便携式传感器巡检仪李梅实训论文110520打印Word格式文档下载.docx
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4.5LCD显示模块的设计21
4.6I/O模块设计27
4.7各模块之间的通讯设计28
5.总结31
参考文献33
附录一：
LCD运行图35
附录二：
系统运行图：
36
附录三：
UC_GUI移植函数配置39
1．引言
随着现代科技的发展,工业控制器在工业生产的各领域发挥着越来越重要的作用。
工业自动化的高速发展，生产规模的日益扩大，全球化生产的日益融合，对工业控制器提出了更高要求，如微型化、便携化、智能化、网络化等。
目前，用于工业控制的控制器主要分为两种，即:
工业控制机和可编程控制器（PLC）。
工业控制机是由通用的微机推广应用而发展起来的。
近几年来，微电子技术和计算机技术的发展，使微控制器集成度越来越高，计算速度越来越快，价格和功耗越来越低。
因此不论是工业控制机技术还是可编程控制器（PLC）技术向嵌入式领域渗透的步伐正在逐渐加大。
嵌入式系统因极小的体积、极低的功耗散热和软硬件的可裁剪性，而深受用户的欢迎。
可以预见，基于嵌入式系统的工业控制器必将具有广阔的发展空间。
目前，在大型的工业控制系统中主要采用PLC、DCS等控制设备,它们采用模块化设计功能强大、设计灵活、性能稳定,可以很好的满足控制需求。
但是在小型控制系统中主要还是采用数字仪表来对系统进行控制,它在控制精度和速度上都难以满足现代工业控制的要求。
而目前在各个领域广泛应用的嵌入式系统具有功耗低、体积小、集成度高、成本低、稳定性好等特点,如果设计一种嵌入式工业控制器,采用模块化设计的方法,结合模块化的灵活性和嵌入式系统的高效、稳定特性。
它可以测量多种信号,有较高的测量精度和多种测量范围并且能够对信号进行各种复杂的处理、运算控制。
另外还可以设计一个良好的人机界面以方便用户对信号组态控制、监测的功能,使控制器更加满足现代工业控制的要求。
半导体技术的迅猛发展，使控制器的设计从模拟化走向数字化。
如果控制器由数字化再发展到模块化,即以模块控制器取代众多各厂家自己开发的控制器;
那么各个厂家就可以利用现成单元电路模块组装成自己所需要的产品,这样就可以最大限度地以减少制造成本和开发时间。
因此模块化控制器应该有独立可拆分的功能和典型结构，具有组合性和通用性。
既易于组合成新系统、新产品,升级方式简捷;
也容易从系统或产品中拆卸、更换,维修方便;
总之模块工业控制器典型、通用、互换、兼容。
在此思想和热网工控检测的背景前提下，鉴于对现场温度压力和水箱液位的检测和控制，本实训要求学生从单片机系统的软硬件设计出发，学习基于STM32单片机的软硬件设计方法。
不采用现成的PLC实现顺序控制，而是从最底层用单片机设计实现一个模块化的工业控制器。
力求做出一个成本比PLC低,逻辑针对性高，智能化高，专业实现的功能要比PLC多，安全性可靠性高、通讯组态模式先进等特点。
此工业模块控制器可以应用于工业控制领域，例如过程控制系统、远程控制系统等，也可用于简单顺序控制系统。
除了工业控制以外，还可应用到消费电子和民用领域（如手持数据采集终端、各类网关、智能家居等）。
2．总体设计
2．1模块化设计方案
在自动控制产品的设计过程中，实现方案的选择是多种多样的。
实现方案的选择恰当与否往往会影响到控制器整体功能的实现，也影响到用户使用操作是否便捷易行。
对本设计的现场背景来说，压力和温度的多路信号采集、显示、及控制如果全部采用单个单片机设计，随着采集的信息内容更多，信息量更大，对各个部分的任务就容易相互产生影响，这样在部分设计的受到影响或是出现错误时，（比如工业控制现场干扰源多，干扰信号强，如果采用单个单片机设计，则整套系统的抗干扰能力弱，一旦出现控制系统“死机”的情况，加上又没有其它的应急保护措施，很可能给机组设备的安全运行带来严重的影响）。
因此本设计采用ARM微处理器和CPLD共同来设计工业控制器，并且，各个设计部分采用模块的形式单独设计，模块之间则由通信接口连线通信，来共同完成整个任务功能的实现。
由于8/16位单片机速度不够快并且内存不够大，较难满足嵌入式设备的上网要求。
近年来异军突起的一些32位ARM微控制器工作主频高达几百兆，具有小体积、低功耗、低成本、高性能的特点，在国内逐步推广使用，实时性问题得到了很好的解决。
