
1985年4月,第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生,由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。
20世纪80年代后期,ARM很快开发成Acorn的台式机产品,形成英国的计算机教育基础。
1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited(后来简称为ARMLimited,ARM公司)。
20世纪90年代,ARM32位嵌入式RISC(ReducedlnstructionSetComputer)处理器扩展到世界范围,占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。
目前,采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
ARM处理器系列提供的解决方案只要有:
a.无线、消费类电子和图像应用的开发平台;存储、自动化、工业和网络。
b.应用的嵌入式实时系统。
c.智能卡和SIM卡的安全应用。
d.当前基于ARM技术的微处理器有6个产品系列—ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、SecurCore和Cortex-M3。
其中Cortex-M3内核是ARM新型V7指令集结构系列的微控制器版本。
ARMCortex-M3处理器为高性能、低成本的平台提供了一个能够满足小存储要求解决方案(minimalmemoryimplementation)、简化管脚数、以及低功耗三方面要求的内核,与此同时,它还提供了出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。
其特性主要有以下几个方面:
(1)紧凑的内核。
(2)Thumb-2指令集,在通常与8位和16位设备相关联的存储容量中,特别是在微控制器级应用的几千字节存储量中,提供了ARM内核所期望的高性能。
(3)优越的中断处理能力,通过执行寄存器操作来实现,这些寄存器操作在处理硬件中断时使用。
(4)功能齐全的调试解决方案,包括:
1)串行线JTAG调试端口(SWJ-DP);
2)Flash修补和断点(FPB)单元,用于实现断点操作;
3)数据观察点和触发单元(DWT),用于执行观察点、触发源和系统性能分析等操作;
4)仪表跟踪宏单元(ITM),用于支持Printf类型调试;
5)跟踪端口的接口单元(TPIU),用作跟踪端口分析仪(TPA)的桥接。
目前,在控制领域及信号采集与信息处理等领域,ARM处理器的应用越来越广泛[1]。
1.3.2无线收发技术现状
无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。
无线传输技术主要有蓝牙技术,无线电台通信,ZigBee技术。
蓝牙,是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。
能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。
蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段。
其数据速率为1Mbps。
采用时分双工传输方案实现全双工传输。
无线电台通信,是利用无线电台发射与接收的无线电波传输信息达成的通信。
无线电台按波长(频率)的不同,分为超短波电台、甚长波电台、长波电台、中波电台、短波电台、超短波电台等。
按调制方式不同,分为调幅电台、调频电台、单边带电台、跳频电台等。
按电台传输信号的形式分为模拟化电台和数字化电台。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息,这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。
借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。
在此之前ZigBee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术,目前统称为ZigBee。
简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。
ZigBee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展[2]。
1.3.3EDA技术现状
EDA是电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation)的缩写,在20世纪90年代初从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。
EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言HDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术所涉及的领域相当广泛,业界一般将EDA技术分成狭义EDA技术和广义EDA技术。
狭义EDA技术,就是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编程、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术,或称为IES/ASIC自动设计技术。
狭义EDA技术也就是使用EDA软件进行数字系统的设计。
广义EDA技术,是通过计算机及其电子系统的辅助分析和设计软件,完成电子系统某一部分的设计过程。
因此,广义EDA技术除了包含狭义EDA技术外,还包括计算机辅助分析CAA技术(如PSPICE,EWB,MATLAB等),印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如PROTEL,ORCAD等)和其他高频和射频设计和分析的工具等。
PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电路印制板自动布线的布通率低,而现今的PROTEL已发展到DXP2004,
原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到DXP2004,是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。
想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版,可以在INTERNET上[3]。
1.3.4串行通信技术现状
串口是计算
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