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关键词：ARM；控制系统；步进电机
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-02
在增强数字控制系统中步进电机是个重要执行元件，在机电一体化设备和自动化设备中得到广泛的应用。步进电机在许多制造业中成为了核心地位，例如在机器人、打印机、数控机床和绘图仪等设备上都是以步进电机为核心。在工业中也是同样，但是由于工业中的一些设备大多老旧跟不上时代的步伐，由于过时导致设备的储容量小实用性不强，在此同时就应当实现步进电机驱动上的位移和速度的精密度显示和控制。文章将采用ARM7TD MI内核的S3C44BOX处理器来实现步进电机的驱动上需要的条件。
一、工作原理
在电脉冲信号变换相应的直线位移和相应的角位移中需要通过步进电动机来执行该指令。在载重未超过要求范围的情况下，电机的在转动的速度和位置的停止都是取决于脉冲信号中的脉冲数和频率，在负载上不会受到很大的影响；在电机侧转一个步距角秩序加一个脉冲的信号，在电机旋转方向改变上也能通过通电顺序的改变而改变。目前有较多种类的步进电机，其中结构可分为两相和多相、反应式和激励式两种。
在步进机当中包含着众多特性，步进机特性分别有这几点：一、在步进电机当中的误差是无累积误差的，唯有周期性的误差。二、步进电机并不受到负载变化上的影响，步进机中的脉冲数与步距角是成一个正比上的关系。三、在改变转动方向上，可通过改变脉冲顺序来实现。四、停止时的步进电机具有自锁的能力。五、步进机在使用的过程中十分方便操作，他速度的响应性上较好，主要体现在停止、易于启动、正反转。
二、系统的控制组成与原理
在描述系统的控制与组成原理上，将例举ARM步进机在控制方案结构中最典型的顺序如下图1所示。
在整个的系统中是通过步进电机、ARM单片机、控制面板和驱动电路进行组成。在交互界面上主要是通过控制面板来完成，通过与ARM的通信，实现对监控功能中的操作，脉冲信号由ARM单片机发出由信号分配，步进电机将功率放大来带动负载。
（一）分配电机工作信号。在脉冲分配过程中可通过CPLD来进行控制器上的分配，选择四相步进电机来对被控对象。有两种方式在常用四相电机工作中，步角距为9度的四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB，步距角为18度的四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB[1]。
（二）产生的脉冲信号。脉冲信号的产生是由S3C44BOX完成，在占空比例上一般脉冲信号约占0.3～0.4左右，占空比越大那么电机转速就越高。
（三）驱动器上的细分。在使用中若步进机的步距角不能够满足条件时，可对步进电机采用细分驱动的方式，通过改变细分驱动器中相邻电流的A、B，以此来控制步进电机的运转改变合成磁场中的夹角。
（四）功率。在步进电机驱动系统中最为重要的部分是将功率放大。在步进电机中动态平均电流能够让步进电机保持一定的转速，并不是静态电流下能够保持。在电机中力矩若越大那么平均电流则越大，要想达到平均电流都大那便需要驱动系统来尽量的克制电机反电势。所以在驱动方式上应当根据不同场合来采用，驱动的方式到目前为止有以下几种：细分数、恒电压、恒电流、恒压串电阻和高低压驱动等。通过这些方式来提高步进电机的动态性能，将功率放大和信号分配组成步进电机的驱动电源。
三、步进电动机系统软件设计
在软件开发平台上选用了ADS1.2作为系统开发的工具。C语言的标准特性在ADS1.2编译器上得到提供，在扩展功能上增加了较多的专用工具利用例如ARM S3C44BOX来设计。提供了强大的调试系统和友好的用户界面，在开发ARM单片机应用程序上十分便捷[2]。
在控制脉冲信号上是有控制系统ARM S3C 44BOX发出，再由可编程的逻辑CPLD器件来进行分配性的脉冲，在可编程逻辑器件中CPLD是一个较丰富的可编程I/O。可编程在系统中，操作起来十分的灵活方便，在逻辑器件上不但可以实现常规的该功能，还可以在实现时序逻辑较为复杂的功能，与单片机接口一样都能够作为一个外设来实现对单片机中所需要的功能。在连接信号上CPLD芯片管脚主要有以下几种信号：JTAG接口信号、I/O口、电源信号、外部时钟信号、地信号和片选控制信号。8MHz外部的有源晶体振荡器在系统CPLD模块中采用，在CPLD中接入了全局时钟并输入管脚[3]。
系统在对控制步骤和电机驱动中如上所述。首先系统由AD S1.2来作为开发工具的软件，对步进电机经过在线开发出控制的程序，在调试成功后将S3C44BOX写到FLASH开发板上。
四、结束语
通过RAM单片机的步进电机控制系统设计中，实现在转动距离和转速上的监测和精确控制，在步进电机的系统数据处理上速度较快、产品成本低且精密度高等可靠性的优点。能够降低整个系统中的体积便于携带并且性价比高，在简单的操作上十分适用于大家并且维护过程更加方便。
参考文献：
[1]宣财鑫.PLC脉冲控制步进电机技术[J].机车车辆工艺，2012（11）：33-34.
