基于LPC2103ARM7温度测量系统Word格式文档下载.docx

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Withthedevelopmentofinformation,intelligenceandnetwork,thetechnologyofembeddedsystemiswidelyappliedtoindustrialcontrol,informationappliance,trafficcontrol,agriculture,commerce,serviceindustry,etc.,andithasbecomeadirectionofdesignofmodernelectricalproducts.Therefore,makingresearchonembeddedsystemhasveryimportantmeaningbothintheoryandpractice.Theembeddedsystemisaprofessionalcomputersystemwhichisbasedoncomputertechniqueandapplication-centered,withcuttingsoftwareandhardware,appliestoapplicationsystem,andmeanwhilehasstrictrequirementforfunction,reliability,costdiminutionandpowerconsumption.BasedontheenvironmentoftheARMcoremicrocontrollerLPC2103,thisdesignbuildsanembeddedplatformofreal-timeoperatingsystem,andmakesresearchonthehardwareandsoftwareofembeddedsystemandrelatedaspects.Thisdesignanalyzestheembeddedsystemwhichisreal-time,withopensourcecode.Withapreliminaryunderstandingofcorestructure,suchastaskmanagement,timemanagement,taskcommunicationandsoon,basedonthetargetboardofLPC2103processor,wecanallocatetheoperatingsystemuC/OS-IIandputthereal-timeembeddedsystemintotargetboardsuccessfully,andmeanwhileapplythissystemtoreal-timetemperaturemeansureandalarmsystem.ThissystemadoptstemperaturesensorPT100,usingPT100tomeasuretemperatureofthesystem,andshowsthetemperaturebyliquidcrystaldisplay.Moreover,thesystemcanbesettemperaturealarmvalueforreal-timemonitoring.TheLEDlightwillalarmasitisoverwarningvalue.

KEYWORDS：

embeddedsystem；

temperaturesensorPT100；

temperaturemeasureandalarm.

第一章前言

§

1.1课题背景和意义

嵌入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心，适合于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，因此可以说嵌入式系统开创了电子元器件的新纪元。

而温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目，它在工农业生产，现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。

本次研究就是将这两者有机的结合起来，实现基于嵌入式系统的温度测量。

实现了这样的研究将大大的提高温度测量的稳定性和有效性，更进一步的展现出进入嵌入式系统开发时代给社会的各个领域所带来的高技术的支持，将让我们更好的处于信息化时代。

虽然我国目前的一些科技研发还远不如国外，但是只要坚持着这一个研究方向一直走下去，我国的科技实力将会得到很大程度的提高。

基于LPC2103ARM的温度测量系统就是嵌入式系统在实际的生产生活中的一个简单的实践和运用，就是嵌入式系统和温度测量的一个有效的结合。

这样的温度测量系统稳定性好，对温度的采集、处理、监控都有很高的要求。

通过对这样的一个温度测量系统的研究不但可以增进对嵌入式系统的认识，而且将近一步了解嵌入式系统发展的历程及其今后的发展方向和温度测量在现实生产生活中的普遍运用。

这样的一个研究最后要达到的目标就是对一些超过警示温度的温度进行预报警，这样在工厂生产过程中将可以对一些因温度而引起的事故进行有效的避免，大大提高生产的安全系数，而且它可以进一步的弥补目前市场上的一些温度测量系统的不足之处，让温度测量系统变得更加完善。

1.2国内同行研究概况

温度测量是工业，农业，国防和科研等部门最普遍的测量项目，它在工农业生产，现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。

而嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子……，世界上第一个应用的嵌入式系统可以追溯到20世纪60年代中期的阿波罗导航计算机AGC（ApolloGuidanceComputer）系统用来完成阿波罗飞船的导航控制。

从单片机地出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统开发少说也有了30多年的历史。

纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了4个阶段：

（1）、无操作系统；

（2）、简单操作系统；

（3）、实时操作系统；

（4）、面向Internet阶段。

把嵌入式系统的开发与温度测量结合起来的设计联系起来将是基于这两种研究上的成熟运用。

黄坚，朱节云在基于嵌入式技术的温度测量系统[1]一文中采用可编程单总线数字式温度传感器DS18B20,以嵌入式系统作为现场处理单元,并利用中间件技术实现了与上位机的实时数据交换。

实验表明,该温度测量系统具有较高的可靠性和精度。

增加温度控制功能并扩充测控点数，构造一个集中监控的分布式温度测控系统为下一步的研究目标。

刘鹏程在基于ARM的温度测量系统[2]一文中设计了一款基于ARM的温度测量系统,其具有体积小、处理能力强、接口丰富、成本低、测温精度高等特点。

整个系统由三个模块组成,包括温度测量模块、微处理器模块和温度控制模块基于ARM芯片的温度测量系统,在功能、价格以及应用前景这些方面,都比目前广泛使用的基于普通单片机技术的系统有很大优势。

