基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现毕业设计说明书.docx
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基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现毕业设计说明书
学号
07700211
毕业设计说明书
基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现
基于ARM的远程数据采集系统的设计与实现
TheDesignandRealizationofRemoteDataAcquisitionSystemBasedonARM
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
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作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
本文介绍了一种基于ARM和nRF401的远程无线数据采集系统,下位机以AT89S52为中心控制单元。
AT89S52接收到上位机发来的采集温湿度的指令后,通知温湿度传感器SHT11采集温湿度,然后一方面是利用LCD显示模块显示采集的温湿度,另一方面是利用以nRF401为核心的无线传输模块进行远程无线数据传输,另外通过高增益天线可使传输距离达到1000米以上;上位机以S3C2440微处理器为中心,以nRF401为核心的无线传输模块进行远程无线指令发送和数据接收,指令可以控制数据的采集,数据接收后,一方面利用液晶显示触摸屏显示温度湿度值,另一方面存储到SDRAM中。
由于上位机是基于ARM的具有良好移动性能的类似手机的微型控制器,因此具有体积小、成本低、易维护和稳定性高的优点。
本系统可以应用于各种无线数据采集系统,也可以通过增加接收到控制端的器件和程序实现监控。
关键词:
SHT11;S3C2440;nRF401;AT89S52;远程数据采集
ABSTRACT
ThispapermainlyintroduceamethodofremotewirelessdateacquisitionsystembasedonARMandnRF401,theslavemachinetakesmicroprocsserAT89S52asthecore.Whenreceivestheinstructionswhichsendsbythemastermachine,AT89S52noticestemperatureandhumiditysensorSHT11tomeasuretemperatureandhumidity.Thenontheonehand,thesystemusestheLCDdisplaymoduletodisplaytemperatureandhumidity;ontheotherhand,itusesthenRF401asthecoreinthewirelesstransmissionmodulefortheremotewirelessdatatransmission.Whatismore,throughthehigh-gainantenna,thethetransmissiondistancecanbeextendedtomorethan1,000meters.ThemastermachineiscenteredonS3C2440microprocessor,whichtakestheNRF401asthecoreofthewirelesstransmissionmoduleforremotewirelessinstructionstosendinstructionsandreceivedata.Theinstructionscancontroldatatheacquisitionofdata.Afterreceivingdata,ontheotherhand,itusesliquidcrystaldisplay(LCD)touchscreentodisplaytemperatureandhumidityvalue;ontheotherhand,thevlauecanbestoredtoSDRAM.ThemastermachinewhichissimilartophonearebasedontheARMwithgoodperformanceofthemovingofminiaturecontroller,thereforeithastheadvantagesofsmallvolume,lowcost,easymaintenanceandhighstability.Thissystemcanbeappliedinallkindsofwirelessdataacquisitionsystem,andalsothroughincreasingdevicesandcontrolprogramscanrealisethefunctionofmonitoring.
