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基于WinCE系统的环境参数论文
基于WinCE系统的环境参数采集仪设计
摘要:
环境监测技术是环境学科的重要组成部分,在保护生态环境、农林业信息采集、野外作业等方面都有重要意义。
从目前环境参数采集方式来看,大都还存在工作量大、数据上传不及时等问题,因此不能实现对资源实时、高效地监控。
所以本文设计了一种基于ARM微处理器S3C2440和WinCE操作系统的环境参数采集仪。
该环境参数采集仪具有良好的人机对话,同时集成GPS和GPRS无线数据传输功能,从而摆脱了时空的约束,实现了对资源精准、实时、高效的监控。
实验证明,该环境参数采集仪具有操作简便、采集速度快、采集量大、实时性好等优点。
关键字:
WinCE;S3C2440;移植;驱动
ADesignofEnvironmentalparametersacquisitioninstrument
BasedonWinCE
Abstract:
Environmentalmonitoringtechnologyisanimportantpartofenvironmentalstudies,playinganimportantpartintheprotectionofecologicalenvironment,agricultureandforestryinformationcollection,fieldworkandotheraspectsofsignificance.Fromthecurrentwayinacquisitionmodeofenvironmentalparameters,thesephenomena,thatis,heavyworkload,timeissuessuchastheresourcecannotbeachievedinreal-timeandefficientmonitoringstealexist.SothispapermainlydesignsanenvironmentalparametersacquisitioninstrumentbasedonARMMicroprocessorS3C2440andWinCEoperatingsystem.Theenvironmentalparametersacquisitioninstrumenthasagoodhuman-computerdialogue,andintegratedGPSandGPRSwirelessdatatransmissionfunctionsoastogetridofthetimeandspaceconstraintsandrealizethepreciseandreal-time,highefficientresourcemonitor.Experimentsshowthattheenvironmentalparametersacquisitioninstrumenthastheadvantageofsimpleoperation,fastcollection,largecollectionandgongreal-time.
KeyWords:
WinCE;S3C2440;transplant;driver
目录
1引言1
1.1历史背景及意义1
1.2国内外研究现状及发展趋势1
1.2.1研究现状1
1.2.2发展趋势2
2环境参数采集仪的基本功能和工作原理3
2.1功能概述3
2.2工作原理3
3环境参数采集仪的硬件结构设计5
3.1硬件总体结构5
3.2CPU及其辅助电路的设计5
3.2.1CPU的选择5
3.2.2S3C2440嵌入式处理器介绍6
3.2.3CPU辅助电路设计7
3.3系统存储模块的设计10
3.3.1Flash模块设计11
3.3.2SDRAM模块设计12
3.3.3SD卡部分设计13
3.4人机接口设计14
3.5USB接口的设计15
3.6JTAG接口的设计16
3.7GPS模块接口的设计16
3.8GPRS模块接口的设计17
3.9数据采集模块接口的设计18
3.10电源模块的设计18
3.10.1充电电路18
3.10.25V主电源19
4WinCE操作系统的移植20
4.1系统移植过程20
4.1.1Bootloader的开发20
4.1.2BSP包的定制22
4.2WinCE系统的编译与烧写24
4.2.1编译内核24
4.2.2烧写nboot24
4.2.3烧写bootLogo26
4.2.4烧写内核26
5WinCE驱动程序设计27
5.1WinCE驱动程序开发简介27
5.2WinCE流式接口驱动开发27
5.3WinCE中断驱动程序设计29
