学习1138.docx
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学习1138
一嵌入式系统与ARM1138简介：
嵌入系统发展历史及现状当今世界，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。
现代控制技术、多媒体技术与Internet的应用与普及，促使消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势步伐加快，嵌入式技术再度成为一个研究热点。
嵌入系统是以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统有着非常广泛的应用领域，它现在几乎无所不在，除了航空航天、军用、医疗、通信以及各种工业控制外，仅就居民家庭而言，洗衣机、电视机、空调器、冰箱、微波炉、数码像机、VCD、手机、PDA以及汽车等无一例外地包含了嵌入式技术。
一台通用计算机系统中的显卡、硬盘、软驱、光驱、键盘、鼠标，U盘以及显示器、打印机等都是一个完整的嵌入式系统。
因特网的发明，对嵌入式系统的发展起到了巨大的推动作用。
目前无论是在数量上、还是在规模上，嵌入式系统的应用都已远远超过了PC（PersonalComputer）。
因此，本世纪最初十年被称为后PC（PervasiveComputer）时代，即嵌入式系统时代。
EasyARM1138是一款基于ARMCortex™-M3先进内核的高性能的Cortex™-M3开发板。
EasyARM1138的核心MCU是美国LuminaryMicro公司的Stellaris®（群星）系列ARM之LM3S1138。
具有如下功能特点：
1）强大的MCU内核：
32位ARMCortex™-M3内核（ARMv7M架构）；兼容Thumb的Thumb-2指令集，提高代码密度25%以上；50MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz，加快35%以上；单周期乘法指令，2～12周期硬件除法指令；快速可嵌套中断，6～12个时钟周期；具有MPU保护设定访问规则；64KB单周期Flash,16KB单周期SRAM；内置可编程的LDO输出2.25V～2.75V，步进50mV；持非对齐数据的访问，有效地压缩数据到内存；支持位操作，最大限度使用内存，并提供创新的外设控制；内置系统节拍定时器（SysTick），方便操作系统移植。
2）丰富的外设资源：
7组GPIO，可配置为输入、输出、开漏、弱上拉等模式；4个32位Timer，每个都可拆分为2个独立的16位子定时器，具有定时、捕获、PWM、RTC等丰富功能；3路全双工UART，位速率高达3.125Mbps，16单元接收FIFO；和发送FIFO，支持串行红外协议（IrDASIR）；2路I2C，支持100kbps标准模式、400kbps快速模式；2路SSI，兼容FreescaleSPI、MICROWIRE、TexasInstruments；串行通信协议，位速率高达25Mbps；6路16位PWM，通过CCP管脚能产生高达25MHz的方波；3个模拟比较器；8通道10位ADC，采样速率可达1M/s，附带温度传感器；内置看门狗定时器（WatchDogTimer），确保芯片可靠运行。
3）内嵌USB接口的下载仿真器：
仅需插入一根USB电缆就能实现“三合一”功能：
5V供电、程序下载与在线仿真、UART串行通信，不再要求电脑具有串口或并口，无论台式机还是笔记本电脑，只要拥有USB1.1或USB2.0接口就能运用自如。
USB接口提供虚拟UART的功能，不需要额外的接口电路。
两排插针引出全部GPIO资源，以及ADC0～ADC7、5V、3.3V、GND等；GPIO插针间距正好为2000mil（50.8mm），很容易插接在万用板或其它自制的电路板上，为教学实验提供了极大方便。
ARM1138实验板实物图如右图:
二实验内容：
1.温度传感器
一实验目的：
（1）了解温度传感器基本原理及设计方法.