于是，本设计选择ARM公司的STM32系列32位闪存微控制器作为我们的主控制芯片，并在该STM32F103ZET7开发板移植加入嵌入式系统进行模块化工业控制器的设计。
2.2整体设计思路
本实训设计一个基于STM32单片机的模块化工业控制器，采用分模块的设计思想，将整个工业控制器分成几个模块，形成自己的小单元电路，包括CPU控制模块、AD采集模块、I/O模块，LCD显示模块、各模块在uC/COS嵌入式操作系统的界面下完成各模块功能的实现，各模块之间采用RS-485总线连接，通信协议采用modbus一主多从协议。
为了实现对温度、压力、流量、液位等的精确测量、显示,同时输出人工智能或位式开关控制信号,对被测量对象进行有效的正作用或反作用控制,我们利用从最底层用单片机着手，设计了模块化工业控制器。
分别从系统的硬件结构和软件设计思路做起，完成了模块化工业控制器的完整系统的设计。
系统的整体框图如下：
图2-1系统的整体框图
2.3设计简介
整个实训设计的硬件设计以STM32为核心控制器完成CPU与LCD显示模块、AD采集模块、I/O模块的硬件设计。
每个模块设计RS-485通信接口。
软件设计基于UCOS/II操作系统，划分任务，编写驱动程序和控制程序，最终实现一个演示系统，采集4路一次供水温度信号、4路回水温度信号，4路二次供水温度信号、4路回水温度信号，并在LCD显示模块显示实时数据。
本实训设计的ADC采集模块负责检测采集现场的模拟信号量（例如温度、压力等），通过DMA（直接存储器存储）传输，之后等待CPU的查询。
一旦收到CPU的查询命令，就将采集到的现场模拟信号量通过RS485总线传输给CPU，然后接着去采集现场信息，等待CPU的下一次查询。
这样可以节省CPU的使用率。
I/O模块的主要功能就是采集水箱的液位数据，然后发送给CPU模块，数据得到处理后，在LCD显示模块的帧请求成功后，CPU模块发送数据，进行显示。
LCD显示屏以其低功耗，具有字符和点阵显示功能，已广泛用于便捷式仪器，越来越多的应用到了各个领域。
很多微控制器电路芯片内集成有LCD控制器，可以直接驱动LCD显示，运算结果数据通过CPU处理转换后写入显示寄存器中，最后送到显示驱动单元输出。
不同的MCU母体来实现显示数据的产生方式各不相同。
实训设计的显示模块采用ILI9320液晶显示屏,显示从现场检测采集到的数据。
当AD模块或者是I/O模块从现场采集到所要检测的数据信息后，传输给CPU主机进行一些数据处理，之后主机将发送指令把处理好的数据信息量发送到LCD显示屏上进行显示。
2.4UCOS/II嵌入式操作系统
μC/OS-II是一个实时操作系统内核，是一个源代码公开的实时嵌入式内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、简单内存管理和任务间的通信与同步等实时系统所需的基本功能。
没有提供输入输出管理、文件系统和网络之类的额外服务。
但是由于μC/OS-II的可移植性和开放性，用户可以自己的实际应用添加所需的模块。
μC/OS-II是一个抢占式实时操作系统，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。
这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好。
另外内核的实现都仔细考虑了运行时间的确定性问题，任务调度、任务间通信和内存分配都是采用执行时间确定的设计，不会因为任务数变化、顺序变化等出现执行时间的差异。
μC/OS-II结构的关系如下图所示：
图2-2μC/OS-II结构的关系图
从图中可以看出，μC/OS-II软件主要有这四大部分构成，在移植过程中，我们需要修改的是与处理器有关的代码（驱动部分）部分和与μC/OS-II配置应用相关代码，还有就是用户自己编写的程序代码。
至于μC/OS-II内核的源代码（与处理器无关的源代码）部分，我们一般不用去修改，在移植过程中将其添加到相应的工程文件中直接使用就可以了。
实际上对于μC/OS-II的移植主要与4个文件相关，这4个文件是与处理器密切相关的:
汇编文件（OS_CPU_A.ASM）、处理器相关C文件（OS_CPU.H、OS_CPU.C）和应用程序相关的配置文件（OS_CFG.H）。