[2]周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京：航空大学出版社，2011（13）：45-46.
[3]张永华.步进电机运动控制系统硬件部分的设计[J].装备制造技术，2010（05）：71-72.
本项目受大学生创新训练计划资助，项目编号：201210425030
一、简介
随着通信网络技术和集成电路设计的高速发展，嵌入式系统己成为了IT业的一个焦点"嵌入式技术己经无处不在，从随身携带的mP3！语言复读机、手机、PDA到家庭之中的智能电视、智能冰箱、机顶盒，再到工业生产、娱乐中的机器，无不采用嵌入式技术"近几年，嵌入式系统产品渐渐完善，并在全世界各行业得到广泛应用"目前，嵌入式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化！工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点"随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要，像我们平常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DvD、mp3player、数字相机（ne）、数字摄像机（nv）、u盘、机顶盒（setTopBox）、高清电视（HDTv）、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪、航天航空设备等等，都是典型的嵌入式系统"随着Intemet的迅速发展和价格更为低廉的微处理器的出现，嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域"[1]。
嵌入式处理器选择 AT91SAM9X35。鉴于AT91SAM9X35芯片是BGA，自己不能焊接，故采用外购的方式，核心板板采用长沙思意美达电子科技有限公司的SYMD9X35，该核心板包括了1个AT91SAM9X35，400MHz，ARM926ejs内核，128MB DDR2 SDRAM，256MB NandFlash，能满足设计需要。母板采用自己设计的方式，根据本设计需要及后续功能扩展，包含了电源模块，1个串口，3个USB接口，1个7寸LCD接口，1个10/100M自适应以太网接口，2个LED指示灯等，核心板电路图见图1。
图1.核心板电路图
二、 Linux系统移植
嵌入式操作系统选择 Linux。选择 Linux 实时操作系统最主要的原因是它的开源性，不仅可以从网上免费获取内核源码，还能获取很丰富的驱动代码。另基于Linux开发的应用具有很强的可移植性，编写好的应用程序在PC上调试没问题，可以很快的移植到嵌入式ARM系统上，降低了开发难度。Linux系统在AT91SAM9X35上的移植主要包括：AT91Bootstrap，u-boot，kernel内核，fs文件系统。
三、 母板的设计开发
A）. 电源部分
系统的供电是5V适配器，而核心板和大部分芯片都是3.3V供电，故需要将5V转变成3.3V，可采用DC/DC方式，也可以采用LDO方式，LDO具有高稳定性，低纹波，电路简单等特点，故本设计采用LDO的方式。选用SPX1587AT-3.3芯片，该芯片输入范围4.75V到10V，压差低至1.1V，输出最大电流3A，可满足设计需要。具体电路如下图。
B）. 核心板部分
核心板是外购的，只需要根据厂家的要求，给核心板供电，并把需要的引脚引出即可，如下图。
D）. 以太网部分
为方便以后扩展，如加入智能家庭实现远程控制，特加了以太网部分。由于AT91SAM9X35芯片已接有网络MAC，只需要外扩一片PHY即可，采用DM9161BIEP芯片，该芯片稳定性好，价格低廉，广泛应用各行各业。原理图如下。
E）. USB部分
由于AT91SAM9X35芯片已经集成了USB的控制与PHY，故只需引出相应的引脚到常用的USB接口上即可，为保护USB设备和系统，特加了500mA的自恢复保险，原理图如下。
F）. 串口部分