（2）模/数转换器或者模拟/数字转换器
二实验板介绍：
在实验板的搭建过程中用到了Easyarm138和的A/D转换模块，其可以完成温度信号的采集及处理TMP123的功能主要是将被测温度模拟量转换成数字量,把数字化信号编码成时间比率（t1/t2）形式。
T1和t2时间上是连续,用同一个时钟即可获二者比率。
温度仅与时间比率有关,而与时钟频率无关,时钟频率发生波动,也会解码过程中被数字滤波器滤掉。
TMP123既可以检测温度,也可单片机实现温度控制功能,适用于远程温度检测、微机或电子设备温度监视器及工业过程控制等领域。
三实验原理：
1.模数转换原理：
A/D模数转换原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。
其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。
2.通过TMP123将采集到的模拟温度连续信号进行模拟信号的采集并进行处理，通过与138板进行连接数据的传送通过USB与电脑进行连接，通过超级终端我们可以观测到室内温度的变换情况，与温度计算有关的计算公式实现如下：
10位的ADC模块集成有一个温度传感器，可以用来获取芯片的当前温度。
在温度传感器特性图里，给出了以下公式：
Vsenso=2.7-（T+55）/75，单位：
V设Vsenso对应的ADC采样值为N，2.7V对应N1，（T+55）/75对应N2已知：
N1*（3/1024）=2.7N2*（3/1024）=（T+55）/75由此得到：
N=N1-N2=2.7/（3/1024）-（（T+55）/75）/（3/1024）解得：
T=（151040-225*N）/1024结论：
ADC配置为温度传感器模式后，只要得到ADC采样值N，就能推算出当前的温度T。
温度及电压测试（温度传感器的特性）图：
四实验内容：
//主函数（程序入口）
intmain（void）
{charshiwrite[1]=0x06;//初始化显示时间
charfenwrite[1]=0x06;
charcBuf[3];
unsignedlongulStatus;
tI2CM_DEVICELM75A={0xa2>>1,0x02,1,cBuf,3};
tI2CM_DEVICEfen={0xa2>>1,0x03,1,fenwrite,1};
tI2CM_DEVICEshi={0xa2>>1,0x04,1,shiwrite,1};
jtagWait（）;//防止JTAG失效，重要！
clockInit（）;//时钟初始化：
晶振，6MHz
uartInit（）;//UART初始化
I2CM_Init（）;
//I2C主机初始化
I2CM_DataSend（&fen）;
I2CM_DataSend（&shi）;
for（;;）
{
ulStatus=I2CM_DataRecv（&LM75A）;
LM75A_TmpDisp（cBuf）;//显示时间
Delay1（500000L）;
Delay1（500000L）;
Delay1（500000L）;
Delay1（500）;
}
for（;;）
{
}
}
分析：
我们在程序中设置好初始开始时间06：
06，通过LM75芯片读取秒的变化，而小时和分钟的变化是通过移位实现的。
然后利用URAT通信来读取发送过来的时间，设置超级终端收端口为COM6，波特率为9600。
在程序中一定要做的是要防止JTAG失效和进行系统初始化。
//显示温度值
voidTemperatureDisplay（unsignedlongulData）
{
unsignedlongulTmp=0;
chars1[20];
chars2[20];
ulTmp=（2700-ulData）*75-55000;
sprintf（s1,"%ld.",ulTmp/1000）;
sprintf（s2,"%ld",ulTmp%1000）;
switch（strlen（s2））
{
case1:
strcat（s1,"00"）;
break;
case2:
strcat（s1,"0"）;
break;
default:
break;
}
UART_Puts（s1）;
UART_Puts（s2）;
UART_Puts（"℃\r\n"）;
}
分析：
10位的ADC模块集成有一个温度传感器，可以用来获取芯片的当前温度。
Vsenso=2.7-（T+55）/75，单位：
V。
设Vsenso对应的ADC采样值为N，2.7V对应N1，（T+55）/75对应N2已知：
N1*（3/1024）=2.7N2*（3/1024）=（T+55）/75由此得到：
N=N1-N2=2.7/（3/1024）-（（T+55）/75）/（3/1024）解得：
T=（151040-225*N）/1024结论：
ADC配置为温度传感器模式后，只要得到ADC采样值N，就能推算出当前的温度T。
真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。
在此实验中我们主要了解和搭建室内温度的采集及A/D转换。
在实验板的搭建过程中用到了Easyarm138和的A/D转换模块，其可以完成温度信号的采集。
电路图如图12-1ADC模块框图
分析：
ADC模块是由4个定时器，1个中断控制器，4个采样序列发生器、一个FIFO块，一个硬件平均电路，一个模数转换器构成。
ADC模块按照电路图进行，就可以将芯片的温度提取出来，通过公式转换显示在超级终端上。
内部温度传感器的公式为：
五、实习小结及心得：
本次实验旨在了解温度传感器基本原理及设计方法和模/数转换器或者模拟/数字转换器一些基本知识。
通过这次实验，我们受益非且。
在实验的过程中，我们熟悉了常见的模数转换器的原理及实际的工作参数，尤其是TMP123的集成电路设计的内部构造，这对数电知识和模电知识的运用有着密切的联系，这不仅仅让我们巩固了模电数电的基础知识，并且对他的一些应用有了更深的理解。
我们还了解了其外围电路的连接的机理，尤其是在和单片机的连接上，TMP123既可以检测温度,也可单片机实现温度控制功能,适用于远程温度检测、微机或电子设备温度监视器及工业过程控制等领域。
