基于嵌入式技术烟气检测监控系统的设计(陈鹏20140606)

课程设计报告课程名称：嵌入式系统课程设计专业班级：自动化1101（X）学生姓名：XXXX指导教师：XXXXXX完成时间：2014年6月6日报告成绩：湖南文理学院制评阅意见：评阅教师日期目录1.引言···················································································12.课程设计目的·········································································23.课程设计题目描述和要求·························································24.课程设计报告内容···································································24.1实验原理········································································24.2S3c2410的介绍·································································44.3硬件系统的总体设计方案····················································54.4核心板设计······································································64.5电源管理模块···································································94.6扩展板的设计·································································104.7数据采集模块的设计方案··················································125.外围硬件电路········································································145.1电源电路·····································································145.2复位电路····································································145.3系统时钟电路······························································145.4串口电路····································································156.嵌入式linux操作系统的移植··················································167.驱动程序及应用程序的设计·····················································197.1LED显示器驱动程序设计················································208.调试过程及总结·····································································219.参考文献··············································································21附录一··················································································22附录二··················································································231基于嵌入式技术烟气检测监控系统的设计1.引言目前，工业现代化飞速发展，同时也给人类健康、生态环境带来了重大威胁，煤矿、电站、水泥厂等，每天都排放大量烟气。现在首要解决的问题就是分析烟气的危害程度和对不同烟气采取不同的处理手段。传统单片机总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。而ARM微处理器不但价格便宜而且性能和集成度较传统的单片机高得多，为单芯片解决方案提供了非常方便的平台，在很多场合用一个芯片就包容了你所需要的全部资源，这些优势都是本次研发选择的理由所在。该烟气检测监控系统主要用到两款SUMSANG嵌入式芯片，一款是基于ARM7系列的S3C44B0x处理器，主要任务是数据采集;另一款选用的是基于ARM9系列的S3C2410处理器，用于检测、监控烟气的采样，并对采集到的数据进行分析。系统利用了当今高速发展的嵌入式技术，移植了广泛使用的嵌入式Linux操作系统，来解决目前大家广泛关注的烟气污染问题。2.课程设计目的熟悉S3C2410为硬件核心，嵌入式Linux作为操作系统的控制转换系统。掌握EEPROM器件的读/写方法。掌握数据采集模块的使用方法。熟悉远程服务器对传输数据的分析方法。23.课程设计题目描述和要求本次开发的基于SUMSANG2410的烟气监控系统正是应实际工程需要，用于监测、控制水泥厂烟气采样器，并对采集到的数据进行分析。通过详细的调研工作，分析了当前烟气监测系统的利弊，利用发展快速的32位微处理器以及嵌入式Linux操作系统，结合气体霜冻除水方法，自主开发设计性能较高、适用范围较广的烟气监控系统。