为方便Linux系统的开发调试，需要至少加一个串口，采用最常用的SP3232芯片即可实现，如下图。
四、 推广应用前景、效益分析与市场预测
随着如今社会各个行业业务处理方式越来越倾向于电子化，各式各样的数据存储设备也随着市场的需要逐渐的换代升级。对于存储设备而言，优盘以及移动硬盘这种以USB接口为主要数据交换渠道的数据存储设备，其对于电脑的依赖性很大，只可以通过电脑进行数据的载入与输出，对于经常出差的人群极为不便。本产品主要针对于此种问题，更加快捷的进行数据的交换、查看，并且相较于电脑更加节约资源，操作简单，具有很大的市场价值。
参考文献
关键词：国产发射机 ARM7单片机 控制系统 通信任务 软件设计
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（a）-0030-03
DF500A型国产500 kW短波发射机是由北京北广科技股份有限公司研制生产的，整机由射频系统、调制器系统、电源系统、控制系统、冷却系统组成。控制系统主要由四部分构成：上位机人机交互自动控制系统，逻辑控制系统，调谐控制系统，灯丝控制系统。自动控制系统作为发射机的标准配置，采用了CPCD+ARM+工业控制计算机等技术开台同步自主开发，其中由ARM单片机作为核心处理器的自动控制系统是现今比较流行，使用最广泛也是最先进的嵌入式系统，嵌入式系统具有运算处理能力强，与PC通信方便、成本低，针对应用优化设计、用户使用方便等方面的优势。DF500A型500 kW发射机按照行业自动化技术规范的要求开发出来的自动控制系统完全实现了发射机自动开关机，自动调谐，故障诊断，网络管理，远程监控等诸多功能。
1 基于ARM7单片机的发射机自动控制系统总体结构设计及功能说明
1.1 发射机自动控制系统总体结构设计介绍
DF500A型国产500 kW短波发射机的核心控制系统主要由ARM7单片机系列的芯片LPC2388为核心处理器组成的。LPC2388芯片是Philis公司生产的基于实时仿真的32位ARM7TDMI-S微处理器，适用于为了各种需要而进行通讯的应用。它包含了4个UART、1个SPI、2个同步串行端口（SSP）、3个I2C接口、2路CAN通道、1个I2S接口、10/100Ethernet MAC、USB2.0等接口并支持OTG等功能。LPC2388具有高达512 K的Flash存储器和96K的SRAM。Flash在ARM的局部总线上，能够进行高性能的CPU访问：有两个AHB系统，可以同步进行Ethernet DMA、USB DMA和片内Flash执行程序；先进的中断向量控制器，可以支持多大32个中断，还具有通用定时器、RTC、看门狗等功能模块。LPC2388的工作电压一般3.0～3.6 V，有空闲、睡眠、掉电和深度掉电等四个低功耗模式；内部有4 MHz的RC振荡器，还选择作为系统时钟，片内PLL可使系统时钟最高工作在72 MHz；封装在LQFP144。以上这些特点使它非常适合工业控制等领域。
DF500A型国产500 kW短波发射机的自动控制系统硬件架构主要包括通信控制板（ARM1）、调谐控制板（ARM2）、逻辑控制器、上位机组成，整机的自动控制系统架构如图1所示。
ARM1通信控制板主要功能是负责与上位机、ARM2、CPLD进行通信，协调控制发射机开关机、调谐以及状态信息、报警信息的及时上传。ARM2调谐控制板主要是负责调谐，接收ARM1发送的调谐命令，上传通过A/D转换获取的状态信息，以及通过D/A接口控制发射机进行调谐；同时，ARM2可通过显示器及键盘实现手动微调马达。
1.2 发射机自动控制系统控制板功能说明
1.2.1母板
母板负责链接ADC模/数转换板、DAC数/模转换板、通信控制板ARM1、调谐控制板ARM2和通信接口板，进行各个电路板之间信号的链接和转换。
1.2.2ADC模/数转换板
ADC电路板行主要由两个多路选择开关（ADG40）和一个AD转换芯片（AD7233）及其电路组成，并且整个控制系统的电源（+24V）从该板输入。功能是把十三路马达位置数据和各种表值数据的模拟数据转换成数字量送给调谐板ARM2。
1.2.3DAC数/模转换板
