基于ARM2110的体重均衡测试分析系统的设计论文终稿.docx
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基于ARM2110的体重均衡测试分析系统的设计论文终稿
1绪论
1.1课题的作用和意义
体重是反应和衡量一个人健康状况的重要标志之一。
体重的变化，会直接反映身体长期的热量平衡状态。
而体重增加的原因，也会因不同的生理特性，显示体内组织的变化，体重增加的主要原因是体内的脂肪组织增多及体脂肪增加。
本系统就是基于以上几点理论并结合ARM2110芯片所设计出的一套体重均衡测试分析系统，针对个体差异进行分析研究，用一系列清晰明确的数据帮助人们了解自身的健康状况并给出相应指导。
要测量一个人的体重是否均衡，首先必须有一个相对准确的体重标准，然而人的体重与很多因素有关，所处地理位置、季节、气候、自身情况的不同，对体重都会造成一定影响。
例如在成长时期，体重会因体内的细胞生长而增加，而在成年时期，均衡体重增加的主要原因是体内的脂肪组织增多及体脂肪增加；并因国内各地区对同一年龄时期的体重标志不一致，因此体重指标存在较强的差异。
由于本次设计的局限性，暂定上海地区，年龄在18-29岁,身高在152厘米至176厘米的人群作为主要实验对象。
主要通过这一部分人群的实验展示此次设计的可行性和实用性，而后可以利用这套系统帮助那些超重或者营养不良的人们意识到自身体重的不足开始进行锻炼或者补充营养等一系列措施，将体重调整到一个健康的范围。
1.2ARM和体重均衡测试分析系统的优势
要实现体重均衡测试分析系统需要有一套完善的硬件设备作为支持，其能够使用户使用操作更为简易，让测量自身体重这件事变得简单方便。
一般人在体重还没有明显造成生活困扰的前提下并不会马上就医或采取行动控制体重。
其一部分原因就是由于没有一套简易便于操作的体重均衡测试分析系统作为辅助提醒，而去医院进行身体检查有要消耗一定的精力，所以体重对人类的健康影响岌岌可危。
为了能够帮助人们解决这些困扰，本设计采用了ARMCortex-M3内核系统作为载体，研究实现了体重均衡测试分析的设计。
本设计采用的ARMCortex-M3内核系统是基于ARMv7架构所研发出的ARM嵌入式内核，其使用哈佛结构，使指令和数据总线分离，加快处理速度。
由于ARMCortex-M3内核有着这些优点：
基础内核小、功耗低、成本低、速度快、性能优越等。
它被适用于生活的各个角落，我们的很多通讯设备，电子设备涉及了ARM的应用。
由此众多的优点已可满足本设计的需要，故选用ARMCortex-M3内核来做成本设计。
1.3本论文章节安排
对于本次论文题目《基于ARM2110的体重均衡测试分析系统的设计》安排章节如下。
第一章：
初步介绍本课题的作用和意义，利用ARM2110为基础设计的体重均衡测试分析系统的主要优势。
第二章：
主要介绍体重均衡测试分析系的总体设计方案。
包括体重均衡系统的计算方法，本文所运用到的数据库的研究方法，按键方案的选择，设计系统的优势。
第三章：
描述了系统所需的硬件设备的详细信息，包括开发板模块、输入模块、显示器模块和蜂鸣器模块的介绍。
第四章：
系统的软件部分的分析，包括数据库的建设，各模块的程序设置，系统设备的初始化还有按键的中断方式和所运用到的计算机软件的介绍。
第五章：
叙述了整个系统的调试过程和解决方案，并且做了效果的演示。
最后是致谢，参考文献以及附录。
2设计方案
2.1设计的基本要求
利用ARM-CortexM3的中断功能，实现按键输入年龄、身高和体重等个人信息，建立数据库并连接，通过一定的算法给出体重均衡的测试结果，并将测试结果通过LCD液晶屏显示出来。
（1）利用现有ARM开发板的硬件平台上的资源进行设计。
（2）实现按键扫描输入个人信息。
（3）运用算法分析得出身材情况并给出意见。
（4）电源采用5V稳压电源输入设计。
2.2设计的主要思路
本文将设计体重均衡测试分析系统的整体方案，阐述该系统的基本结构、工作原理、数据库的建立及其设计方法。
该课题主要结合国际上普遍采用的体质量指数BMI作为参考，选取一定范围内的人群，根据其体质实情，通过一套理想体重数据库为人们衡量自身健康与体重之间的关系建立相应的参考标准。
为人们衡量自身健康与体重之间的关系建立相应的参考标准。
整套方案具有操作简易，显示数据详细，参考性强等优点。
设备技术指标如表2.1所示。
表2.1设备技术指标
型号
LM3S2110微处理器
身高
152cm-176cm
体重
10KG-200KG
年龄
18—29岁
显示屏
LCD液晶屏
使用电压
5V
串口