利用当今发展快速的嵌入式技术，移植广泛使用的嵌入式Linux操作系统。设计的要求如下:以嵌入式技术为核心的烟气监测监控系统；完成系统的硬件组成设计，监测监控烟气排放是否符合烟气污染排放标准，实现在工业级以太网中的互联。实现系统软件的总体功能和功能划分设计总体方案。4.课程设计报告内容4.1实验原理ARM处理器ARM(AdvancedRISCMachines)作为一家芯片设计公司，是近年来在嵌入式系统中非常有影响的微处理器设计商，它主要是将芯片设计技术的授权出售给世界上众多著名的半导体、软件和OEM厂商，并且为他们提供ARM相关技术及服务。ARMCPU是RISC架构的CPU，其设计主要适合于要求体积小、功耗低和功能较强的处理能力等要求的嵌入式系统。它的主要特点有：采用固定长的指令格式;使用单周期指令，便于流水线操作执行大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率;所有的指令都可以跟前面的执行效果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率;3可用加甸存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率;可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理;在循环处理中使用地址的增减来提高运行效率。ARM内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同的用户的不同要求来配置生产。这四个模块分别用T.D.M和I来表示。T:表示Thumb，该内核可从16位指令集扩充到32位ARM指令集:D:表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，可以使CPU进入调试模式，从而可方便地通过JTAG进行断点设置、单步调试;M:表示Multiplier，该内核内部带有8位乘法器;I:表示EmbeddedICELogic，该内核可用于实现断点观测及变量观测。ARM920T支持7种操作模式，可以由软件配置，分别如下:Usermode(usr):7E常程序执行模式;FIQmode(fiq):支持快速数据传送和通道处理;IRQmode(irq):用于通用中断处理;Supervisormode(svc):操作系统保护模式。Systemmode(sys):运行特权模式操作系统任务;Abortmode(abt)数据或指令预取失效后进入的状态;Undefinedmode(und):执行未定义的指令时进入的模式。对这些操作模式的支持，使得ARM可以支持虚拟存储器机制，支持多种特权模式，从而可以运行多种主流的嵌入式操作系统。A所示。ARM微处理器中共定义了37个编程可见寄存器，每个寄存器的长度均为32位。根据不同的用途，可将其划分为以下几类:30个通用寄存器：在任意一种处理器模式下，只有15个通用寄存器可以使用，编号分别为r0,...,r14.其中，r13一般作为堆栈指针寄存器(SP:StackPointer)。该寄存器由ARM编译器自动使用。r14一般作为链接寄4存器(LR:LinkRegister)。当系统中发生子程序调用时，用r14来记录返回地址。如果返回地址己经保存在堆栈中，则该寄存器也可以用于其它用途。程序指针(PC:ProgramCounter)：PC即为r15，用于记录程序当前的运行地址。ARM处理器每执行一条指令，都会把PC增加4字节(饰umb模式为两个字节)。此外，相应的分支指令(如BL等)也会改变PC的值。当前处理器状态寄存器(CPSR:CurentProgramStatusResister)各种模式公用该寄存器。状态备份寄存器(SPSR:SavedProgramStatusResister)SPSR寄存器主要是在处理器异常发生时，用来保存CPSR(CurentProgramStatusResister)。4.2S3C2410的介绍本系统开发前进行了大量的调研工作，基于芯片的性能、功耗、专业水平等多方面因素，最终选择了以ARM920T为核心的SAMSUNGS3C2410，作为整个控制系统的硬件核心部分。S3C2410是SAMSUNG公司针对工业级和民用级等多种应用场合设计的一款性价比较高的16/32位RISC嵌入式微处理器，其内部除了包含ARM公司设计的16/32位ARM920TRISC处理内核外，S3C2410还包括以下比较重要的功能模块isi内带有MMU(MemoryManageUnit)内存管理单元，故S3C2410支持WindowsCE、嵌入式Linux和EPOC32等多种嵌入式操作系统;16KB的指令Cache和16KB的数据Cache;完全可编程控制的外部总线接口(ExternalBusInterface)，其存储空间可分为8个128MBank，每个存储区都支持8/16/32字宽进行读写操作，最大地址访问空间可达1G;55个中win;53个异步串行口，其中一个可设置成红外口;SPI串行口;可编程看门狗定时器;LCD控制器，支持STN和TFr两种LCD显示器;5个16位定时I计算器;8路10位的ADC，支持触摸屏;2个USB主设备口，1个USB从设备;(12)117位通用I/O口，24个外部中断源。同时S3C2410也提供了较好的电气特性，其主要指标如下:工业级体系列正常工作温度范围):-400C-700C，民用级(X系列)正常工作温度范围:O-700℃;内核供电电压1.8V,I/O:3.3V;正常情况下，最高工作频率可达203MHz;四种工作模式:正常模式、低能模式、休眠模式和停止模式。4.3硬件系统的总体设计方案转换系统是整个烟气监控系统的核心部分，主要功能:一是控制去除烟气中的水气，二是通过串口与数据采集仪进行通讯，三是通过网络将通过串口得到的数据发送给远程服务器。硬件系统框图如图1所示。硬件平台的主要配置如下:CPU:SAMSUNGS3C2410(ARM920T内核);Flas