基于ARM的綜合測(cè)試儀設(shè)計(jì)
發(fā)布日期：2018年7月19日 瀏覽次數(shù)：
在野外工作，要求將多種測(cè)量功能集成于一體，以方便完成野外對(duì)多種物理氣候的測(cè)量。在本文中，介紹了一種以ARM控制芯片為核心，可測(cè)量多種氣候參
數(shù)的綜合測(cè)量儀器，其中包括濕度，海拔，溫度，并對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)也做了較詳細(xì)的介紹。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性，工作穩(wěn)定。
1、引言
我國(guó)的疆域廣闊，時(shí)區(qū)分布不同，海拔以及溫度，濕度等氣候差異都很大，實(shí)時(shí)的了解我們所處位置的氣候情況對(duì)工作和生活是很重要的。尤其對(duì)一些野外工作的科研人員來(lái)說(shuō)，需要測(cè)試海拔，溫度，濕度等物理量作為參考因素。
為了測(cè)量這些物理量需要我們攜帶多種測(cè)試設(shè)備，這對(duì)野外工作很不方便。為了實(shí)時(shí)方便的了解我們所處的海拔高度和天氣情況，我們需要有更便捷，功能更齊全的綜合測(cè)量?jī)x器。同時(shí)可以將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)送到PC，以方便今后的進(jìn)一步分析和處理。
整個(gè)綜合測(cè)試儀主要由五個(gè)部分組成。分別是核心控制單元，濕度測(cè)量，海拔高度測(cè)量，溫度測(cè)量，以及測(cè)量數(shù)據(jù)顯示部分。
濕度測(cè)量是通過(guò)濕度傳感器將環(huán)境濕度物理量變換為電信號(hào)，最終將處理后的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D后送到CPU。
海拔測(cè)量主要是通過(guò)間接測(cè)量大氣壓強(qiáng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算來(lái)得出當(dāng)?shù)氐暮０胃叨�，其中也考慮到其他因素的影響而采取了軟件修正的方法。
溫度測(cè)量采用數(shù)字溫度測(cè)量芯片DS1820來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)應(yīng)用的比較廣泛，也是得到了實(shí)踐驗(yàn)證，確切可行的一種測(cè)量方法。
所有采集的物理量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，在CPU中經(jīng)過(guò)處理，反映出各自代表的物理量后，送到顯示電路，以提供使用者信息，也可送到PC，讓PC機(jī)上的數(shù)據(jù)分析軟件做進(jìn)一步的處理和存儲(chǔ)。
本設(shè)計(jì)采用LPC2104作為控制器的控制芯片[1][3]。LPC2104 是PHILIPS公司專為嵌入式應(yīng)用提供的高性價(jià)比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是ARM7TDMI- S，CPU操作頻率可達(dá)60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲(chǔ)器、16KB靜態(tài)RAM、2個(gè)UART、1個(gè)I2C串行接口、1個(gè)SPI串行接口，多達(dá)6路輸出的PWM、2個(gè)定時(shí)器，分別具有4路捕 獲/比較通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門狗定時(shí)器等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，本系統(tǒng)以LPC2104為核心控制電路，對(duì)外圍的各種前端測(cè)量電路，包括濕 度測(cè)量，溫度測(cè)量，海拔測(cè)量，以及數(shù)據(jù)顯示電路進(jìn)行無(wú)逢整合。其中系統(tǒng)整體框圖如圖1。
濕敏測(cè)量在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是隨著科學(xué)技發(fā)展，對(duì)于濕度的檢測(cè)和控制越來(lái)越受到人們的重視并進(jìn)行了大量的研制工作。
在本測(cè)量?jī)x中濕度測(cè)量電路是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)調(diào)理電路，以及A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，它將環(huán)境濕度變換為電信號(hào)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要同時(shí)考慮對(duì)濕度傳感器進(jìn)行線性處理和溫度補(bǔ)償，常常采用運(yùn)算放大器構(gòu)成濕度測(cè)量電路，在圖2中Rt是熱敏電阻器(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運(yùn)算放大器型號(hào)為OP07。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范圍內(nèi)，輸出電壓表示的濕度誤差不超過(guò)3％RH。下式是濕度測(cè)量的原理表達(dá)式：
其中H為相對(duì)濕度；T為絕對(duì)溫度；R0為在T=0℃ ，相對(duì)濕度H=0時(shí)RH的阻值；A為濕度常數(shù)；B為溫度常數(shù)。
海拔測(cè)量的方法主要有兩種：
一種是GPS，一種是氣壓檢測(cè)法。GPS測(cè)量是一個(gè)比較好的，也比較先進(jìn)的測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)果也非常精確。但是存在著成本較高這個(gè)缺點(diǎn)，所以在本系統(tǒng)中采 用氣壓檢測(cè)的方法。氣壓測(cè)量的原理是依據(jù)海拔高度增加氣壓隨之減小的原理，但是這個(gè)變化不是線性，而是一個(gè)函數(shù)，函數(shù)關(guān)系大致如下：