Keywords:
SHT11;S3C2440;nRF401;AT89S52;remotedataacqusition
第一章概述
1.1研究背景
随着大规模集成电路和计算机技术不断的飞速发展,电子、数字技术已经广泛渗透到各个技术领域,各种基于电子、数字技术的设备层出不穷。
但是,自然界中绝大多数物理信号都是模拟信号,因此要对数字信号进行处理加工,就必须先将模拟信号转换成数字信号。
这就是数据采集所要完成的任务,完成相应任务的系统即为数据采集系统,简称DAS(DataAcquisitionSystem)。
数据采集是获取信息的基本手段。
数据采集是指将温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模拟量采集、经A/D转换器转换成数字量后,再由计算机进行存储、处理、显示的过程。
数据采集系统的应用领域十分地广泛。
例如,对于某些制造类企业,毫无疑问,数据的采集是保证企业管理系统正常运行的的关键所在。
建立连接生产现场的自动采集数据的数据采集系统,可以避免传统手工信息录入方式造成的数据滞后和错误,对于提高企业的生产效率和管理水平有很大的帮助。
通常,在实际应用中,数据采集和控制监控结合在一起,形成一套完整的数据采集监控系统。
通常的数据采集系统主要是由各种类型的传感器、模/数转换器及下位机等将现场数据采集和简单信号处理,然后通过有线或无线的方式发送到上位机终端(通常为计算机或服务器)。
再通过上位机控制下位机的,完成数据采集,而且在上位机中可以利用数据采集系统软件来实现数据存储、数据处理以及显示等功能。
随着数据采集系统的广泛应用及不断完善,目前数据采集处理过程的自动化已渗透到数据采集系统的各个部分。
采集过程自动化内容主要包括数据采集设备“即插即用”,数据发布的自动化,消息发布机制等。
数据采集系统的发展和新技术的介入使数据采集系统的开发越来越复杂、应用越来越广泛、实用性越来越强、操作性越来越简便。
在实际中,温度、湿度是非常重要的指标。
比如在工业和农业生产中的许多场合像温室、冷冻室等对温度和湿度有着严格的要求。
再比如,在未来的智能家居中,为了人们的身心健康,温湿度也会变成重要的参数,只有在合适的温湿度中,人才会感到身体舒服,心理愉悦。
因此在许多方面,需要对进行温度、湿度的采集,并且根据采集到的数据控制输出。
而且随着科学技术的进步与发展,单片机,嵌入式等相关电子技术得到了飞速发展,应用领域随之不断扩展。
现在利用单片机和传感器就可以实现对温度和湿度的精确测量,大大提高了生产的自动化水平,并且成本较低,应用十分广泛。
1.2研究课题国内外发展现状和存在的问题
目前远程数据采集系统的技术水准越来越高,相应成本也随之提高,应用前景便有了一定界限。
而且通常的远程数据采集系统的上位机一般为PC,即便是笔记本电脑,其移动性能还是很差,远不如手机类型的上位机方便。
而且手机类型的上位机有着体积小、成本低、易维护和稳定性高的优点。
因此本文提出的基于ARM的远程数据采集系统的上位机不是计算机而是基于ARM(AdvancedRISCMachines)的具有良好移动性能的类似手机的微型控制器。
这也是本文的创新点所在。
另外,通常传统的数据传输方式是通过有线的通信线路来进行远程数据传输(常见的有RS485总线结构等)的,这种方式不仅施工麻烦、费用高,而且出现故障时不易排查,越来越不能满足现代各行业快速发展的需求。
而随着现代科学技术的发展,无线数据传输距离越来越远,性能越来越好,无疑,在未来无线传输方式将成为不可替代的方式。
而且无线数据传输具有不用布线、实时性好、容易重新部署等优点,非常适用于现代工业监控系统。
因此,本文讨论了一种使用无线通信方法进行数据传输的远程数据采集系统的设计方案,以温度湿度为采集样例,该方案不仅简化了系统施工的难度和复杂度,还可以降低成本,方便系统的维护。
而且本文还利用高增益天线扩展了nRF401的通信距离。
由于无线数据通信不用布线、快速布局的特点,因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性,在特殊场合具有无法替代的作用,在未来将发挥着特别的功能。
1.3本课题研究的主要内容
本课题设计的基于ARM的远程数据采集系统,研究内容分为硬件和软件两部分。
1.3.1硬件设计
下位机的硬件设计是以单片机AT89S52为核心,利用温湿度传感器SHT11采集温度湿度,利用nRF401及外围器件进行数据发送和命令接收,并且用12864显示数据,用以与接收的数据的对比。