JTAG/串行线接口
显示项目
身高、年龄、性别、测量体重、标准体重、身体重量指数、肥胖度
适用地
上海
●体重均衡测试分析系统基本算法
体重指数的测算公式：
体重指数（BMI）=体重/身高2（kg/m2）
国际测量标准如下表2.2所示。
表2.2BMI测量标准
BMI
（-∞，18）
[18，20〕
[20，25]
[25，27]
（27，+∞）
身高
太瘦
偏瘦
正常体重
偏胖
太胖
如表2.2所示，测量标准共分为五档，此为国际上通用的测量标准。
但这是以西方人群的研究数据为基础制定的，并不适合亚洲人群，考虑到个体体重指标的差异性，将作为本次设计的参考数据。
●本设计使用的理想体重数据库
由于人的体重标准会因为性别、年龄、生长环境的不同产生差异性。
同一地方的相同年龄的人口会因为性别不同而出现体重标准的各异，一般男性偏重；或者同一年龄段的人口，相同性别的情况下，会因为生长环境气候的不同，标准有所改变。
例如在中国北方的人群相对南方人群普遍身形高大，体重值偏高，南北的体重标准值就有所不同；另外在相同环境下，相同的性别的人，也可能因为年龄段不同在体重标准上产生差异。
诸如此类，鉴于课题研究的局限性，本设计主要围绕年龄在18-29岁、身高在152厘米至176厘米的上海地区男女间进行试验。
本文所使用的数据库是BMI值的计算公式与具体人群的生长发育规律相结合，经过研究和调查所得的一套理想体重数据库，如下表2.3和表2.4所示。
表2.3女子标准体重对照表
身高|年龄
152cm
|
155cm
156cm
|
159cm
160cm
|
161cm
162cm
|
163cm
164cm
|
165cm
166cm
|
167cm
168cm
|
169cm
170cm
|
171cm
172cm
|
175cm
176cm
18、19
46
47
49
50
51
52
54
56
57
60
20、21
46
47
49
50
51
52
54
56
57
60
22、23
46
47
49
50
51
52
54
56
57
60
24、25
46
48
49
50
51
53
55
56
57
61
26、27
47
48
50
51
52
53
55
56
58
61
28、29
47
49
50
52
53
54
56
58
59
62
表2.4男子标准体重对照表
身高|年龄
152cm
|
155cm
156cm
|
159cm
160cm
|
161cm
162cm
|
163cm
164cm
|
165cm
166cm
|
167cm
168cm
|
169cm
170cm
|
171cm
172cm
|
175cm
176cm
18、19
50
52
52
54
56
58
61
64
67
70
20、21
51
53
54
55
57
60
62
65
69
72
22、23
52
53
55
56
58
60
63
66
70
73
24、25
52
54
55
57
59
61
63
67
71
74
26、27
52
54
55
57
59
61
64
67
71
74
28、29
53
55
56
57
59
61
64
67
71
74
根据表2.3和表2.4所示数据库，我们可以根据BMI计算公式推算出上海地区年龄在18-29岁、身高在152厘米至176厘米的正常女性的体重指数约为20；而上海地区年龄在18-29岁、身高在152厘米至176厘米的正常男性的体重指数约为23。
●按键设计
本系统需要利用ARM-CortexM3的中断功能，按键输入个人信息，方可使试验顺利实施，故数据信息的输入是系统正常运作的关键之一，输入方式是否得当，稳定是试验成败的关键。
试验过程中，提出了两种方案设想，如下所示。
方案一:
4×4矩阵键盘
4×4矩阵键盘是由4行4列的按钮组成。
外部排列为：
第一行0、1、2、3，第二行4、5、6、7，第三行8、9、A、B，第四行C、D、E、F。
内部：
每个按键是通过行值和列值的组合来识别该按键的编码。
按键排序如图2.1所示。
图2.14×4矩阵键盘排列图
而ARM2110开发板上的4个KEY，只实现了4种效果的控制，针对ARM2110开发板上按键少的不足，我们可以采用4×4矩阵键盘。
将矩阵键盘用导线与ARM2110的管脚连接。
矩阵键盘的按键工作方式分为动态扫描和中断控制有两种。
动态扫描下，有事件发生时，会先判断有无按键，再判断按键指向的功能；中断控制下，当有键按下时，产生中断信号，在向芯片发出中断请求后，如设有优先级则芯片自主识别优先等级，再进行按键处理，控制相应功能。
