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arm毕业设计论文

西安工业大学北方信息工程学院

本科毕业设计（论文）

题目：

基于ARM的无线温度监控系统—现场控制单元

系（部）：

电子信息工程系

专业：

电子信息工程

班级：

B060301

学生：

徐云飞

学号：

B06030120

指导教师：

张峰

2010年5月

无线温度监控系统的现场控制单元设计

摘要

温度信息的采集与处理是信息采集与处理领域经常要解决的问题，应用广泛。

在信息采集系统中，采用无线方式进行信息的传输，可避免布线的麻烦，有效扩展控制距离和范围。

课题综合温度采集技术、ARM技术与无线数据传输技术，构建一套无线温度监控系统，可应于各种需要对温度进行采集与监控的场合。

论文主要完成现场控制单元的设计与开发。

现场控制单元通过数字型温度传感器DS18B20完成温度信息的获取，以ARM处理器LPC2103作为控制芯片，以无线通信方式进行监控信息的传输。

论文首先介绍了现场控制单元的设计方案，然后以ARM处理器LPC2103、无线收发模块F05P/J04P、ADS1.2开发环境为基础完成了现场控制单元的软硬件设计。

所设计的现场控制单元以EASYARM2103开发板为基础进行了测试，运行正常，功能符合设计要求。

关键词：

温度采集；DS18B20；ARM；ADS1.2；F05P/J04P；LPC2103；

TheFieldControlUnitDesignofWirelessTemperatureMonitoringSystem

Abstract

Theacquisitionandprocessoftemperatureinformationisacommonproblemintheinformationacquisitionfieldandhaswideapplication.Intheinformationacquisitionsystem,transmittingthedatawirelesslycanaviodthewiringproblemsandexpandingthecontroldistance.

Thispaperconstructsasetofwirelesstemperaturemonitoringsystem,whichistheapplicationofthetemperatureacquisitiontechnologyandthewirelesstransmissiontechnologyandcanbeusedinthefieldswherethetemperatureneedtobeacquiredandcontrolled.Thepapermainlyaccomplishsthedesignanddevelopmentofthefieldcontrolunit.Thetemperatureinformationisconvertedintovariationofthethermistance’sresistancevalue.SitecontrolunitwithdigitaltemperaturesensorthetemperatureinformationtocompletetheacquisitionDS18B20.TheARMprocessorLPC2103isusedasthecontrolchipandtransmitstheinformationbywirelessmodule.Thepaperintroducesthedesignproposalofthefieldcontrolunitatfirst,thendesignsthetemperatureformulabasedonSteinhart-hartequation,atlastimplementsthesoftwareandhardwareofthefieldcontrolunitusingtheARMprocessorLPC2103,Wirelessdatatransceiver,F05P/J04Pmodule,Crossworksdevelopmentenvironment.ThefieldcontrolunitistestedbasedonEasyARM2103developmentboardandworkswell,satisfingthedesignrequirement.

[Keywods]:

TemperatureAcquisition，DS18B20；ARM；ADS1.2；F05P/J04P；LPC2103；

略语表

1、SMS,ShortMessageService,短消息服务

2、GPRS,GeneralPacketRadioService,通用无线分组业务

3、GSM,GlobalSystemforMobileCommunication,全球移动通信系统

4、NTC,NegativeTemperatureCoefficient,负温度系数

5、PTC,PositiveTemperatureCoefficient,正温度系数

6、EDA,ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化

7、UART,UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发

8、GPIO,GeneralPortOfInputandOutput,通用输入\输出端口

9、RISC,ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机

10、JTAG,JointTestActionGroup，联合测试行动组

11、TCK,Testclock，测试时钟

12、TMS,TestModeSelect测试模式选择

13、TDI,TestDataInput，测试数据输入

14、TDO,TestDataOutput，测试数据输出

绪论

前言

温度监控在工农业生产、科学研究和日常生活中的应用越来越广泛，随着无线通信技术及控制技术的发展，无线温度采集与控制系统得到了广泛应用。

本课题的名称是“基于ARM的无线温度监控系统—现场控制单元”，针对这一背景而提出。

主要任务是基于温度传感器件、ARM处理器、C语言及无线收发模块、面向对象编程技术完成一套无线温度监控系统的设计。

通过自定义通信协议，该网络系统可实现多节点无线控制和通信，而且能通过异步串口与计算机通信。

该系统由多个现场控制单元和一个中心控制单元组成，可完成多个节点的温度监控，监控信息的传输采用无线方式进行。

本课题主要完成系统中现场控制单元的软硬件设计。

本设计将综合利用ARM处理器2103、无线收发模块、C语言、ARM处理器及软件开发环境ADS1.2完成无线温度监控系统中现场控制单元的所有软硬件设计。

课题研究的意义

利用无线控制网络完成信息的采集与控制、设备的监控与操作是目前构建控制系统比较流行的一种方式。

在监控系统中，采用无线的方式进行监控信息的传输从而构成无线监控系统可避免传统监控系统需要布线的麻烦，并且可以有效扩展监控的距离和范围，同时具有系统配置灵活、扩充方便的特点。

目前，无线监控系统在自动控制领域得到了广泛应用。

无线控制网络相对有线控制网络有着无可比拟的优势，具体体现在监控方式更灵活、系统施工和维护造价相对低廉、可保存的数据量更大、数据保存方式更多、数据应用形式更广、系统集成度更高。

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中有举足轻重的作用。

对温度信息的采集与控制是信息采集与控制领域经常要解决的问题，温度测控在各个领域的应用也越来越广泛，大到炼铁厂，孵化厂，锅炉厂，小到生活中的热水器，电冰箱等等，都需要进行温度的采集与控制。

本课题即是温度监控系统与无线控制技术的结合，所设计的温度监控系统可应于各种需要对温度信息进行采集与监控的场合。

因此，对课题进行研究并加以设计实现就具有比较重要的实际意义。

相关技术现状

在工业领域，温度、压力、流量是最常见的三大被监测的物理参数，其中最广泛的还是温度量的测量，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，温度监控系统如今已广泛应用于人类生产、生活的各个领域。

而利用无线控制网络完成信息的采集与控制、设备的监控与操作也是目前构建控制系统比较流行的一种方式。

无线温度监控系统是将温度监控系统与无线控制技术结合，实现对多个监控点温度信息的采集和控制。

随着网络技术的发展和市场需求的变化，随着这种技术的日益完善，无线温度监控技术的应用前景也会更加广阔。

在本课题的研究及设计过程中综合运用了温度检测技术、无线通信技术和ARM技术。

现对课题实现的相关技术现状做简要的介绍

温度传感与检测技术

在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要的地位，温度传感器的应用也极为广泛。

温度的测量呈现了由点到线、由线到面温度分布的测量技术；由表面到内部、深部的温度测量技术；从有线到无线的温度测量技术。

目前，对于中低温的温度传感器，正向着单片集成化、智能化、网络化、和单片系统化方向发展。

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

传统的分立式温度传感器（含敏感元件），模拟集成温度传感器/控制器，智能温度传感器（数字温度传感器）。

目前，国内外在温度监控系统中常用的温度传感与检测方式主要有热电偶、热敏电阻、数字测温芯片等[2]。

（1）热电偶优点是：

易使用、投资成本低、它们覆盖非常宽的温度范围，从200℃到2000℃。

坚固耐用；缺点是：

低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。

（2）热敏电阻优点是：

易于连接、快响应、低成本、高灵敏度、高输出幅度、尺寸小；缺点是：

窄温度范围、非线性、固有的自身发热、需要外部电流源。

（3）RTD精度极高且具有中等线性度。

它们特别稳定，并有许多种配置。

但它们的最高工作温度只能达到400℃左右。

它们也有很大的TC，且价格昂贵（是热电偶的4～10倍），并且需要一个外部参考源。

（4）数字式温度传感器优点是：

高精度、极高线性、低成本、高输出幅度、易于系统集成、小尺寸、高分辨率。

ARM技术

ARM即AdvancedRISCMachines的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字[1]。

1985年4月，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。

20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。

1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited（后来简称为ARMLimited，ARM公司）。