DAC电路板主要由两个DA转换芯片（AD7839）及其电路组成。功能是把调谐控制板AMR2传送过来的13路马达控制信号由数字量转换成模拟量去控制13路电机，并且激励器的控制从该板输出。
1.2.4通信接口板
通信接口板功能是负责控制板和设备的接口，光耦隔离进行电平转换，驱动设备。X2是逻辑控制的接口，X6是波段控制的接口。
1.2.5通信控制板ARM1
通信控制板ARM1主要由ARM7芯片LPC2388和iPort模块组成，主要负责与上位机通信、调谐控制板ARM2通信和一些逻辑控制功能。通信控制板ARM1实现的逻辑功能有关机、黑灯丝、红灯丝、高压合、高压断、复位、快速灯丝、封锁音周、封锁PSM指令。
1.2.6调谐控制板ARM2
调谐控制板ARM2主要由ARM7芯片LPC2388和液晶显示模块组成，主要是负责调谐控制、与逻辑控制器通信、与通信控制板ARM1通信、液晶显示、指示灯和一些逻辑控制功能。调谐控制板ARM2实现的逻辑功能有高功率、低功率、升功率、降功率和启动调谐。
1.2.7逻辑控制器
逻辑控制器主要采用两片EPM7512EAQI208作为核心处理器（一片负责所有的逻辑控制，一片负责与上位机通信），输入接口电路、输出接口电路、状态指示灯电路作为外部接口电路。它主要完成如下三方面的功能：一、实时采样。控制器系统实时采样一百多路发射机风路、水路、灯丝、高压、马达等各个节点的状态量，并通过RS232串行通信方式上传至上位机。二、故障处理。控制器系统通过采样到的状态量分析发射机的运行状况，并采取相应保护措施。三、控制命令处理。操作人员可以通过上位机控制或手动按键控制实现整个发射机的过程控制
2 ARM7单片机的发射机自动控制系统软件设计思想
2.1 通信控制板ARM1的软件设计介绍
单片机ARM1主要负责与上位机通信，它的通信任务包括：接收上位机发送的控制命令；上传ARM2及CPLD的状态信息；上传命令执行过程中的日志信息。单片机ARM1与上位机的通信采用UART3串行接口模块实现。
通信控制板ARM1设计思想如下。
（1）LED指示工作状态，1Hz频率闪烁。
（2）为每个通讯设计一个单独任务，用于上发和下传指令。
（3）关机、开机、调谐三个独立的任务用于实现控制逻辑。
（4）扫描运行图任务，根据本地运行图自动触发运行时间，给调谐任务发送信号量。
（5）上传状态信息任务，该任务每隔2 s向PC端发送最新的CPLD状态信息和ARM2读取的状态信息。
2.2 调谐控制板ARM2的软件设计介绍
在功能较复杂的控制系统中，通常以P C为主机，单片机为从机，由单片机完成数据的采集和对装置的控制，而由主机完成数据处理和对单片机的控制。随着嵌入式技术的发展，各种各样的新型嵌入式系统设备应用越来越广泛，A R M技术是嵌入式系统方面的主流技术,其广泛应用在信息家电、交通管理、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、工业控制等领域。L inux是一个功能强大、稳定的操作系统，因源代码开放而被广泛地移植运行在各种处理器上，是嵌入式系统中最为常用的操作系统之一。移植了L inux操作系统的A R M处理器具有强大的数据处理能力、控制界面友好、系统精简、实时性高，成本低、设计简单等优点。因此，可以选择使用A R M处理器作为控制系统的上位机，构成由A R M和单片机组成的控制系统。
温度是工业控制中主要的被控参数之一，在日常生活中也经常要用到温度的检测及控制。本文通过MS P430F149单片机完成温度数据的采集，由于单片机侧重于控制，数据处理能力较弱，对采集的数据进行运算处理比较繁琐，因此，将采集的数据传送到移植了L inux操作系统的S3C2440A处理器进行处理。上下位机间使用串口进行通信，在L inux系统下操作串口，可以降低串口操作的难度，提高开发效率，从而使开发者集中精力开发大规模的应用程序。
系统总体设计
温度采集系统采用上位机和下位机的方式实现，上位机使用mini2440开发板，该开发板采用三星公司设计的低功耗、高集成度的、基于A R M920T核的16/ 32位R I S C微处理器S3C2440A为控制核心。下位机使用M S P430开发板，主控芯片为MSP430F149。单片机通过从A R M引出5V电源供电。温度采集系统框图如图1所示。