P=760(e^-(a/7924))
P:氣壓，毫米汞柱a:海拔, 千米。當(dāng)然，氣壓還跟季節(jié)，空氣濕度，氣流有關(guān)系，要把這些數(shù)據(jù)也參入計(jì)算是很復(fù)雜的事。所以在設(shè)計(jì)中通過(guò)采樣多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中考慮進(jìn)行軟件的修正。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，氣壓測(cè)量傳感器采用TP051P測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)氣壓值，而后通過(guò)AD620進(jìn)行前端放大，放大以后的數(shù)據(jù)送到icL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以串行的方式送到CPU進(jìn)行處理。圖3是海拔測(cè)量的前端采樣以及調(diào)理電路。
圖3 海拔測(cè)量前端電路
DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且 可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式�？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總 線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、 傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。如圖4是DS1820與微處理器LPC2104的典 型連接電路[5][6]：
圖 4 溫度測(cè)量電路
作為測(cè)量結(jié)果的最終顯示，在本地系統(tǒng)中采用了LCD作為本地顯示界面[2]，在界面主要包括
（1）系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)顯示。包括當(dāng)前工作模式，測(cè)量的具體物理量。
（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輪循顯示，更據(jù)設(shè)定連續(xù)測(cè)量確定的物理量。其中LCD采用了大連東顯公司的1602模塊，可以較好的完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，LCD通過(guò)5V電 源供電，LCD模塊自帶負(fù)壓輸出，對(duì)比度可調(diào)節(jié)。最終還可以通過(guò)串口將測(cè)量數(shù)據(jù)送到PC機(jī)上進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步顯示和分析。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)儀器的核心。
綜測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)：本地CPU LPC2104固件程序設(shè)計(jì)，PC機(jī)程序設(shè)計(jì)。其中本地CPU固件程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：整個(gè)綜測(cè)儀的系統(tǒng)初始化，對(duì)對(duì)前端部分的控制，和PC機(jī)進(jìn)行通 訊。整個(gè)本地部分的程序設(shè)計(jì)采用事件驅(qū)動(dòng)中斷，和模塊化設(shè)計(jì)的思想。開發(fā)環(huán)境采用ARM公司提供的ADS開發(fā)環(huán)境。
本地CPU和PC機(jī)之間的通訊方式采用固定長(zhǎng)度的消息來(lái)進(jìn)行，其中消息的格式表1：
一個(gè)好的上位機(jī)軟件能夠提供記錄儀最廣泛的支持，通過(guò)上位機(jī)的支持，鍵盤等不必要的零件解放了，同時(shí)提供出更多的資源以利用[4]。
在本綜合測(cè)量?jī)x系統(tǒng)中，PC機(jī)上程序設(shè)計(jì)主要包括軟件界面設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)圖形化處理，后期數(shù)據(jù)分析。
軟件支持是綜合儀不可或缺的一部分，其主要功能為：設(shè)定測(cè)量的物理量，設(shè)定測(cè)量間隔（2s～24h任意可調(diào)），設(shè)定停止方式，設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間，設(shè)定通訊格 式，讀取數(shù)據(jù)并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、歷史曲線等，并提供打印功能，把測(cè)量?jī)x對(duì)野外科研研究，農(nóng)業(yè)及氣象分析具有很突出的意義，也可以應(yīng)用到與氣候條件有關(guān)的各種 行業(yè)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的綜合測(cè)量?jī)x器能夠很好的應(yīng)用予各種科研，將各種功能集于一體，很好的滿足了野外工作的要求，經(jīng)過(guò)實(shí)踐 的檢驗(yàn)，表明本測(cè)量?jī)x具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。
參考資料：
[1]劉棟梁，便攜式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（2）：127-129。
[2]馬少華 曲向儒 嵌入式系統(tǒng)的LCD人機(jī)交互菜單設(shè)計(jì)[J]，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，12：69-70。