具体如下：
a、修改“include.h”文件
该头文件是一个主头文件，会出现在每一个.C文件中，通过修改它，增加自己的头文件。
b、修改“os_cfg.h”文件
此文件包含空闲任务的堆栈长度、消息队列、邮箱、信号量等的设置，通过修改此文件进行对操作系统裁剪。
c、修改头文件“OS_CPU．H”
头文件“OS_CPU．H”包括了用#define语句定义的、与处理器相关的常数、宏以及类型，需要修改的内容有与编译器相关的数据类型重定义部分和与处理器相关的少量代码。
d、修改C语言文件OS_CPU．C
文件OS_CPU．C中有10个C语言函数需要编写，这些函数中唯一必要的函数是OSTaskStkInit，其他9个函数必须声明，但不一定要包含任何代码。
e、修改汇编语言文件OS_CPU_A．ASM
汇编文件OS_CPU_A.ASM中需要编写的函数分别为OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。
总之，μC/OS-II是一个完整的、可移植、固化、裁减的占先式实时多任务内核。
μC/OS-II可供不同的微处理器使用，可以移植到8位到64位不同的微处理器上。
它的基本思路就是“近似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态”。
μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于不同硬件的实现，只需要根据具体CPU和实际应用做相应的移植即可。
3.硬件设计
任何系统都要求软硬件的密切配合，硬件可以增加系统软件的稳定性和灵活性，软件可以降低硬件的成本，两者是相辅相成的。
3.1处理器CPU的选型
单片机和DSP处理器在网络功能上有些力不从心，不能满足要求，SOC还不能适合应用，因此选用嵌入式微处理器MPU，MPU有许多流行的内核，主要包括ARM、MlpS、powe中C、xs6和M6sK系列，其中ARM内核具有功耗低、体积小和低成本的特点，具有各具特色的芯片可供挑选，能够找到适合本设计要求的芯片，因此，设计中我们选择ARM公司的STM32系列32位闪存微控制器作为我们的主控制芯片，并在该STM32F103ZET7开发板移植加入嵌入式系统进行模块控制器的设计。
STM32是来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核的32位闪存微控制器。
该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。
STM32的出现给MCU用户前所未有的自由空间，提供了全新的32位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势，再加上丰富的外设和有竞争力的价格，得到了市场上高度的认可，使得它成为众多商家的第一选择。
STM32有两个系列增强型和基本型。
STM32F103是增强型系列，工作在72MHz，带有片内RAM和丰富的外设。
STM32F101是基本型系列，工作在36MHz。
两个系列的产品拥有相同的片内闪存选项，在软件和引脚封装方面兼容。
均可以用于显示、声音、存储和高级控制；
兼有低功耗和多种省电工作模式，能够优化工业设备、物业控制设备、医疗设备和计算机外设等产品的性能。
本实训设计选用的STM32F103ZE类型的微处理器芯片，主要进行接受ADC模块采集的8路温度数据并进标度变化、接受I/O模块采集的8路数字量数据并且发送处理完的数据给LCD显示模块，并且让其进行显示。
STM32F103ZE微处理器的内部资源：
⏹MCU:
STM32103ZET6;
（LQFP144脚,片上集成512Kflash、64KRAM;
12BitA/D、D/A;
PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等资源）
⏹256K*16BITSRAM,FSMC扩展,满足大容量数据采集、处理及分析等应用MBSPIFLASH芯片（AT45DB161）,满足彩屏上丰富的图片存储、数据表格存储等应用
⏹2.8寸TFT真彩屏,FSMC控制,配置ADS7843触摸控制器.