动态扫描在本设计中显得有些不实用，因为其会增加芯片负担，影响实时性。
而中断控制可以实时的处理中断，但其也有一定的缺点，不利用主程序和中断程序的同步，使程序结构化受到影响，可能导致数据丢失。
方案二:
键盘输入
PC键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成，是与主机箱分开的一个独立装置，通过一根5芯电缆与主机箱连接，系统主板上的键盘接口按照键盘代码串行传送的应答约定，接受键盘发送来的扫描码；键盘在扫描过程中，7位计数器进行循环计数。
从用途上看，键盘可分为台式机键盘、笔记本电脑键盘和工控机键盘三大类，其应用都是主要依赖于硬件CPU和软件操作系统。
通过键盘输入用通俗的话讲就是在按键ISR里直接处理，虽然花费的时间会比较长，但输入数据明确，既不必担心按键模块与ARM开发板之间的管脚连接差错，也不会影响实时性，是一种直接简便的数据录入方式。
输入数据位置如下。
getinformation（void）
{
sex=
age=
height=
weight=
}
综上，由于ARM2110开发板上的4个KEY，可以实现了4种效果的控制；而在编译系统程序时又会使用到方案二所用的PC键盘输入。
故简便起见，本设计主要采用方案二所提出的方式，结合方案一中键盘按键模块的基本原理，利用ARM2110开发板上的4个按键共同完成本次设计的输入模块。
在本次体重均衡分析系统的设计中，我们通过PC键盘将体重，身高，年龄，性别的信息数据输入程序，进行运算。
而后通过ARM2110开发版上的四个按键控制LCD的屏幕显示。
主控制台采用控制板上的4个按键设计简单，用单手即可操作，可以完成显示屏画面的功能。
按键功能的设定如表2.4所示。
表2.4相应界面示意图
操作
按KEY1
按KEY2
按KEY3
按KEY4
屏显
年龄、性别、身高、体重。
BMI数值。
被测者的体重情况及注释,并伴有蜂鸣器作为警示。
标准体重参考值。
如表2.4所示，按KEY1显示被测者的基本信息（体重，身高，年龄，性别），按KEY2显示根据体重指数公式所测得的BMI指数，按KEY3显示测试结果和提示语，按KEY4根据数据库设定显示标准体重标准参考值。
●仿真方案简易流程图
通过ARM2110芯片和数据库的建立分析进行体重均衡测试分析系统的设计方案。
其仿真方案流程图如图2.2所示。
图2.2仿真方案简易流程图
根据图2.2中所示，当输入身高、体重、年龄、性别等信息时，系统就会进行自动判别，计算出给定的参考数据，并会伴有蜂鸣器警报提示，最后使整个分析结果清晰的显示在屏幕上，以完成分析系统的整个流程。
2.3系统的优势
本设计基于ARM-CortexM3的中断功能，利用现有ARM开发板，结合国际上普遍采用的体质量指数BMI作为参考，根据国内青少年人群体质实情，计算出一套理想体重数据库。
通过按键输入性别，年龄、身高和体重等个人信息，连接数据库，通过算法给出体重均衡的测试结果，并将测试结果通过LCD液晶屏显示出来。
系统会根据不同数据给予相应的显示，用简洁的文字，详细的参考值，并且通过对ARM2110开发板的研究，本设计中另外增入了蜂鸣器模块的应用，使其实现发出提示音的作用，提升开发板利用率，为人们衡量自身健康与体重之间的关系建立的参考标准。
人们可根据测试结果安排合理的膳食营养和体育锻炼。
整套方案操作简易，只要通过按键输入相应的数据，屏幕上便可显示详细的数据；参考性强，完整的数据库使得分析结果更加的精确可信。
实现LM3S2110微处理器在日常生活的实用性和可操作性。
3硬件设备的构成
本系统主要涉及的硬件模块和连接如图3.1所示。
图3.1系统原理结构框图
系统涉及的主要模块如图所示，是以LM3S2110开发板为核心，键盘、PC、蜂鸣器和LCD为辅助模块而构成的整体。
3.1LM3S2110开发板
3.1.1LM3S2110简介
LM3S2110是ARMCortex-M3时代的芯片，StellarisLM3S2000系列芯片中的一员。
能够使用户以之前8位或16位部件的价格享有32位处理速度的性能，并且还以利用更小的空间让用户得到更大的应用范围。
LM3S2110的优势更体现在它的兼容性上，能使用于多种ARM及偏上系统的底层IP应用方案。
本设计就是青睐于该芯片的可操作性强，易于控制和调试。
LM3S2110微控制器是针对工业应用方案而设计的，这些应用方案包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防等[1]。
3.1.2LM3S2110功能结构
1.LM3S2110具有的显著特性。