而且，在实验过程中，我们要用到的1138有关模块及相关的拐角功能，所以我们首先要非常熟悉1138各个模块和拐角的作用，其次按实际的电路的原理图进行电路的连接，将已经调试好的程序下载致IAR软件中同时并打开电脑的超级终端，然后运行此时我们可以在超级终端观测到实时的室内温度，这样才能够得到正确的的实验结果。
通过温度传感器这个实验，我们可以设定时间的初始值，在超级终端接收显示时间，时间连续变化。
第二个实验可以测定器件的温度，并将华氏温度转换成摄氏温度，Vsenso=2.7-（T+55）/75，通过测定芯片的Vsenso值就可以算出芯片的实际摄氏温度。
我们了解了这个实验的基本原理，也对温度传感有了更深刻的认识。
2.液晶显示实验
一实验目的：
通过实验了解和掌握和了解基本的黑白液晶显示器显示原理，并利用其显示所要得到实验目的，并掌握4*4键盘工作的简单原理。
二实验板介绍（器件）
1.4*4的按键矩阵模块。
2.黑白液晶显示器模块。
三实验原理:
1.矩阵式键盘的结构与工作原理；在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
2.显示原理：
LCD液晶显示器的真实解析度定义为“定点形式”，所以我们在使用LCD显示器时，这样画面所呈现的影像将会越清晰，使用起来感觉也会越好。
四实验内容
搭建好电路之后,在IAR环境下进行程序的调试并在显示屏上点阵显示出目的的结果。
部分的程序段如下：
TheSysClock=SysCtlClockGet（）;//获取系统时钟，单位：
Hz
LCD_Init（）;//初始化LED1和LED2
}
unsignedchars1[]={"冯盼西安邮电学院"};
unsignedchar*p1=s1;
unsignedchars2[]={"冯盼光信息科学与技术"};
unsignedchar*p2=s2;
unsignedchars3[]={"冯盼光信零七零二"};
unsignedchar*p3=s3;
unsignedchars4[]={"冯盼学号二十七号"};
五实验分析及心得：
首先通过本实验了解并掌握了简单的液晶显示器的显示原理及构造，利用他显示了简单的实验结果。
这次实验还了解了4*4矩阵键盘的基本构造及电路的实现原理。
其次通过液晶显示这个实验，基本了解了矩阵键盘的构造，点阵构造了汉字显示，就通过每个点的亮灭就可以在液晶显示屏上显示出构造的汉字液晶显示屏是用点阵来表示的，每个汉字是用点阵来表示，用二进制的0或1表示那个点的亮灭，修改点阵就可以显示不同的字，液晶显示是按行从左到右的打，逐行打印。
3．OP07与光敏电阻热敏电阻
OP07典型应用电路
光敏电阻：
光敏电阻是利用半导体的光敏特牲制成的.半导体材料在光的激励下,会产生更多的电子空穴对,致使导电能力增加,电阻率减小.温敏电阻的原理也与此相同.由电流的大小控制灯的亮灭，电路图如下：
热敏电阻
热敏电阻有正温度系数和负温度系数之分，负温度系数热敏电阻是温度升高其阻值反变小；正温度系数电阻则是温度升高阻值也升高。
假设测得在在上图中，R3为温敏电阻（负温度系数），经过由运放OP07组成的调理电路后，使得输出电压0--5V，对应的温度变化范围是20℃--35℃。
热敏电阻有正温度系数和负温度系数之分，负温度系数热敏电阻是温度升高其阻值反变小；正温度系数电阻则是温度升高阻值也升高。
本实验中采用正温度系数温敏电阻。
将输出的电压值经过AD转换模块后由LCD1602显示，其中的AD转换可以采用线性处理，也可用查表法，由于查表法需要测定大量数据，比较繁琐，故采用线性处理，使得温度升高时，采集的电压值也升高，
室温情况下，电阻为1kΩ，三十度时为900kΩ，电阻值变化范围为100Ω，采集温敏电阻的温度，设计电路图如下：
图1温度采集调理电路
4.电机调速
电机是把电能转换成机械能的装置。
电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。
常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。
直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。
本设计采用的是有刷直流电机。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
（1）系统原理框架结构
如图2-1所示，本系统的主要功能模块有：
ARM主控制模块、直流电机驱动模块、速度检测模块、键盘模块、显示模块。
ARMLM3S1138是本系统的中枢，通过它产生的PWM脉冲信号送给L298驱动芯片驱动电机。
键盘和显示器是本系统的接口。
系统原理图如下：
（2）直流电机电枢的PWM调压调速原理
随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的PWM控制方式已成为主流。
这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
直流电动机转速n的表达式为：
式中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，Φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
由式可知，直流电机的转速控制方法可分为两类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。
本文介绍的方法就是在励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现直流电机调速。
大多数直流电机的驱动采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
图2-2是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图。
当开关管D1的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US。
t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-3所示。
图2-2直流电机的电路等效图
电动机的电枢绕组两端的电压平均值Uo为：