⏹CAN接口,驱动器芯片TJA1050
3.2供电电源设计
考虑到STM32单片机的电压要求和日常生活供电的差值比较大，所以在给单片机供电是必须要有电压转换，外部供电正常电压是220V，所以首先我们选用一个YG-510系列的开关稳压电源，以将生活供电转化为与STM32芯片要求供电接近的5V电压，该电源输入为交流电100-240V,输出为直流电，5V电压，和1000mA电流，然后在开发板的设计中，设计转化电路，在电源电路的设计中由于外界提供的电压可能不是很稳定，可能含有低频、高频成分的杂波，需要电容、电感对其滤除。
在此电路设计中选择的芯片是型号为AMS1117的稳压器，AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252（DPAK）塑料封装。
在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。
因此选作本设计的STM32芯片供电的转化电路计较合适，具体电路如下：
图3-1电源转换电路图
如图3-1的电路设计，首先是5v电压源的接口电路，之后连接转化开关，然后连接AMS1117芯片，输出3.3V电压给STM32芯片供电。
3.3JTAG下载电路的设计
JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。
现在多数的高级器件都支持JTAG协议,如DSP、FPGA、单片机器件等。
标准的JTAG接口是4线：
TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
本系统的JTAG调试单元电路如图3-2所示：
图3-2JTAG接口电路
设计中相关JTAG引脚的定义为：
TCK为测试时钟输入；
TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；
TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；
TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；
TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。
3.4RS-485电路的设计
随着现代工业的发展,对工业设备的控制逐步从单一独立系统向集散控制监控系统发展。
Modbus协议的物理层一般都采用RS-485半双工结构作为通信接口标准。
RS-485是串行数据接口标准，由电子工业协会（EIA）1983年在RS-422基础上制定并发布了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。
在通信距离为几十米到上千米时，RS-485收发器被广泛使用。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统。
本实训的各模块之间的通讯采用RS-485，由于要把单片机的逻辑电平经过光耦6N137隔离后转换成485差分信号在总线上传输,于是采用TI公司的SN75LBC184RS-485收发器,这是一种具有瞬变电压抑制的收发器,可以防止因静电放电（ESD）对收发器造成的损坏。
RS485接口电路图如下：
图3-3RS485接口电路图
3.5ADC模块设计
本实训设计的ADC模块的硬件选用的是STM32F103ZE单片机的内部资源，
STM32内部有3个ADC，每个ADC是12位的逐次逼近型模拟数字转换器。
它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。
各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。
ADC的结果可由转换完成中断处理或由DMA存储，通道的转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，转换结果以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。
通道采样时间可编程，总转化时间可缩减到1us，此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输。
直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
无须CPU任何干预，通过DMA数据可以快速地移动，这就节省了CPU的资源来做其他操作。
因为本系统采集的为温度、压力信号，所以要使用标准的温度传感器和压力传感器。
它们的输出为4-20mA，而AD只能采集电压信号，所以要有信号转换电路，用来将电流信号转换为电压信号。
传感器的电流信号从A1接入经过电阻转化变换为0.6-3V的可测电压值。
信号转换电路如图3-4所示：
图3-4信号转换电路
3.6LCD显示模块的设计
3.6.1LCD设计概述
本实训设计触屏的设计方案，并且采用了320*240的ILI9320液晶显示屏，来显示采集的数据，因此首先选择了ADS7843的触摸屏接口芯片和ILI9320的控制芯片来实现此功能。
Ads7843触摸屏接口是TI公司生产的4线电阻触摸屏转换接口芯片，它是一款具有同步串行接口的12位取样模数转换器，在125kHz吞吐速率和2.7v电压下的功耗为750uW,而在关闭模式下的功耗仅为0.5uW。
因此，ADS7843以其低功耗和高速率等特性，被广泛应用在采用电池供电的小型设备上，ADS7843采用SSOP-16引脚封装形式，温度范围是-40--+85摄氏度。
图3-5ADS7843芯片引脚图
ADS7843是一款连续近记录（SAR）的A/D转换器，本实训设计中通过连接触摸屏X+将触摸信号输入到A/D转换器，同时打开Y+和Y-驱动，然后数字化X+的电压，从而得到当前Y位置的测量结果，同理也得到x方向的坐标。
具体外设电路如下：
图3-6触摸屏接口的电路图
ILI9320是手机常用的彩屏控制器，采用16bit并行总线方式，彩屏具有4个背光LED灯（控制端为LED1~LED4），采用三极管9012链接共阳极LEDA，是背光受控于DSP的PE3脚，若一段时间内未触摸屏幕，控制PE3脚为高，是背光熄灭，降低系统功耗，彩屏与4线电阻式触摸屏紧贴在一起。
图3-7ILI9320控制电路图
在控制芯片选用好以后，将其分别集成与TFT显示屏上做成20管脚的集成芯片，并且和STM32芯片的显示端PG接口连接，以控制数据的显示。
集成电路的如下：
图3-8显示屏控制集成芯片电路图
4．软件设计
4.1开发环境的简介
本实训软件的开发环境使用的是RealViewMDK（Keiluv3）软件，Keil是ARM公司出品的单片机c语言软件开发环境，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
其包括简单易用的入门套件，完整的开发工具方案，编程工具以及嵌入式操作系统。
比如说，包括STM32固件库、USB开发工具集、STM32电机矢量控制固件库等，为我们本次实训软件的编程提供了极大的方便。
4.2UCOS/II嵌入式操作系统
图4-1μC/OS-II结构的关系图
4.3CPU模块的软件设计
CPU模块上电之后先会对芯片的内部资源进行初始化，之后进入操作系统，进行任务之间的调度。
CPU模块的初始化程序流程图如图4-2所示：
图4-2CPU模块初始化程序流程图
本设计的CPU模块在Modbus总线中为主机，所以CPU会隔一段时间对其它从机进行轮询，并把接收到的ADC模块采集的8路温度压力数据并进标度
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