20世纪90年代，ARM32位嵌入式RISC（ReducedlnstructionSetComputer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。

目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。

目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。

到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：

（1）工业控制领域：

作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。

（2）无线通讯领域：

目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

（3）网络应用：

随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。

此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。

（4）消费类电子产品：

ARM技术在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

（5）成像和安全产品：

现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。

手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。

　除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。

EDA技术

电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation，EDA）技术是在电子计算机辅助设计技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动化设计。

EDA技术是现代信息技术飞速发展的关键性技术之一，在经济建设、科技工程进步以及国防现代化建设中起着根本性的推动作用。

EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。

目前，国内常用的EDA软件主要有Multisim、PSPICE、ORCAD、Protel等。

（1）MultisimMultisim软件是由EDA工具软件EWB（Electronicsworkbench）发展而来的,是EWB的升级版本。

Multisim提供了一个非常大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL/Verilog设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD综合、RF设计能力和后处理功能，还可以进行从原理图到PCB布线工具包（如：

ElectronicsWorbench的Ultiboard）的无缝隙数据传输，界面直观，操作方便。

（2）PSPICEPSPICE是（popularsimulationprogramwithintergratecircuitemphasis）侧重于集成电路的通用模拟程序的简称.它是美国加州大学伯克利分校于1972年开发的电路仿真程序,1984年1月由美国Microsim公司首次推出。

它是由Spice发展而来的面向PC机的通用电路模拟分析软件。

功能强大，包括电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。

它在众多的计算机辅助设计工具软件中，以精度高、受到用户的欢迎。

（3）ORCADORCAD是由ORCAD公司于20世纪80年代末推出的EDA软件。

目前OrCAD功能包括：

供设计输入的OrcadCaptureR，供类比与混合讯号模拟用的PSpiceRA/DBasics，供电路板设计的OrcadLayoutR以及供高密度电路板自动绕线的SPECCTRAR4U，而新加入的SPECCTRA，用以支援设计日益复杂的各种高速、高密度印刷电路板设计。

SPECCTRA提供设计师一种以形状为基础的，功能强大的绕线器，可在减少使用者介入情况下完成各种复杂设计。

（4）ProtelProtel是PROTEL公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。

它较早在国内使用，普及率最高，有些高校的电路专业还专门开设Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它。

早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。

但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。

在这些EDA软件中，Protel软件功能强大、界面友好、使用方便，得到了广泛的应用。

无线通信技术

构建无线控制系统的关键是要解决监控信息的无线传输。

目前，在国内外，应用于无线监控系统的无线通信技术主要有：

基于无线收发模块的方式、基于无线数传模块的方式、基于SMS的方式以及基于GPRS网络的方式等。

基于模块化芯片的无线通信，是指利用现有的高度发达的集成电路芯片生产技术，将无线通信技术的实现傻瓜化，使用者只需要完成芯片外围电路的设计，即可完成无线通信。

SMS（ShortMessagingService）是最早的短消息业务，也是现在普及率最高的一种短消息业务。

目前，这种短消息的长度被限定在140字节之内，这些字节可以是文本的。

SMS以简单方便的使用功能受到大众的欢迎，却始终是属于第一代的无线数据服务，在内容和应用方面存在技术标准的限制。

GPRS（GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务）是通用分组无线业务的简称，它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。

GPRS是一种以GSM（GlobalSystemforMobileCommunication,全球移动通信系统）为基础的数据传输技术，可说是GSM的延续。

GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。

GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易，对于网络资源的利用率相对远远高于GSM。

数传电台（dataradio）是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。

数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数传电台和DSP、软件无线电，可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。