其中，α称为占空比：
占空比α表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。
α的变化范围为0≤α≤1。
由上式可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
2.2.2PWM控制方法的选择
在PWM调速中，占空比α是一个重要参数。
在直流电机控制中，改变α来实现调速主要方法是定频调宽法：
使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。
PWM控制信号的产生方法有4种：
（1）分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。
它是最早期的方式，现在已被淘汰了。
（2）软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。
这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。
（3）专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。
这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。
在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。
（4）ARM或单片机的PWM口
新一代的ARM或单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。
ARM或单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。
方法（4）是目前获得PWM信号的主流方法，采用ARM或者单片机系统自带的PWM功能较为简单，方便且电路简化许多，因此采用此方法产生PWM信号。
2.4直流电机的驱动设计
采用PWM控制方法，能够控制直流电机正反转以及电动与制动运行。
在控制式上有双极型、单极型和受控单极型。
本设计直流电机常要求工作在正反转的场合，这就需要使用可逆PWM电机驱动。
可逆PWM系统分为双极性驱动和单极性驱动。
双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。
双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由2个开关管组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，由于形状像倒放的“T”字，所以称为T型。
T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。
另一种称为H型，其形状像“H”字。
单个H型双极性驱动PWM系统原理图2-4。
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
从而驱动电机按特定方向转动。
当Q2管和Q3管导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。
图2-4H桥电机驱动电路图
单极性驱动是指电机在一个PWM周期里，电动机电枢只承受单极性的电压。
双极性驱动是指电机在一个PWM周期里，电动机电枢电压成正负极性的变化。
双极性可逆驱动虽然具有低速运行平稳性的特点，但也存在着电流波动大，功率损耗大的缺点。
所以本设计采用单极性可逆驱动方式。
在实际设计中，桥式电路中晶体管的参数由于各种影响会不一致，使控制难度加大，考虑到电压、电流的等级以及尺寸等因素。
一般使用L298作为桥式结构的驱动芯片。
如图L298N内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，其内部结构如图2-5所示。
单个H型可逆PWM驱动系统由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。
4个开关管分成两组，T1、T4为一组，T2、T3为另一组。
同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。
L298内部结构图如下：
图2-5L298内部结构图
基于本设计要实现两个直流电机的正转反转和转速的的控制，所以选择内含两个H桥的L298驱动芯片，实现电机驱动。
2.5直流电机速度控制算法的选择
对直流电机转速的控制既可采用开环控制，也可采用闭环控制。
与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：
闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高。
因此本设计采用闭环控制直流电机的速度的方案，其控制如图所2-6所示。
图2-6直流电机速度的控制方案
在过程控制场合，比例积分微分控制（简称PID控制）调节是常见的一种控制方式，在电机控制、冶金、机械、化工等行业中获得了广泛应用。
这是由于PID调节不需要求出控制系统的数学模型。
同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用PID的变种，有较强的灵活性和运用性。
可编程控制器由于具有数值运算的能力和处理模拟信号量的功能，所以可设计出各种PID控制器，运用于具有连续量控制的闭环系统；还可根据被控对象的具体特点和要求来调整必要的控制参数，具有监控功能，并可以在运行中调整参数。
对于直流电机的闭环控制常采用PID，其输出是输入的比例、积分和微分的函数。
PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型。
PID控制系统原理框图如图2-7所示。
系统由PID控制器和被控对象构成。
图2-7PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器他根据给定rint
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