5.3.1WinCE中断体系结构29
5.3.2中断处理原理31
5.3.3DHT11传感器的IST实现33
6WinCE应用软件设计35
6.1应用程序开发流程35
6.2采集仪软件设计35
6.2.1概况35
6.2.2采集仪软件画面35
6.2.3功能模块介绍37
6.2.4软件流程图37
7系统性能测试39
7.1环境测试结果39
7.2SD卡数据保存功能测试39
7.3GPRS数据上传功能测试39
8总结与展望41
8.1总结41
8.2展望41
参考文献42
致谢43
1引言
1.1历史背景及意义
随着社会的进步和生产研究的需要,快速、准确获得环境参数对农林业信息采集、野外作业、户外活动和生态环境的研究来说非常重要。
定时对农林业信息进行采集分析,能够极大促进农林业的发展;提前对野外环境进行监测,能够保障野外作业的安全进行;事先对户外环境参数进行采集,能够帮助人们对户外活动的适宜性进行判断,保证活动的安全。
传统的环境参数采集就是将温湿度测量仪器之类的采集仪放在百叶箱中进行测量,采集人员必须每隔一段时间去观察一次,然后用笔记录下当前的温度、湿度等参数。
这样的采集效率不高,实时性差,而且采集仪器一直暴露在外容易损坏。
随着社会的进步,科技水平的不断提高,人类对环境的研究越来越深入,野外作业和户外活动也越来越频繁,这样的采集方式已经远远跟不上时代的步伐。
于是,环境参数采集仪也必须正在朝着更加智能化的方向发展,只有这样才能满足当前科研和野外作业等方面的要求。
所以,研制一种高效,实时性好的环境参数采集仪非常重要。
它将为人类研究环境带来前所未有的便捷,也将为人类野外作业和户外活动提供更加可靠的保障。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1研究现状
环境参数采集仪是用来采集环境中的各类参数(例如温度、湿度、二氧化碳浓度等)的一种仪器仪仪表。
从它的发展来看,大致可以分为如下四个阶段。
第一个阶段是像水银温度计这样的非电类的环境参数采集仪。
这样的环境参数采集仪缺点是显而易见的。
第一,采集速度慢,精度较低,不能感应细微的变化;第二,使用不方便,需要人为读数;第三,不能保存数据,如果采集数据量很大,需要发费很大人力;第四,具有一定危险性,如水银温度计打碎后,会造成水银中毒。
随着电子技术的发展,模拟和数字技术被广泛应用。
于是产生了基于模拟和数字技术的环境参数采集仪。
这类环境参数采集仪相比于第一代已经改善了许多,比如精度上提高了很多,也没有危险性。
但是它和传统的环境参数采集仪一样,只能显示当前的温度,而不能自动记录,还是需要人为进行记录。
这对于大数据量的采集还是很繁琐的。
随着单片机的诞生和广泛应用,使各类仪器仪表更加智能化。
当然环境参数采集仪也不例外。
所以,第三阶段就是基于单片机的环境参数采集仪。
有了单片机的加入使环境参数采集仪有了数据保存功能,省去了人工记录的繁琐工作。
有了单片机的核心控制我们还可以加入一些辅助功能,比如在环境参数采集仪中加入GPRS,实现无线数据传输;加入GPS,实现定位功能等。
但是,仅仅采用单片机去实现这么多的操作显然是十分困难,执行速度会比较慢。
而且,现在采集的数据量非常大,单片机存储容量有限,也必将满足不了现代数据采集的要求。
由于上述三个阶段的环境参数采集仪存在很多缺点,已经不能满足当前环境参数采集的需求。
于是,当今社会出现了基于嵌入式操作系统的环境参数采集仪,具有如下特点:
1)有了操作系统的加入,实现了同一时间内运行多个任务,使环境参数采集速度明显加快,并且每采集完一个参数就能马上通过GPRS远距离传输到控制中心,实时性明显提高;2)加入了触摸屏的设计,使操作更加方便;3)有了彩色液晶的显示界面,使采集到的数据更加一目了然。
4)可扩展存储空间,使数据存储量明显加大,例如,将采集到的数据存放到SD卡上,可以很方便将数据导入计算机进行分析。
目前,在国内外生产环境参数采集仪的公司还是很多的,如武汉新绿原科技发展有限公司生产的LVTESTO610型温湿度仪,它只能显示当前的温湿度,而没有数据保存和无线数据传输功能,这运用于当前的温湿度采集工作上是很不方便的;再如德国德图公司生产的testo454多功能环境检测仪,虽然它具有很大的存储空间,但是也不具有无线数据传输功能,而且显示界面还是传统的段式led显示屏,操作还是通过普通的按键,因此,从目前繁重的采集工作上来说,使用起来还不不够便捷的。
所以,从目前已有的产品来看,研制一种高效,实时性好,操作简便的环境参数采集仪是十分必要的。
1.2.2发展趋势
从现在环境研究的需求上和仪器仪表更加智能化的角度上看,基于嵌入式操作系统的环境参数采集仪将是未来发展的方向。