该系统的升级空间很大,可通过更换传感器及相应软件以实现不同物理量的测量。

系统完成后进行了测量与处理模块的试验,试验证明该系统的温度测量性能满足设计要求。

系统结构图如图1.1。

陀螺仪

图1.1系统整体结构图

在很多应用领域中，基于温度探测的监控和报警系统已经不仅仅是一个独立的系统，更多的时候是某个更大的监控系统的一个组成部分。

有时和上位机相连，有时又和PC机连接，甚至可能连接在互联网上以实现远程监测、控制和访问。

数字化、智能化的传感器集采样、A/D转换、电平兼容、总线地址、阀值报警、数据双向通信、接口协议众多功能于一身。

这为其广泛应用于各种不同的环境提供了便捷的条件。

1.3研究的主要内容

本课题研究的是基于ARM7的一个温度测量系统。

在翻阅了大量资料后，决定采用PT100温度传感器和ARM7内核的LPC2103处理器进行开发。

其中涉及一线总线技术的应用，嵌入式系统开发应用等。

装置通过数字温度传感器采集温度，信息送到处理器上并计算出实际的温度数值，并且由LCD进行显示，并可以设置警示温度值，超过警示温度，由LED灯进行提示报警，整个装置在uC/OS-II系统下运行。

研究的工作：

1．熟悉掌握LPC2103和PT100的功能。

2．接收采集得到的温度信息，编写相应的处理程序并且在LCD上显示采集到的温度，设置上下限警示温度

3．IAR集成开发环境的建立。

这部分主要利用IAR编写程序后下载到ARM芯片使操作系统在ARM上工作。

4．设计报警电路，对采集到上下限外的温度信息实施报警

5．熟悉uC/OS-II系统

6．将以上程序移植到uC/OS-II上，整个程序能在uC/OS-II操作系统上运行

第二章ARM处理器及嵌入式系统综述

嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统，以应用中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通信技术为基础，强调硬件和软件的协同性及整合性，软件和硬件可裁剪，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等的要求。

2.1ARM处理器

2.1.1处理器的简介

ARM是AdvancedRISCMachines的缩写。

ARM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[3]。

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/存储指令可以访问储器，以提高指令的执行效率；

（4）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）可用加载/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。

2.1.2ARM处理器的体系结构

ARM一般采用RISC结构，版本也在不断升级。

嵌入式微处理器可分为CISC和RISC两类。

RISC和CISC是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大。

两者比较而言，传统的CISC结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。

在CISC指令集的各种指令中，其使用频率相差悬殊，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%，而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。

而RISC并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。

除此之外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。

·

所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。

可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。

可在一调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自动增减来提高运行效率。

当然，尽管RISC架构有上述的优点，但绝不能认为RISC架构就可以取代CISC架构，事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不是那么明显，现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特征，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势。

2.1.3ARM编程模型

ARM7支持7种操作模式，可以由软件配置，分别如下：

Usermode（usr）：

正常程序执行模式；

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。

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：

31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）[4]。

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。

6个状态寄存器。

这些寄存器也是32位的，当只使用了其中的12位。

在所有处理器模式下都可以访问当前程序状态寄存器CPSR（CurrentProgramStatusRegister）。

CPSR包含条件吗标志、中断禁止位、当前处理器模式以及其他状态和控制信息。

每种异常模式都有一个程序状态保存寄存器SPSR（SavedProgramStatusRegister）。

当异常出现时，SPSR用于保留CPSR的状态。

2.2嵌入式系统

2.2.1嵌入式系统的定义

嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。

它由微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片及器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统及控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。

嵌入式系统以应用中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通信技术为基础，强调硬件和软件的协同性及整合性，软件和硬件可裁剪，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等的要求。

最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的ROM中仅有实现单一功能的控制程序，无微型操作系统。

复杂的嵌入式系统，例如个人数字处理（PDA）、手持电脑（HPC）等，几乎具有与PC一样的功能。

实质上与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在ROM或FLASH存储器中，而不是存储与磁盘等载体中。