[3] 李振峰 李海峽等, 基于LPC2104的智能燈光控制器設(shè)計(jì)[EB/OL]。
[4] 張義青，李華貴 ，嵌入式時(shí)實(shí)程序設(shè)計(jì)中C/C++代碼的優(yōu)化。微計(jì)算機(jī)信息2003，19（1）
1、引言
我國(guó)的疆域廣闊，時(shí)區(qū)分布不同，海拔以及溫度，濕度等氣候差異都很大，實(shí)時(shí)的了解我們所處位置的氣候情況對(duì)工作和生活是很重要的。尤其對(duì)一些野外工作的科研人員來(lái)說(shuō)，需要測(cè)試海拔，溫度，濕度等物理量作為參考因素。
為了測(cè)量這些物理量需要我們攜帶多種測(cè)試設(shè)備，這對(duì)野外工作很不方便。為了實(shí)時(shí)方便的了解我們所處的海拔高度和天氣情況，我們需要有更便捷，功能更齊全的綜合測(cè)量?jī)x器。同時(shí)可以將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)送到PC，以方便今后的進(jìn)一步分析和處理。
整個(gè)綜合測(cè)試儀主要由五個(gè)部分組成。分別是核心控制單元，濕度測(cè)量，海拔高度測(cè)量，溫度測(cè)量，以及測(cè)量數(shù)據(jù)顯示部分。
濕度測(cè)量是通過(guò)濕度傳感器將環(huán)境濕度物理量變換為電信號(hào)，最終將處理后的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D后送到CPU。
海拔測(cè)量主要是通過(guò)間接測(cè)量大氣壓強(qiáng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算來(lái)得出當(dāng)?shù)氐暮０胃叨�，其中也考慮到其他因素的影響而采取了軟件修正的方法。
溫度測(cè)量采用數(shù)字溫度測(cè)量芯片DS1820來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)應(yīng)用的比較廣泛，也是得到了實(shí)踐驗(yàn)證，確切可行的一種測(cè)量方法。
所有采集的物理量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，在CPU中經(jīng)過(guò)處理，反映出各自代表的物理量后，送到顯示電路，以提供使用者信息，也可送到PC，讓PC機(jī)上的數(shù)據(jù)分析軟件做進(jìn)一步的處理和存儲(chǔ)。
本設(shè)計(jì)采用LPC2104作為控制器的控制芯片[1][3]。LPC2104 是PHILIPS公司專為嵌入式應(yīng)用提供的高性價(jià)比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是ARM7TDMI- S，CPU操作頻率可達(dá)60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲(chǔ)器、16KB靜態(tài)RAM、2個(gè)UART、1個(gè)I2C串行接口、1個(gè)SPI串行接口，多達(dá)6路輸出的PWM、2個(gè)定時(shí)器，分別具有4路捕 獲/比較通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門狗定時(shí)器等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，本系統(tǒng)以LPC2104為核心控制電路，對(duì)外圍的各種前端測(cè)量電路，包括濕 度測(cè)量，溫度測(cè)量，海拔測(cè)量，以及數(shù)據(jù)顯示電路進(jìn)行無(wú)逢整合。其中系統(tǒng)整體框圖如圖1。
濕敏測(cè)量在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是隨著科學(xué)技發(fā)展，對(duì)于濕度的檢測(cè)和控制越來(lái)越受到人們的重視并進(jìn)行了大量的研制工作。
在本測(cè)量?jī)x中濕度測(cè)量電路是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)調(diào)理電路，以及A/D轉(zhuǎn)換電路等組成，它將環(huán)境濕度變換為電信號(hào)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要同時(shí)考慮對(duì)濕度傳感器進(jìn)行線性處理和溫度補(bǔ)償，常常采用運(yùn)算放大器構(gòu)成濕度測(cè)量電路，在圖2中Rt是熱敏電阻器(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運(yùn)算放大器型號(hào)為OP07。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范圍內(nèi)，輸出電壓表示的濕度誤差不超過(guò)3％RH。下式是濕度測(cè)量的原理表達(dá)式：
其中H為相對(duì)濕度；T為絕對(duì)溫度；R0為在T=0℃ ，相對(duì)濕度H=0時(shí)RH的阻值；A為濕度常數(shù)；B為溫度常數(shù)。
海拔測(cè)量的方法主要有兩種：
一種是GPS，一種是氣壓檢測(cè)法。GPS測(cè)量是一個(gè)比較好的，也比較先進(jìn)的測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)果也非常精確。但是存在著成本較高這個(gè)缺點(diǎn)，所以在本系統(tǒng)中采 用氣壓檢測(cè)的方法。氣壓測(cè)量的原理是依據(jù)海拔高度增加氣壓隨之減小的原理，但是這個(gè)變化不是線性，而是一個(gè)函數(shù)，函數(shù)關(guān)系大致如下：
P=760(e^-(a/7924))