基于WinCE操作系统的环境参数采集仪将会更加普遍,将会是环境参数采集仪的发展方向。
这就完全得益于WinCE操作系统的优越性能。
WinCE有许多自己独有的特点:
(1)精简的模块化操作系统;
(2)多硬件平台支持;(3)支持有线和无线的网络连接;(4)稳健的实时性支持;(5)丰富的多媒体和多语言支持;(6)强大的开发工具[1]。
WinCE操作系统的图形界面相当出色,它与Windows95的界面非常相似,对于使用者来说非常熟悉。
WinCE操作系统的移植也非常方便的。
尤其是应用程序的开发,与PC机的编程非常相似。
从目前存在的问题和今后发展的前景来看,环境参数采集仪的研制将在以下几个方面进一步发展:
1.显示单元的更新。
目前的采集仪表绝大部分采用的是传统的LED,而液晶显示器件LCD的优异特性和逐步降低的价格使它在采集领域的应用越来越普遍。
它有很多独特的优点:
平板型结构,被动显示,显示信息量大,长寿命,无污染等。
目前,应用于嵌入式系统的LCD一般都是TFT-LCD,彩色大屏幕将使显示信息更加一目了然。
2.体积小型化。
早期环境参数采集仪的体积比较大,大多是台式的而且还需要220V交流电源供电,这对于野外移动信息的采集是很不方便的。
目前代表环境参数采集仪发展方向的嵌入式环境参数采集仪大都已经是便携式的。
3.功能多样化。
除了环境参数采集的基本功能外,可以增加GPS定位,GPRS无线传输等功能。
2环境参数采集仪的基本功能和工作原理
2.1功能概述
本文设计环境参数采集仪与传统的环境参数采集仪相比,增加了GPS定位功能和GPRS无线传输功能,其具体功能如下图2-1所示:
图2-1基本功能
2.2工作原理
假如下图2-2是某一采集区域的平面图,图中的A、B、C、D、E、F六个点是要采集数据的六个点。
假设采集人员是从A点开始采集的,按照ABCDEF的顺序依次进行。
采集人员只需带着手持式的环境参数采集仪来到A点,然后打开环境参数采集仪对A点进行数据采集,此时环境参数采集仪上会显示A点的温湿度、GPS定位坐标、当前时间等信息(显示界面如图2-3所示)。
如果显示数据稳定,GPS定位成功,采集人员可以点击保存按钮将采集到的数据保存到SD卡中或者将数据上传到监控中心。
其余5个点,也可以按照A点的采集步骤进行采集。
图2-2采集区域平面图
图2-3显示界面
3环境参数采集仪的硬件结构设计
3.1硬件总体结构
进行嵌入式硬件平台的开发首先要确定本系统应该具有的硬件模块。
对于嵌入式系统主板硬件模块的选择主要是根据产品所要实现的功能决定的。
从系统功能角度分析,本设计开发的环境参数采集仪主板的硬件应该主要包括以下几个部分:
1.CPU及其辅助电路。
本设计采用的CPU是三星公司提供的基于ARM920T技术的S3C2440。
2.存储系统。
存储系统负责程序存储并提供程序运行空间和临时数据的存储。
3.人机接口模块。
包括LCD液晶接口以及触摸屏接口的设计。
该模块可以提供系统信息的输入输出,是人机交互的通道。
4.串行通信接口。
本系统设计了通用串行总线口USB,方便与其他设备的连接。
5.系统调试接口。
主要是设计用于系统开发和调试用的JTAG接口。
6.GPS模块。
7.GPRS模块。
8.温湿度传感器模块。
9.电源模块。
一般说来各个模块的核心器件都有自己的标准工作电压,而这些电压却不尽相同,所以要针对各种电压设计相应的电压转换电路。
由于该采集仪是便携式的,所以其工作环境中的电压必然是电池提供,所以这个模块中还将涉及到电池接口以及电池充电电路的设计。
整个系统的硬件平台组成如图3-1所示。
图3-1系统的硬件平台组成
3.2CPU及其辅助电路的设计
3.2.1CPU的选择
考虑到手持设备对功耗和运行速率、体积和系统成本都需要很高的要求,本设计采用三星公司生产的S3C2440微处理器芯片。
除了考虑性能上的原因之外,还有一个原因是微软的开发工具PlatformBuilder中已经包含对其支持的BSP包,这将给我们的开发带来很大的便利。
3.2.2S3C2440嵌入式处理器介绍
三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。
为了降低整体系统成本,S3C2440A提供了一些丰富的内部设备。
S3C2440A采用了ARM920T的内核,0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。
其低功耗,简单,优雅,且全静态设计特别适合于低成本和功率敏感型的应用。
它采用了新的总线架构AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture(AMBA).