上位机的硬件设计是以ARM微处理器S3C2440及外围器件为核心,以nRF401及外围器件进行数据接收和命令发送,用液晶显示模块进行对采集数据的显示。
1.3.2软件设计
下位机的软件设计用AT89S52单片机为控制中心,包括温湿度传感器SHT11的数据采集程序,nRF401的发送接收程序以及DM12864M的显示程序。
上位机的软件设计以ARM微处理器S3C2440为控制中心。
软件设计在WindowsCE系统上,包括nRF401的发送接收程序以及液晶显示模块的显示程序。
第二章系统原理
2.1硬件平台
本文论述的远程数据采集系统所用的控制器为嵌入式处理器,嵌入式处理器是嵌入式系统的核心器件。
目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过一千多种,包括各种不同的型号和封装形式。
流行的体系结构也有30多个。
嵌入式处理器主要分为3类:
嵌入式微控制器(单片机)、嵌入式数字信号处理器(嵌入式DSP处理器)、嵌入式微处理器(最常用的为ARM)。
本数据采集系统采用的为嵌入式微控制器(单片机AT89S52)和嵌入式微处理器(ARM系列S3C2440),其中,嵌入式微控制器用在下位机,而嵌入式微处理器用在上位机。
2.1.1嵌入式微控制器
将整个微型计算机系统集成到一块芯片中,便组成了嵌入式微控制器。
当然这种简约化的系统与通用计算机系统相比结构、功能要少很多,而且只是集成一些必须的器件。
嵌入式微控制器一般是以微处理器内核为核心,内部集成各种必要功能和外设的芯片。
通常为适应不同的应用需求,一个系列的单片机会有多种衍生产品,每种衍生品处理器内核都是一样的,所不同的是存储器及外设的配置及封装。
这样可以使单片机最大限度地与应用需求相匹配,从而可以很好地控制功耗和成本。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
嵌入式微控制器的典型代表为单片机,从70年代末至今,虽然仅仅只有30年左右的历史,但是这种8位机目前应用极其广泛。
一般单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/0、串行口,脉宽调制输出、A/D、D/A、E2PROM、FlashRAM等必要外设和功能。
单片机的最大特点是单片化,体积大大减小,因此功耗和成本下降、可靠性提高。
又因为片上外设资源比较丰富,适合控制,所以被称为微控制器。
由于MCU低廉的价格,优异的性能,因此所拥有的品种和数量很多,比较有代表性的有8051、MCS-251、C166/167、P51XA、C540/541等,并且支持I2C、CAN-BUS、LCD等众多专用MCU及其兼容系列。
在本系统中作为数据采集端的控制中心,所用的芯片是AT89S52单片机。
AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位嵌入式微控制器,内置8KB闪存。
该芯片采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产,其指令与采用工业标准的80C51指令集兼容。
片内程序存储器(8KB闪存)允许重复在线编程,允许其在系统内通过SPI串行口改写或用同样的非易失性存储器改写。
通过把通用的8位CPU与可在线编程下载的Flash集成在一个芯片上,便成为一个高效的微型计算机。
其应用范围广,可用于解决较复杂的控制问题,且成本较低。
AT89S52的主要特性:
兼容MCS51产品,8K字节可擦写一千次左右的在线可编程ISP闪存,工作电源范围为4.0V~5.5V,全静态工作频率为0Hz~24MHz,3级程序存储器加密,256B内部RAM,32条可编程I/O线,3个16位定时/计数器,8个中断源,UART串行通道,低功耗空闲方式和掉电方式,中断终止掉电方式,看门狗定时器,双数据指针,在线编程(字节和页模式)灵活。
特殊功能寄存器(SFR)包括端口锁存器(P0/P1/P2/P3)、程序状态字(PSW)、定时/计数器方式控制(TMOD)、定时/计数器控制(TCON)、定时/计数器(THX/TLX)、累加器(ACC/B)、栈指针(SP),以及其他控制寄存器等等。
专用寄存器只能通过直接寻址方式来访问。
通常,在所有Atmel单片机的专用寄存器(SFR)区中,寄存器的分配情况是相同的。