目前使用的数传电台，主要有模拟电台加MODEM、数字电台、网络图像电台等。

数传电台一般提供透明RS232接口，传输速率达19.2Kbps，收发转换时间小于10ms，具有场强、温度、电压等指示，误码统计、状态告警、网络管理等功能。

数传电台具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合。

在这些无线通信方式中，基于无线收发模块的方式和基于无线数传模块的方式一般通信范围有限（几十米到几公里），但价格便宜，无运行成本，适合于小范围内的无线监控系统。

基于SMS的方式以及基于GPRS网络的方式通信范围不受限制，只要有网络覆盖即可，但价格高，运行需向网络运营商缴纳使用费，多用于远距离大范围的无线监控系统。

1.4课题的主要研究内容

本设计将综合利用ARM处理器LPC2103、无线收发模块F05P/J04P、面向过程编程工具C语言、ARM处理器软件开发环境Crossworks及串口通信控件MSComm，并基于EaryARM2103开发板作为调试环境完成无线温度监控系统中现场控制单元的所有软硬件设计，包括现场控制单元的采集电路、ARM处理电路、无线收发电路的硬件电路设计，以及测温子程序、控制主程序和串口通信程序的软件设计。

具体的设计内容包括以下几个方面：

（1）明确系统功能，完成系统功能模块划分；

（2）在系统需求及设计技术指标的要求下，对整个系统的实现提出具体的设计方案；

（3）在方案设计的基础上，结合技术指标及实现的难易程度，确定测温系统的实现方案及所用的各种软硬件环境，包括器件的选型；

（4）完成现场控制单元的硬件原理设计及PCB设计；

（5）基于Matlab仿真工具完成测温相关公式的设计；

（6）基于Crossworks开发环境完成上位机控制程序设计，包括测温功能的实现和数据发送功能的实现；

（7）基于ADS1.2开发环境，利用C语言完成现场控制单元程序设计；

（8）基于EASYARM2103开发板完成现场控制单元的硬件调试；

（9）完成现场控制单元软硬件之间的联调。

1.5课题研究的主要内容及重难点

1.5.1课题研究的重点

本课题的研究将综合利用温度检测技术、ARM处理器技术、无线通信技术及Crossworks开发环境进行，工作重点主要有两个方面：

（1）现场控制单元的硬件电路原理设计，这是整个课题实现的硬件基础，包括测温电路设计、ARM处理器电路设计、无线收发电路设计等设计工作。

（2）现场控制单元控制程序的编写，这是整个课题实现的软件基础，将基于Crossworks开发环境，利用C语言进行。

1.5.2课题研究的难点

在整个设计工作中，如何采用DS18B20完成温度值则是工作的难点所在。

同时，在系统设计，如何将各种技术融合在一起完成整个系统的功能也是要进行深入研究的内容。

论文的结构安排

论文共由7个章节组成，主要内容及结构安排如下：

第1章，绪论，介绍课题的背景来源、研究意义和主要研究内容，并对相关技术现状做简要分析；

第2章，系统方案设计，对整个系统的设计方案做总体的介绍以及现场控制单元方案的设计及选择。

第3章，相关技术介绍，介绍了设计中所使用的相关技术，包括CrossWorks、ARM技术、无线通信技术、NTC热敏电阻测温原理技术等。

第4章,系统硬件原理设计，采用EDA技术对系统原理图进行设计,包括整体原理图的设计和各个部分的设计及PCB的设计开发与布线。

第5章,系统软件程序设计，在CrossWorks开发环境中利用C语言对系统编程实现各个功能,包括测温子程序,控制主程序及串口发送程序的流程图,程序功能描述以及源程序的编写。

第6章,系统的调试,在CrossWorks开发环境中对系统进行功能调试,包括系统硬件调试和系统软件调试以及软硬件之间的联调,及在调试中遇到的问题及解决方案。

第7章,总结,总结设计，得出结论，总结设计收获和体会，同时指出整个设计工作的不足之处和需要改进的地方。

系统设计方案

系统功能概述

本设计将综合利用ARM处理器2103、无线收发模块、面向过程编程工具C语言、ARM处理器软件开发环境Crossworks及串口通信控件MSComm，并基于EaryARM2103开发板作为调试环境完成无线温度监控系统中现场控制单元的所有软硬件设计，包括现场控制单元的采集电路、ARM处理电路、无线收发电路的硬件电路设计，以及测温子程序、控制主程序和串口通信程序的软件设计。

具体的设计内容包括以下几个方面：

（1）明确系统功能，完成系统功能模块划分；

（2）在系统需求及设计技术指标的要求下，对整个系统的实现提出设计方案；