P:氣壓，毫米汞柱a:海拔, 千米。當(dāng)然，氣壓還跟季節(jié)，空氣濕度，氣流有關(guān)系，要把這些數(shù)據(jù)也參入計(jì)算是很復(fù)雜的事。所以在設(shè)計(jì)中通過(guò)采樣多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中考慮進(jìn)行軟件的修正。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，氣壓測(cè)量傳感器采用TP051P測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)氣壓值，而后通過(guò)AD620進(jìn)行前端放大，放大以后的數(shù)據(jù)送到icL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以串行的方式送到CPU進(jìn)行處理。圖3是海拔測(cè)量的前端采樣以及調(diào)理電路。
圖3 海拔測(cè)量前端電路
DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且 可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式�？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總 線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、 傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。如圖4是DS1820與微處理器LPC2104的典 型連接電路[5][6]：
圖 4 溫度測(cè)量電路
作為測(cè)量結(jié)果的最終顯示，在本地系統(tǒng)中采用了LCD作為本地顯示界面[2]，在界面主要包括
（1）系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)顯示。包括當(dāng)前工作模式，測(cè)量的具體物理量。
（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輪循顯示，更據(jù)設(shè)定連續(xù)測(cè)量確定的物理量。其中LCD采用了大連東顯公司的1602模塊，可以較好的完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，LCD通過(guò)5V電 源供電，LCD模塊自帶負(fù)壓輸出，對(duì)比度可調(diào)節(jié)。最終還可以通過(guò)串口將測(cè)量數(shù)據(jù)送到PC機(jī)上進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步顯示和分析。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)儀器的核心。
綜測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)：本地CPU LPC2104固件程序設(shè)計(jì)，PC機(jī)程序設(shè)計(jì)。其中本地CPU固件程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：整個(gè)綜測(cè)儀的系統(tǒng)初始化，對(duì)對(duì)前端部分的控制，和PC機(jī)進(jìn)行通 訊。整個(gè)本地部分的程序設(shè)計(jì)采用事件驅(qū)動(dòng)中斷，和模塊化設(shè)計(jì)的思想。開發(fā)環(huán)境采用ARM公司提供的ADS開發(fā)環(huán)境。
本地CPU和PC機(jī)之間的通訊方式采用固定長(zhǎng)度的消息來(lái)進(jìn)行，其中消息的格式表1：
一個(gè)好的上位機(jī)軟件能夠提供記錄儀最廣泛的支持，通過(guò)上位機(jī)的支持，鍵盤等不必要的零件解放了，同時(shí)提供出更多的資源以利用[4]。
在本綜合測(cè)量?jī)x系統(tǒng)中，PC機(jī)上程序設(shè)計(jì)主要包括軟件界面設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)圖形化處理，后期數(shù)據(jù)分析。
軟件支持是綜合儀不可或缺的一部分，其主要功能為：設(shè)定測(cè)量的物理量，設(shè)定測(cè)量間隔（2s～24h任意可調(diào)），設(shè)定停止方式，設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間，設(shè)定通訊格 式，讀取數(shù)據(jù)并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、歷史曲線等，并提供打印功能，把測(cè)量?jī)x對(duì)野外科研研究，農(nóng)業(yè)及氣象分析具有很突出的意義，也可以應(yīng)用到與氣候條件有關(guān)的各種 行業(yè)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的綜合測(cè)量?jī)x器能夠很好的應(yīng)用予各種科研，將各種功能集于一體，很好的滿足了野外工作的要求，經(jīng)過(guò)實(shí)踐 的檢驗(yàn)，表明本測(cè)量?jī)x具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。
參考資料：
[1]劉棟梁，便攜式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（2）：127-129。
[2]馬少華 曲向儒 嵌入式系統(tǒng)的LCD人機(jī)交互菜單設(shè)計(jì)[J]，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，12：69-70。
[3] 李振峰 李海峽等, 基于LPC2104的智能燈光控制器設(shè)計(jì)[EB/OL]。
[4] 張義青，李華貴 ，嵌入式時(shí)實(shí)程序設(shè)計(jì)中C/C++代碼的優(yōu)化。微計(jì)算機(jī)信息2003，19（1）