●32位RISC性能。
●内部存储器（64KB单周期Flash、16KB单周期访问的SRAM）[2]。
●3个通用定时器模块（GPTM），每个提供2个16位定时器。
●16或32位定时器模式。
●16位输入捕获模式。
●16位PWM模式等。
2.LM3S2110微处理器引脚图及说明
LM3S2110共100个管脚图，如图3.2所示。
图3.2LM3S2110微处理器引脚图
图3.2所示的引脚图主要有通用输入/输出（GPIO）管脚、电源管脚、通用定时器管脚、系统控制时钟管脚、JTAG管脚、I2C管脚、PWM管脚、模拟比较器管脚、控制局域网管脚、UART管脚、SSI管脚组成。
本设计中所需要用到的管脚及LM3S2110中较重要的管脚，如表3.1所示。
表3.1LM3S2110管脚列表
管脚名称
简介
功能
（TRST）
测试复位输入
用来对JTAGTAP控制器和相关的JTAG电路进行初始化和复位。
（TCK）
测试时钟输入
TCK管脚是JTAG模块的时钟。
通过该时钟输入，测试逻辑可以独立于其他系统时钟而单独运行。
（TMS）
测试模式选择
TMS管脚选择JTAGTAP控制器的下一个状态。
TMS管脚在TCK的上升沿被采样。
根据当前的TAP状态以及TMS的采样值进入下一个状态。
（TDI）
测试数据输入
TDI在TCK的上升沿被采样，并根据当前的TAP状态以及当前指令，将该数据传送给合适的移位寄存器链。
（TDO）
测试数据输出
TDO管脚将一串串行信息从IR链或DR链输出。
CMOD0
测试模式控制管脚
该管脚须接地。
CMOD1
测试模式控制管脚
该管脚须接地。
RST
外部复位管脚
能使外设所有信号复位。
PA
独立的GPIO端口A
LM3S2110的输出输入接口。
PB
独立的GPIO端口B
LM3S2110的输出输入接口。
PC
独立的GPIO端口C
LM3S2110的输出输入接口。
PD
独立的GPIO端口D
LM3S2110的输出输入接口。
PE
独立的GPIO端口E
LM3S2110的输出输入接口。
PF
独立的GPIO端口F
LM3S2110的输出输入接口。
PG
独立的GPIO端口G
LM3S2110的输出输入接口。
PH
独立的GPIO端口H
LM3S2110的输出输入接口。
GND
Ground
接地。
表3.1中TRST管脚、TCK管脚、TMS管脚、TDI管脚、TDO管脚是构成JTAG端口的标准管脚，是防止芯片锁死的重要部分。
PA管脚、PB管脚、PC管脚、PD管脚、PE管脚、PF管脚、PG管脚、PH管脚这8组端口共同组成了GPIO模块,是LM3S2110芯片与各种外设的连接处[3]。
3.1.3LM3S2110的GPIO特性
本设计使用的LM3S2110的GPIO端具有10个显著特性，本设计用到了前5个功能。
（1）高达11-40个GPIO，具体数目取决于配置。
（2）输入/输出可承受3.3V和5V。
（3）中断产生可编程为边沿触发或电平检测。
（4）在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽。
（5）GPIO端口配置的可编程控制。
（6）弱上拉或下拉电阻。
（7）2mA、4mA和8mA端口驱动。
（8）驱动的斜率控制。
（9）开漏使能。
（10）数字输入使能。
3.2PC键盘的运用
PC键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成，是与主机箱分开的一个独立装置，通过一根5芯电缆与主机箱连接，系统主板上的键盘接口按照键盘代码串行传送的应答约定，接受键盘发送来的扫描码；键盘在扫描过程中，7位计数器循环计数。
当高5位（D6一D2）状态为全“0”时，经译码器在O列线上输出一个“0”,其余均为“1”；而计数器的低二位（D1D0）通过4选1多路选择器控制0—3行的扫描。
计数器计一个数则扫描一行，计4个数全部行线扫描一遍，同时由计数器内部向D2进位，使另一列线1变低，行线再扫描一遍。
只要没有键按下，多路选择器就一直输出高电平，则时钟一直使计数器循环计数，对键盘轮番扫描。
当有一个键被按下时，若扫描到该键所在的行和列时，多路选择器就会输出一个低电平，去封锁时钟门，使计数器停止计数。
这时计数器输出的数据就是被按键的位置码（即扫描码）。
从用途上看，键盘可分为台式机键盘、笔记本电脑键盘和工控机键盘三大类；其中台式机键盘从按键结构上又可分为两类，即机械键盘和电容键盘（又称有触点键盘和无触点键盘）。
机械键盘存在着开关容易损坏、易污染、易老化的缺点，现已基本淘汰。
电容键盘在可靠性上比前者有质的飞跃，使用寿命较长，目前大多为电容键盘。
