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基于嵌入式技术的温度测量系统设计

南京工程学院 黄坚 朱节云 徐柏山?? 2010年01月15日 ?? 收藏0

  1. 引言

  嵌入式系统是能够运行操作系统的软、硬件综合体,且多数系统的应用软件和操作系统是紧密结合在一起的。选配好RTOS(Real-Time Operating System)开发平台,就能合理的实现多任务调度,系统资源利用。

  嵌入式系统较一般单片机系统而言,软件资源利用率较高,开发周期短;系统精度较高;实时性也更好。特别适合于数据处理量较大,有联网、通信等要求的场合。

  为了利用嵌入式系统构造一个分布式多点温度测控系统,本文做了一些前期的尝试和开发工作。结合可编程单总线数字式温度传感器DS18B20,用嵌入式系统构造了一个具有温度测量、相关数据处理以及与上位机通信等功能的现场温度测量单元,上位机则主要完成系统监控和人机交互等功能。

  2. 系统组成及工作原理

  温度测量系统总体结构如图1所示。

系统总体结构图

图1 系统总体结构图

  本文中,下位机由嵌入式系统组成。根据实际需要,其核心采用了低端的LPC2104芯片。它包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU,128K 字节FLASH存储器和64K字节SRAM以及片内总线。数字式温度传感器DS18B20连到LPC2104的一个GPIO管脚P0.8上。 LPC2104通过该管脚发送命令和接收温度值,并对读到的温度值进行数字滤波、二—十进制转换等数据处理,还设置了温度超限报警等功能。下位机还可与上位机实时通信,一方面接受上位机的各种指令,另一方面,将测得的温度值传送到上位机。

  上位机为PC机,通过串口与下位机相连。一方面将设定的指令以及人工干预信号发送给下位机,另一方面,对从下位机接收到的温度数据进行适当的处理,并将其以曲线的形式显示出来。

  DS18B20直接将测得的温度值转换成数字量输出,其有效引脚只有三个:DQ(数据)、VDD(电源)和GND(地)。DS18B20是通过带5K上拉电阻的DQ线来读取和发送信息的,它可以不外接电源,也可在VDD端外接一个3v~5.5v电源。DS18B20片内含有ROM和RAM,ROM中保存有一个独立的序列号,因而可将多个DS18B20同时连在一条总线上工作。

  对DS18B20的操作有:复位;对ROM的操作(若只用一个DS18B20,则可跳过ROM匹配);对RAM的操作,即先发送温度转换命令(0x44),使DS18B20将采集到的模拟量数据转换为数字量存到 RAM中,再发送读取存储器命令(0xbe),使其将RAM中存储的数据从DQ上按照一定的时序传送出来。传送时,先低位后高位,最后传符号位。

  通过对DS18B20进行时序分析知,复位脉信号应为一个持续480us以上的低电平信号;写信号应满足:先使DQ线降为低电平,若写“1”,则在15us内置DQ为高电平,若写“0”,则仍置DQ为低电平,在两次独立写时序之间至少应保持1us的恢复时间;读信号应满足:先将DQ线从高电平拉到低电平,并使其至少保持1us,因DS18B20的输出数据将在下降沿后15us有效,故在此之前,微机必须释放DQ线,以便读取数据。写、读时序均不得小于60us。根据以上分析,可编写出相应的复位和读、写函数,调用这些函数便可实现对DS18B20的操作。温度测量程序流程见图2,相应的温度测量函数为Measure_Temperature()。

温度测量程序流程图

图2? 温度测量程序流程图

  DS18B20的数据精度决定于它的配置(9,10,11或12位),其中12位是出厂设置。这相当于温度精度为0.5°C, 0.25°C, 0.125°C, 或0.0625°C。

  除了温度测量之外,嵌入式系统的另一个重要任务就是实现与上位机的通信。为实现LPC2104与PC机RS-232-C标准接口的互连,采用了芯片 MAX3232,它是为RS-232-C标准接口设计的一种电平转换驱动器,使用单一的+5V电源,外接4个0.1uF的电容,就可将LPC2104的 TTL电平信号转换成RS-232-C标准电平信号,也可进行相反的电平转换。两者之间的连接如图3所示。

LPC2104与上位机的连接

图3? LPC2104与上位机的连接

  在嵌入式系统的通信程序中用到了中间件(middleware),它是基础软件的一大类,属于可复用软件的范畴。中间件处在操作系统、网络和数据库之上,应用软件之下,是第三方程序。其作用是为应用软件提供运行与开发的环境,帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。基于中间件开发的应用程序可以方便的实现不同系统间的移植。


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温度测量? LPC2104? DS18B20?

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