基于嵌入式技术的烟气检测监控系统的设计

湖南文理学院芙蓉学院课程设计报告课程名称：嵌入式系统课程设计系部：电气与信息工程学院专业班级：学生姓名：指导教师：完成时间：报告成绩：评阅意见：评阅教师日期一、设计题目基于嵌入式技术的烟气检测监控系统的设计二、设计要求本次设计的基于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:1、以嵌入式技术为核心的烟气监测监控系统；2、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。3、实现系统软件的总体功能和功能划分设计总体方案。三、设计目的1、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。2、掌握EEPROM器件的读/写方法。3、掌握数据采集模块的使用方法。4、熟悉远程服务器对传输数据的分析方法。四、系统设计方案1、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：(1)采用固定长的指令格式;(2)使用单周期指令，便于流水线操作执行;(3)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;(5)可用加甸存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率;(6)可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理;(7)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:(1)Usermode(usr):7E常程序执行模式;(2）FIQmode(fiq):支持快速数据传送和通道处理;(3)IRQmode(irq):用于通用中断处理;(4)Supervisormode(svc):操作系统保护模式。(5)Systemmode(sys):运行特权模式操作系统任务;(6)Abortmode(abt)数据或指令预取失效后进入的状态;(7)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:(1)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。(2)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。(3)当前处理器状态寄存器(CPSR:CurentProgramStatusResister)各种模式公用该寄存器。(4)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)2、S3C2410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(1)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;(2)16KB的指令Cache和16KB的数据Cache;(3)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;(4)55个中断源;(5)3个异步串行口，其中一个可设置成红外口;(6)SPI串行口;(7)可编程看门狗定时器;(8)LCD控制器，支持STN和TFT两种LCD显示器;(9)5个16位定时/计算器;(10)8路10位的ADC，支持触摸屏;(11)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:(1)工业级体系列正常工作温度范围):-40℃-70℃，民用级(X系列)正常工作温度范围:O-70℃;(2)内核供电电压1.8V,I/O:3.3V;(3)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。五、系统硬件设计（一）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。硬件系统框图如图所示。硬件系统框图整个系统分为核心板和扩展板两部分。核心板集成了处理器和存储器以及电源模块等所必需的支持元件，组成一个最小的ARM硬件核心系统，采用了六层电路板设计方案。核心板可作为以后不同产品设计的基础。扩展板集成了所需要的大部分接口部件，如RJ-45网络接口，USB主/从设备接口，串口，CF卡接口，系统编程接口等接口。核心板和扩展板之间采用标准SIMM插槽连接，外设和扩展板之间采用相应的外设接口连接。（二）各单元电路设计1、核心板的设计核心板是整个系统的核心部分，主要包括:32位处理器S3C2410、存储器管理模块，以及所需要的辅助部件，如晶体振荡器，电源模块等等.（1）SDRAM存储器模块SDRAM(SynchronousDRAM)即同步DRAM它最大的特色就是可以与CPU的外部工作时钟同步，和系统中的CPU、主板使用相同的工作时钟，如果CPU的外部工作时钟是100MHz，则送至内存上的频率也是100MHZ。这样将去掉时间上的延迟，可提高内存存取的效率。SDRAM的工作原理如下:SDRAM是以阵列单元来存储数据的，因此在存取时必须提供一个行地址和一个列地址来确定所要访问的数据的位置。第一步，地址总线上出现所要访问数据的列地址，同时作为列地址信号标志的RAS(RowAddressStrobe)号有效，将列地址打入SDRAM,SDRAM将整列的数据都准备好，等待着被访问;接着地址总线上出现所要访问数据的行地址，并通过行地址信号的CAS(ColumnAddressStrob目打入SDRAM,SDRAM从在这之前已选中的列中挑选出该行地址所对应的数据，并将该数据输出或输入到数据总线。具体是输出还是输入操作是由WE信号决定的。本系统的硬件平台采用的是两片Hynix公司的HY57V561620，采用2片构成16MX32bit的SDRAM模块。具体电路如图所示。SDRMHY57V561620接口图（2）闪速存储器(Flash)模块闪速存储器(FlashMemory)是一类非易失性存储器，即使在供电电源关闭后仍能保存片内信息;而诸如DRAM,SRAM这类易失性存储器，当关闭供电电源后，片内信息随即丢失。FlashMemory集其它非易失性存储器的特点:与EPROM相比教，闪速存储器具有明显的优势一系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压;与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于包括嵌入式系统在内的各个领域。电路如图所示。NANDFlash接口电路（3）电源管理模块作为工业产品，电源系统的稳定性对本系统有至关重要的影响。为了适应各种工作环境，设计两种供电方式，一种是通过配备的变压器将220V转换成5V，为整个协议转换系统供电，同时也给自带的4节5号的充电电池充电;另外一种是通过4节5号充电电池为整个系统供电。在本系统硬件平台中，各个不同的部分对电压有不同的要求，需要5V和3.3V两种不同的电压。综合考虑了性能和成本等问题，本系统采用了两级稳压电源。方案如图所示。电源原理图第一级，将电源的输入通过MAX604，提供稳定的5V电压，必要时为外接模块供电;同时作为第二级电源管理的输入端。其次通过分压后，接入S3C2410的内部自带的一路AD，作为电源的监控，以便电源电量不足及时报警。第二级，通过采用MAX604电源转换芯片将输入第一级输入电压转换成3.3V为整个系统供电。核心板电源部分的原理采用MIC5207电源芯片将来自扩展板的3.3V电压转换为两组1.8V电压供处理器内核使用。2、扩展板的设计扩展板主要有两方面的作用，一方面对核心板提供支持，如为核心板供电，提供外设到核心板的连接;另一方面为各种外设提供了接口，外设接口的体积比较大，使用中可能会有变化，设置在双层电路板设计的母板上比较合适。系统的扩展板主要集成以下功能:LCD显示器接口，触摸屏的接口，以太网接口，USB接口，串行接口，CF卡接口等。(1)LCD显示器S3C2410内部自带LCD控制器，支持4位、8位和16位格式的多种类型的彩色LCD.如STN,TFT等。本系统考虑到实际的显示效果和成本，选用了PVI的6.4寸640*480的TFT_LCD。因为S3C2410自带LCD控制器，所以扩展起来很方便:①VDO-15:16位数据线;②VCLK:LCD的时钟信号，用于把每一点的数据送入移位寄存器;③VLine:行信号，用于指示一行数据由移位寄存器到显示驱动芯片传输完毕，并使得行指针加1。④VFrame:帧信号，用于指示一帧图像的开始，同时把行指针置于显示屏的第一行。在16位TFT方式下，就是垂直同步信号。⑥LCD_VREN:在16位TFr方式下，输出一允许信号。用于指示数据信号在时钟信号的同步下，锁存到引脚。(2)触摸屏本系统通过在LCD显示器上安装触摸屏，当用户点击触摸屏时，系统可以得到点击的位置，将该位置的坐标换算到LCD的坐标就可以实现人机交互了。本系统是通过S3C2410自带的触摸屏控制接口扩展了一个四线电阻式触摸屏。通过给触摸屏加上偏置电压，当有点击操作时，使得触摸屏输出电压改变，通过S3C2410片内触摸屏控制器得到，并进而转换成LCD的位置坐标。（3）网络接口网络传输功能是本系统的重要组成部分，同时也是嵌入式系统