基于嵌入式技術的溫度測量系統設計

　1． 引言

　　嵌入式系統是能夠運行操作系統的軟、硬件綜合體，且多數系統的應用軟件和操作系統是緊密結合在一起的。選配好RTOS（Real-Time Operating System）開發平臺，就能合理的實現多任務調度，系統資源利用。

　　嵌入式系統較一般單片機系統而言，軟件資源利用率較高，開發周期短；系統精度較高；實時性也更好。特別適合于數據處理量較大，有聯網、通信等要求的場合。

　　為了利用嵌入式系統構造一個分布式多點溫度測控系統，本文做了一些前期的嘗試和開發工作。結合可編程單總線數字式溫度傳感器DS18B20，用嵌入式系統構造了一個具有溫度測量、相關數據處理以及與上位機通信等功能的現場溫度測量單元，上位機則主要完成系統監控和人機交互等功能。

　　2． 系統組成及工作原理

　　溫度測量系統總體結構如圖1所示。

　　圖1 系統總體結構圖

　　本文中，下位機由嵌入式系統組成。根據實際需要，其核心采用了低端的LPC2104芯片。它包含一個支持仿真的ARM7TDMI-S CPU，128K 字節FLASH存儲器和64K字節SRAM以及片內總線。數字式溫度傳感器DS18B20連到LPC2104的一個GPIO管腳P0.8上。LPC2104通過該管腳發送命令和接收溫度值，并對讀到的溫度值進行數字濾波、二—十進制轉換等數據處理，還設置了溫度超限報警等功能。下位機還可與上位機實時通信，一方面接受上位機的各種指令，另一方面，將測得的溫度值傳送到上位機。

　　上位機為PC機，通過串口與下位機相連。一方面將設定的指令以及人工干預信號發送給下位機，另一方面，對從下位機接收到的溫度數據進行適當的處理，并將其以曲線的形式顯示出來。

　　DS18B20直接將測得的溫度值轉換成數字量輸出，其有效引腳只有三個：DQ（數據）、VDD（電源）和GND（地）。DS18B20是通過帶5K上拉電阻的DQ線來讀取和發送信息的，它可以不外接電源，也可在VDD端外接一個3v～5.5v電源。DS18B20片內含有ROM和RAM，ROM中保存有一個獨立的序列號，因而可將多個DS18B20同時連在一條總線上工作。

　　對DS18B20的操作有：復位；對ROM的操作（若只用一個DS18B20，則可跳過ROM匹配）；對RAM的操作，即先發送溫度轉換命令（0x44），使DS18B20將采集到的模擬量數據轉換為數字量存到RAM中，再發送讀取存儲器命令（0xbe），使其將RAM中存儲的數據從DQ上按照一定的時序傳送出來。傳送時，先低位后高位，最后傳符號位。

　　通過對DS18B20進行時序分析知，復位脈信號應為一個持續480us以上的低電平信號；寫信號應滿足：先使DQ線降為低電平，若寫“1”，則在15us內置DQ為高電平，若寫“0”，則仍置DQ為低電平，在兩次獨立寫時序之間至少應保持1us的恢復時間；讀信號應滿足：先將DQ線從高電平拉到低電平，并使其至少保持1us，因DS18B20的輸出數據將在下降沿后15us有效，故在此之前，微機必須釋放DQ線，以便讀取數據。寫、讀時序均不得小于60us。根據以上分析，可編寫出相應的復位和讀、寫函數，調用這些函數便可實現對DS18B20的操作。溫度測量程序流程見圖2，相應的溫度測量函數為Measure_Temperature()。

　　圖2? 溫度測量程序流程圖

　　DS18B20的數據精度決定于它的配置（9，10，11或12位），其中12位是出廠設置。這相當于溫度精度為0.5°C, 0.25°C, 0.125°C, 或0.0625°C。

　　除了溫度測量之外，嵌入式系統的另一個重要任務就是實現與上位機的通信。為實現LPC2104與PC機RS-232-C標準接口的互連，采用了芯片MAX3232，它是為RS-232-C標準接口設計的一種電平轉換驅動器，使用單一的+5V電源，外接4個0.1uF的電容，就可將LPC2104的TTL電平信號轉換成RS-232-C標準電平信號，也可進行相反的電平轉換。兩者之間的連接如圖3所示。

　　圖3? LPC2104與上位機的連接

　　在嵌入式系統的通信程序中用到了中間件（middleware），它是基礎軟件的一大類，屬于可復用軟件的范疇。中間件處在操作系統、網絡和數據庫之上，應用軟件之下，是第三方程序。其作用是為應用軟件提供運行與開發的環境，幫助用戶靈活、高效地開發和集成復雜的應用軟件。基于中間件開發的應用程序可以方便的實現不同系統間的移植。

　　本系統用到了串口通信中間件和數據隊列中間件，即只需要將中間件程序添加到系統項目表中去，調用中間件的接口函數即可實現串口的通信，如：調用URAT0Init(9600)實現串口的初始化，其中，波特率可直接進行調整；調用URAT0Putch(temp4)實現將temp4中存儲的數據通過串口發送出去。當要將應用程序移植到其他系統上時，只要對這兩個函數及其他相關函數進行適當修改，而無需改變應用程序。