2.1.2嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的设计是基于通用计算机中的CPU的,与通用计算机的微处理器不同的是,它只保留了与嵌入式应用紧密相关的功能硬件,也就是说它是计算机CPU的精简版。
其中ARM系列是应用最广泛的、最具代表性的嵌入式微处理器。
ARM处理器采用的是RISC(ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机)技术,与CISC(ComplexInstructionSetComputer,复杂指令集计算机)技术相比其指令集及相应的代码解释机制都得到了简化,正是这种这种简化使得用一小型廉价的芯片即可实现较高的指令吞吐量及实时中断响应的功能。
正是ARM的RISC体系结构、低功耗、小体积和高性能,所以特别适合于便携式、嵌入式和多媒体应用领域,所以ARM在实际中得到了极为广泛的应用。
在本系统中上位机的控制中心,所选用的芯片是三星的S3C2440。
三星公司推出的微处理器S3C2440功耗低、优雅且全静态设计,特别适合于对成本和功率敏感型的应用,并且采用了新的总线架构AMBA总线。
S3C2440有着十分优秀的特性,其内核是一个由ARM公司设计的16/32位的ARM920T系列精简指令集的计算机微处理器。
ARM920T包括内存管理单元、AMBA总线、独立的16KB大小的指令高速缓存和16KB的数据高速缓存。
S3C2440集成了如下片上功能:
1.2V内核,1.8V/2.5V/3.3V储存器,3.3V扩展I/O,16KB指令Cache(I-Cache)/16KB数据Cache(D-Cache);
外部储存控制器(SDRAM控制盒片选逻辑);
集成LCD专用DMA的LCD控制器(支持最大4K色STN和256K色TFT);
4路拥有外部请求引脚的DMA控制器;
3路URAT(IrDA1.0,64BTxFIFO,64BRxFIFO);
2路SPI;
I2C总线接口(多主支持);
IIS音频编解码器接口;
AC`97编解码器接口;
1.0版SD主接口,兼容2.11版MMC接口;
2路USB主机控制/1路USB期间控制(ver1.1);
4路PWM定时器/1路内部定时器/看门狗定时器;
8路10位ADC和触摸屏接口;
具有日历功能的RTC;
摄像头接口(支持最大4096x4096的输入,2048x2048缩放输入);
130个通用I/O,24个外部中断源;
电源控制:
正常,慢速,空闲,睡眠模式;
带PLL的片上时钟发生器;
工作电压:
内核:
300MHZ@1.20V
400MHZ@1.30V
储存器:
1.8V/2.5V/3.0V/3.3V;
I/O:
3.3V;
操作频率:
Fclk:
400MHZ
Hclk:
136MHZ
Pclk:
68MHZ
S3C2440的总线信号由总线控制器、SDRAM/SRAM、NANDFlash、LCD控制单元、摄像机接口、DMA、UART、ADC、IIC-Bus、AC`97、触摸屏、USB主机、USB从机、SPI、SD、通用口、定时器/PWM、JTAG、复位,时钟,电源等这些部分构成。
特殊寄存器:
GPACON-PortA控制,GPADAT-PortA数据,只要对这两个寄存器操作就可以动用I/O口了,当然还有PortB,PortC等等,注意要大小端模式必须使用相对的大小端的地址,按照推荐方式对寄存器进行操作,除了ADC,RTC,UART寄存器外其他寄存器必须以字为单位进行读写。
S3C2440有以下特性:
由软件选择的Little/Bigendian模式,地址空间:
每组(bank)128M字节,8组共1GB空间,除bank0(16/32bit)外,所有bank都为可编程访问位宽(8/16/32bit),共8个储存组,6组用作ROM,SRAM等,2组用作ROM,SRAM,SDRAM等,7个bank为固定起始地址,1个bank为可变起始地址和2个bank为可编程大小,所有bank访问周期可编程改变,扩展总线周期的外部等待信号,支持SDRAM的自刷新和电源管理模式。
2.2软件平台方案
2.2.1嵌入式系统的设计要求
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
与通用计算机系统有着本质区别,
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- 基于 ARM 远程 数据 采集 系统 设计 实现 毕业设计 说明书