三星S3C2440A的杰出的特点是其核心处理器(CPU)。
ARM920T实现了MMU,AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构。
这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。
每个都是由具有8字长的行组成。
通过提供一套完整的通用系统外设,S3C2440A减小整体系统成本和无需配置而外的组件。
综合对芯片的功能描述,介绍S3C2440A集成的以下片上功能:
·1.2V内核供电,1.8V/2.5V/3.3V存储器供电,3.3V外部I/O供电具备16KB的I-Cache和16KBDCache/MMU微处理器
·外部存储器控制器(SDRAM控制和片选逻辑)
·LCD控制器(高达4K色STN和256K彩色TFT提供1通道LCD专用DMA
·4通道DMA控制器并有外部请求引脚
·3通道的UART(IrDA1.0,64字节的TxFIFO和64字节RXFIFO)
·2通道SPI
·1通道IIC总线接口(多主机支持)
·1通道IIS音频编解码器接口
·AC'97编解码器接口
·兼容SD主机接口协议1.0版和MMC卡协议版本2.11兼容版
·2通道USB主控制器/1路USB设备控制器(1.1版)
·4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器
·8通道10位ADC和触摸屏接口
·具有日历功能的RTC
·摄像头接口(最大4096×4096像素的投入支持;2048×2048像素的投入,支持缩放)
·130个通用I/O端口/24通道外部中断源
·具有普通,慢速,空闲和掉电模式
·具有PLL片上时钟发生器
S3C2440将系统的存储空间分为8组,每组的大小是128MB,总共1GB。
Bank0到Bank5的地址是固定的,适用于ROM或SRAM。
Bank6和Bank7用于ROM、SRAM或DRAM。
所有内存块的访问周期都可编程。
S3C2440采用八个通用片选信号来选择这些组。
S3C2440支持NANDFlash,具有容量大,比NORFlash价格低的特点。
系统采用NANDFlash、NORFlash和SDRAM相结合,可以获得非常高的性价比和灵活性。
S3C2440具有三种启动方式,可以通过OM[1:
0]管脚进行选择。
●OM[1:
0]=00时,处理器从NANDFlash启动。
●OM[1:
0]=01时,处理器从16位宽的ROM启动。
●OM[1:
0]=11时,处理器从32位宽的ROM启动。
3.2.3CPU辅助电路设计
本部分重点介绍S3C2440所需的时钟的产生以及电源的管理,并且介绍了这两部分电路的设计原理。
1.S3C2440时钟电路的产生
S3C2440的时钟控制逻辑可以产生系统需要的三种时钟信号:
FCLK,HCLK和PCLK。
其中FCLK为CPU提供时钟信号;HCLK为片内AHB总线设备提供时钟信号,主要有存储器控制器、中断控制器、LCD以及USB控制器等;PCLK为APB总线设备提供时钟信号,如WDT、IIS、PWM定时器和UART等。
S3C2440内部包含有两个PLL,一个为产生FCLK、HCLK、PCLK服务,一个专为USB模块服务。
时钟控制逻辑能够采用减速的时钟信号而不使用PLL,并且可以通过软件编程使得时钟可以连接到每个外围模块或者断开,这样可以减少系统功耗[2]。
图3-2S3C2440的内部时钟结构
如图3-2所示为S3C2440的内部时钟体系结构。
从图中可以看出,主时钟源可以来自外部晶振输入(XTIpll)或者外部时钟(EXTCLK),主时钟源的选择可以通过设置相应的管脚来实现。
在图中我们还可以看出时钟产生器包括一个连接到外部晶振的振荡器和两个用来给S3C2440提供高频时钟信号的PLL:
MPLL和UPLL。
MPLL电路的作用是使输出信号与给定的输入参考信号在相位和频率上达到同步。
USB主接口和USB从接口都需要48MHZ的时钟,在S3C2440内部UPLL专门为USB提供48MHZ的时钟。
如前所述,可以设置相应的管脚来选择系统的主时钟源,这个管脚便是S3C2440的外部管脚OM[3:
2]。
表3-1指出了OM[3:
2]管脚状态和主时钟之间的对应关系。
表3-1主时钟源的选择