但是，无论是机械键盘或者电容键盘，还是从早期的83键键盘发展到目前通称的标准键盘104键键盘，其应用都是主要依赖于硬件CPU和软件操作系统。
通过键盘输入用通俗的话讲就是在按键ISR里直接处理，虽然花费的时间会比较长，但输入数据明确，既不必担心按键模块与ARM开发板之间的管脚连接差错，也不会影响实时性，是一种直接简便的数据录入方式。
输入数据位置如下。
getinformation（void）
{
sex=
age=
height=
weight=
}
在本次体重均衡分析系统的设计中，我们通过PC键盘将体重，身高，年龄，性别的信息数据输入程序，进行运算。
而后通过ARM2110开发版上的四个按键控制LCD的屏幕显示。
按KEY1显示被测者的基本信息（体重、身高、年龄、性别），按KEY2显示根据体重指数公式所测得的BMI指数，按KEY3显示测试结果和提示语，按KEY4根据数据库设定显示标准体重标准参考值。
3.3LCD显示器
3.3.1LCD液晶屏基本结构与原理
LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。
这两个平面上的槽互相垂直（相交成90度）。
也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。
由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。
但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转[4]。
从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。
LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶（LC）材料的5μm均匀间隔隔开。
因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。
背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。
液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。
在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。
在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。
当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。
3.3.2LCD液晶屏特点
本设计使用的LCD液晶屏具有如下5个特性。
1）理论寿命5万小时。
2）颜色逼真。
3）体积小，重量轻。
4）无人体有害射线。
5）易于实现，价格适当。
3.3.3LCD液晶屏连接方式
LCD液晶显示屏属于输出模块，与LM3S2110管脚对应连接,它们的连接的管脚列表如表3.2所示，所对应的管脚图如图3.3所示。
表3.2LM3S2110与LCD显示屏连接的管脚列表
LCD显示屏端口
开发板端口
TFT_DATA_PORT
GPIO_PORTD0x000000FF
TFT_RST
GPIO_PORTB_1
TFT_RD
GPIO_PORTB_3
TFT_WR
GPIO_PORTE_1
TFT_RS
GPIO_PORTB_0
TFT_CS
GPIO_PORTB_2
图3.3LCD液晶屏与ARM2110管脚接口图
如图3.3所示，LCD16021602采用的是标准的16脚接口。
主要为对应的连接为RST-A3、RD-A2、WR-A5、RS-A4、CS-A6、PD0-PD0、PD1-PD1、PD2-PD2、PD3-PD3、PD4-PD4、PD5-PD5、PD6-PD6、PD7-PD7、GND-GND、3.3V-3.3V。
其中D0～D7为8位双向数据端[5]。
具体管脚功能介绍如表3.3所示。
表3.3LCD液晶显示屏管脚列表
管脚名称
简介
功能
RST
ResetSignalInput
能使外设所有信号复位。
RD
Readenableinput
读出当前输入值。
WR
Writeenableinput
改写当前输入值。
RS
RegisterSelect
存储选择。
CS
ChipSelectInputs
芯片输入选择。
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