　　上位機的通信程序運用了MSComm 控件，它是Microsoft公司提供的，簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，該控件提供了兩種處理通信問題的方法，本系統采用了事件驅動法。當串口發生事件或錯誤時，MSComm控件會產生OnComm事件，用戶程序可以捕獲該事件進行相應處理。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數中加入相應的處理代碼。

　　利用MSComm控件實現計算機通信的關鍵是正確設置MSComm控件的屬性和方法。以下是用VB編寫的部分設置程序：

　　Private Sub Form_Load()

　　Me.Show

　　MSComm1.CommPort = 1??????????? //選擇串口com1

　　MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"???? //設置MSComm的連接屬性

　　MSComm1.RThreshold = 2?????????? //定義閥值為2

　　MSComm1.InBufferSize = 2

　　i = 0

　　Picture1.Visible = False

　　On Error Resume Next

　　End Sub

　　連接屬性"BBBB,P,D,S"中，BBBB 為波特率，P為奇偶校驗，D為數據位數，S為停止位數。閥值定為2，則在接收緩沖區中的字節數超過“2”時，就轉入OnComm（）事件處理程序執行。

　　3． 嵌入式系統軟件

　　采用了嵌入式操作系統uC/OS-II，它是專門為計算機的嵌入式應用而設計的。 uC/OS-II是基于優先級的占先式多任務實時內核。由于在多任務實時操作系統中，應用程序是以任務形式運行的，操作系統的一個重要的作用就是任務的調度，所以要在操作系統下實現應用程序的執行，就必須建立任務，在任務中實現測溫和串行通信等操作。建立任務如下：

　　#include "config.h"

　　#define? TASK_STK_SIZE?? 64??????????? //定義任務棧的大小為64字節

　　OS_STK? TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];?? //定義任務棧

　　void? TaskStart(void *data);??????????????? //聲明任務

　　int main (void)

　　{

　　OSInit();?????????????????????????????? //操作系統初始化

　　OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0); // 建任務

　　OSStart();???????????????????????????? //啟動操作系統

　　return 0;

　　}

　　在TaskStart任務循環開始前，先進行初始化工作，如調用中間件函數URAT0Init(9600)初始化串口、設置P0.8為GPIO等。然后，在任務循環中調用溫度測量函數Measure_Temperature()和串口發送函數URAT0Putch(uint16 data)，實現溫度的測量并將溫度值傳送到上位機。嵌入式系統程序總流程見圖4。

　　基于嵌入式操作系統的應用中，還有一項重要的工作就是操作系統的移植和裁剪。

　　所謂移植，就是使一個實時內核能在某個微處理器或微控制器上運行。 uC/OS-II的移植工作主要包括：OS_CPU.H 文件中與微處理器類型及相應硬件有關的常數定義、宏定義和類型定義；分別用匯編語言和C語言編寫相關函數，特別是OSTaskStkInit()，在任務創建初期，將由其初始化任務堆棧。

　　實時嵌入式操作系統的裁剪，就是只嵌入用戶程序需要的函數，這樣可以減少軟件所需的存儲器空間。由于uC/OS-II采用的是條件編譯。即當條件滿足時編譯相應的代碼，否則不編譯，故只要對編譯條件進行控制就可以控制編譯后文件的大小，從而實現對操作系統的裁剪。

　　4. 系統調試及結果

　　JTAG(Joint Test Action Group)是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試。目前，大多數比較復雜的器件都支持JTAG協議。作為ARM的典型調試手段，JTAG除了可以設置ARM的斷點以外，還可以對ARM的內核進行控制，從而實現對外圍設備的讀寫（比如：下載程序到RAM或者Flash空間）。

　　ADS是ARM公司為方便用戶在ARM芯片上進行應用開發而推出的一整套集成開發工具。

　　在保證電源電路、晶振電路和復位電路正常工作的前提下，可通過JTAG接口來調試以LPC2104為核心的目標板。在系統上電前，首先應檢測JTAG接口的TMS、TCK、TDI、TDO信號是否已與LPC2104的對應引腳相連。在保證LPC2104已正常工作的情況下，可用ADS通過JTAG接口對片內的部件進行訪問和控制。圖5為調試系統的硬件連接。

　　采用 ADS 下的工具集來進行系統調試：首先建立工程，即將用戶文件、操作系統文件、中間件以及目標板的啟動代碼依次加入到工程中；然后編譯程序和鏈接目標代碼；再下載并調試程序。

　　經調試，當用手握住DS18B20對其加溫時，由上位機顯示的溫度變化曲線如圖6所示。

　　5． 結語

　　本文構造了一個溫度測量系統。該系統用可編程數字式溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，以嵌入式芯片LPC2104為核心，除了實現溫度測量及相關的數據處理外，還能與上位機通信。實驗結果表明，測量精度和速度都符合要求。下一步的工作是，增加溫度控制功能并擴充測控點數，構造一個集中監控的分布式溫度測控系統。