很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的[4]。

2.2.2嵌入式系统的特征

嵌入式系统作为计算机应用系统的一个分支跟我们平时见到的PC机系统相比，有其自身的特点：

（1）嵌入式系统要求其CPU具有功耗低、体积小、集成度高、处理能力强、价格低的特点，把很多板卡完成的功能集中到CPU芯片内部，从而使整个系统能够做到小型化。

而其高性能和低廉的价格是处理器具有市场竞争能力的保证。

（2）嵌入式系统和具体的应用有机的结合，其升级换代也是和具体产品同步进行的，嵌入式产品一旦进入市场，就有较长的生命周期。

（3）嵌入式系统为了提高系统的可靠性和执行速度，一般都是将嵌入式的操作系统和应用软件固化在可擦写的ROM或者FLASH中。

（4）由于嵌入式系统对实时性要求较高，因此嵌入式的操作系统必须具有较高的实时性。

同时对程序的质量和可靠性提出了较高要求。

（5）由于储存容量和体积的限制，嵌入式操作系统必须要具有体积小、功能强、可定制并能够管理系统硬件的特点。

（6）嵌入式系统的开发需要专门的开发工具和开发环境，一般采用宿主机（PC机）或工作站上编辑、编译，最后固化到目标机上的方式。

2.2.3嵌入式系统的应用

随着嵌入式系统的高速发展，嵌入式软件将继续增加新的功能，并产生更加灵巧智能的产品，具体应用如下：

（1）嵌入式系统在无线通信领域的应用有手机、小灵通、智能手机等，85%以上的无线设备（手机等）都采用了ARM技术，在向3G升级的过程中，ARM的地位也非常稳固。

（2）嵌入式系统在消费类电子中的应用迅速增长，如数字音频播放器（mp3）、数字机顶盒和游戏机等。

（3）信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。

具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等得网络化、智能化等。

（4）嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用

交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭。

水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。

加油站

停车场管理

（5）嵌入式系统在其他领域也有着广泛的应用，如工业控制、海量存储设备（微型闪速存储卡）、成像设备（包含ARM技术的数码相机和数码打印机）以及安全产品（32为SIM智能卡）等。

2.2.4嵌入式系统的发展趋势

以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新的挑战。

这主要包括：

支持灵活的网络链接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理。

此外，当然还对需要对付更加激烈的市场竞争。

（1）嵌入式的应用软件越来越丰富、成熟。

（2）联网成为必然趋势。

（3）支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。

（4）提供精巧的多媒体人机界面。

2.3本章小结

本章主要对ARM微处理器和嵌入式系统做了一些方面的了解。

对ARM的体系结构和一些编程模型进行了必要的学习。

明确了嵌入式系统在现在社会的重要性，发现它对现在科学技术的发展有着其不可替代的作用，并且以后的发展趋势特别的明朗，越来越注重社会的需要。

第三章基于LPC2103的软硬件平台

LPC2103是基于一个支持实时仿真的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有32kB嵌入的高速Flash存储器。

128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

针对LPC2103具有着与其他微处理器不同的特征及其内部的一些结构以及软件的仿真，将在本章做简要的阐述。

3.1LPC2103概述

3.1.1LPC2103内核

LPC2103是基于ARM7TDMI-S内核的嵌入式微处理器，它的主要特征如下：

⏹ARM7TDMI-S处理器，频率可达60MHz；

⏹128k字节片内Flash程序存储器，具有ISP和IAP功能，Flash的编程时间：

1ms，可编程512字节，扇区擦除或整片擦除时间只需400ms；

⏹l6k字节静态RAM；

⏹向量中断控制器；

⏹标准ARM测试/调试接口，兼容现有的工具；

⏹RealMonitor模块支持实时调试，仿真跟踪模块，支持实时跟踪；

⏹极小封装：

TQFP48（77mm）；

⏹单UART；

⏹I2C串行接口和SPI串行接口；

⏹两个定时器，分别具有4路捕获/比较通道；

⏹多达6路输出的PWM单元；

⏹实时时钟和看门狗定时器；

⏹通用I/O口；

⏹高效的电源管理；

由于LPC2103具有非常小的尺寸和极低的功耗，它们非常适合于那些小型化为主的应用，也可以和其它芯片一起封装。

它的主要应用领域有：

Internet网关、串行通信协议转换器、访问控制、工业控制、MP3音频产品、医疗产品等。

3.1.2LPC2103的系统控制模块

LPC2103的系统控制模块包括几个系统特征和控制寄存器，这些寄存器具有众多与特定外设无关的功能，它们的设置决定了系统的工作模式。

它们包括：

⏹晶体振荡器：

⏹外部中断输入：

⏹存储器映射控制器：

⏹PLL：

⏹功率控制：

⏹复位：

⏹VPB分频器：

⏹唤醒定时器：

每种类型的功能都有其自身的功能，不需要的位则定义为保留。

为了满足将来扩展的需要，无关的功能不共用相同的寄存器地址。

3.2LPC2103最小系统

基于LPC2103的最小系统如图3.1所示，主要由LPC2103核心板、电源模块、复位和I2C模块、时钟模块、按键和显示模块、UART串口模块、JTAG调试模块组成。

JTAG调试模块

图3.1：

LPC2103最小系统原理图

3.2.1基于LPC2103的硬件平台实物图

如图3.2

图3.2基于LPC2103的硬件平台实物图

3.3温度传感器PT100

3.3.1温度传感器的介绍及选择

温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。

由于本课题的任务要求测量的范围为-40℃一600℃，测量的精度为士0.2℃，综合价格