本系统的设计采用了主时钟由晶振经过PLL电路进行时钟倍频后来提供的方案,而不是外部时钟。
所以OM3和OM2引脚都要接成低电平。
应该注意要在X2的两端加上两个大小为15pF的旁路电容,用于去除来自振荡的高次谐波。
其电路如图3-3所示。
图3-3外部晶振电路
由于S3C2440片上还集成了具有日历功能的实时时钟RTC,所以还应该为其提供单独的时钟信号。
在本设计中我们采用了振荡频率为32.768KHz的晶体X1。
把它的输出振荡信号连接到S3C2440相应的XTOrtc和XTIrtc。
应该注意要在X1的两端加上两个大小为22pF的旁路电容,用于去除来自振荡的高次谐波。
其电路如图3-4所示。
图3-4时钟晶振电路
2.S3C2440电源
由于S3C2440采用独立的电源供给方式,所以要为各部分设计其所要求的工作电压。
由于本系统中大部分的部件工作电压以及系统的逻辑高电平为3.3V,所以需要3.3V电压发生电路,这里选择LM1117-33线性稳压器。
除了3.3V电压,还需要1.2V电压,因为处理器内核需要1.2V供电。
这里我们采用MAX8860EUA18电源芯片产生一个1.25V电压来给内核供电。
由于SET引脚的电压是1.25V,所以输出电压Vout=Vset(1+R33/R32)=1.25*(1+10/100000)=1.25V。
这两部分电路如图3-5所示。
图3-5S3C2440电源
3.3系统存储模块的设计
系统的运行必须有程序的运行空间和数据的存储空间,否则即使后续软件开发的再完善,也没有它运行的地方。
存储系统是整个主板的重要组成部分,它的性能直接影响着整个系统的运行性能和成本,因此采用合适的存储器进行设计不仅能减少系统成本更能提高系统的整体性能。
Flash有NORFlash和NANDFlash两种,考虑到大容量的NORFlash成本较高,而且S3C2440又支持从NANDFlash启动,这里选择了NANDFlash作为存储空间。
但是鉴于NORFlash的优点,我们在主板上也设计了一个NORFlash,作为开发时用。
为了更大限度的发挥系统CPU的性能,提高系统的运行速度,就要为系统的程序运行和数据存储提供一个临时场所,这样就要采用RAM,考虑到SDRAM较SRAM便宜,所以采用SDRAM。
为了扩展系统的存储能力和方便应用程序的更新,我们还在主板上设计了一个SD卡的接口[2]。
3.3.1Flash模块设计
1.NANDFlash模块设计
对于NANDFlash模块的设计我们采用了三星公司的K9F2G08。
它以典型的528字节页为单位的写入时间仅为200us,擦除128KB块的时间只需1.5ms。
其地址引脚可以复用为数据I/O引脚和控制命令输入引脚。
对于程序和数据要求存储在同一芯片中的应用,K9F2G08是一个很好的选择。
K9F2G08原理图,如图3-6所示。
图3-6NANDFlashK9F2G08
2.NORFlash模块设计
对于NORFlash的设计,我们采用的是美国SST公司推出的大小为2M*16位的SST39VF3201。
SST39VF3201是一款具有2.7V-3.6V的宽电压输入范围的低功耗Flash。
SST39VF3201原理图如图3-7所示。
图3-7NORFlashSST39VF3201
3.3.2SDRAM模块设计
SDRAM与Flash存储器相比不具有掉电保存数据的特性,但由于它速度快,而且可读写的属性,SDRAM在系统中主要作为程序运行的场所和临时数据存储空间。
系统上电后WinCE就是在SDRAM中运行的,它是整个主板的重要组成部分[7]。
本系统采用两片HY57V561620来构造64M的SDRAM空间。
HY57V561620是由现代公司推出的32M的SDRAM,它的所有数据输入输出均与时钟的上升沿同步。
由于S3C2440内部有SDRAM控制器,这大大简化了我们对SDRAM模块的设计。
S3C2440与HY57V561620的连接方式如图3-8所示。
图3-8SDRAMHY57V561620
3.3.3SD卡部分设计
S3C2440集成了SD卡控制寄存器,这大大方便了我们对SD卡接口部分的设计SD卡基于9针接口,它通过SD总线与处理器进行通信。
为了给数据传输提供足够大的电流,
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