结束语
【关键词】电阻应变片 TM4C123GH6PZ 高精度 HX711
1 系统框图简介
当秤盘上放入被秤物体后，电阻应变片受重力的影响产生形变，电阻值发生变化。应变片搭建的桥式电路会输出微弱的电压信号，微弱电压信号由HX711内部集成放大器放大后经过内部ADC进行采样转换后送到到MCU，接收到的数据信息经过线性拟合处理后送到LCD液晶显示。系统能完成称重、设置单价计算金额及金额累加、去皮及去皮范围限制等基本功能，还能实现时间、温度、报警、二维码支付等扩展功能。系统总体框图如图1所示。
2 理论分析与计算
2.1 电桥驱动电路分析
如图2所示当被测负载作用在弹性臂梁上使其发生弹性形变；通过粘性物质使粘贴在感压装置上的电阻应变片发生形变，从而转化成应变片的阻值大小变化；差动电路将电阻应变片的阻值变化，转化为与负载成正比的电信号输出。其输出的电压为：
由公式1可知，理论上测量电路采用差动全桥测量，输出电压信号与电阻形变阻值大小成线性关系。国家标准的应变片阻值为 60、120、200、350、500、1000Ω。鉴于大电阻小电流，持续运行周期长，信噪比高的情况，因此本系统采用阻值为1KΩ的电阻应变片。
2.2 模数（A/D）转换器分析
HX711为称重传感器提供一个激励电压，有重物加载到称重传感器上时，它输出一个比较小的电压信号；其在接收到这个电压信号后，对信号进行放大，然后进行A/D转换，直接变换成数字信号输出给外部设备。
2.3 数据处理分析
由于温差、冲击力、浮尘等因素的影响，传感器承受载荷与其输出电压之间并非都成线性关系。加上ADC的线性度不够理想，使小称量和大称量区间的线性斜率不一样。这两种情况都会使称量线性度发生变化，造成某些点的称量误差较大。采用分段校准测量值和分段计算测量值，可有效的减小测量值的相对误差。
为了提高精度与稳定性本系统采用了数字滤波。其可以对频率很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器做不到的；数字滤波是用软件算法实现的有效降低了成本。数字滤波可通过改变自身滤波参数对其进行滤波。这对于低频、脉冲干扰、随机噪声等别有效。
3 硬件设计
如图3所示为电子秤专用24位模拟/数字（A/D）转换模块电路图。其内部集成低噪声可编程放大器可对电阻应变片产生的微弱信号进行放大后进行模数转换，片内自带稳压电路、时钟振荡器和部分电路，具有集成度高、响应快、抗干扰强等优点，减少了放大电路的成本和干扰。
TM4C123GH6PZ：采用ARM Cortex-M4架构， 集成了32位可进行FPU运算的浮点单元处理器，内部Flash为256KB的内存，其时钟最高可达到80MHZ，含有丰富的借口，如图4所示。
4 软件设计
上电后初始化核心控制器及其模块，通过按键选择LCD菜单选择；通过确定键进入不同功能的二级菜单，可以实现称重、设置单价计算金额、设置单价及金额累加、去皮、时间及温度等功能。普通称重流程就是读取ADC数据进过数据拟合处理后送到LCD液晶显示。设置单价计算金额功能流程就是在普通称重的基础上再通过按键输入单价，金额=单价×重量，计算后送LCD液晶显示，如需扫码付款，按支付键后扫描码可。设置单价及金额累加就是在设置单价计算金额功能的基础上累加金额即可。去皮功能流程就是先放入需要去掉皮重的物品，判断皮重物品的重量是否超过100g，超过则报警，没超过就保存重量，再放入物品，由最后的重量减去皮重即可系统主程序设计流程图如图5所示。
5 实物制作与系统测试
实物制作如图6所示。
表1为称重误差测试表，通过表中误差数据可以看出重量
6 结论
系统支架选用铁选用铁质悬梁臂，系统硬件设计由大阻值应变片搭成差动桥式测量电路，抗干扰能力及稳定性比较强。选用24位高精度ADC，对测量的精度有很大的提高，由于应变片的安装及整体机械架构的组建比较合理，该电子秤称重范围在0.2g至1000g；被称物质量体低于200g时，误差低于0.2g；称重物体高于200g时，误差低于0.4g。其它设置单价、金额及金额累加、去皮等功能增添了该系统的实用性，切合实际需求。该系统具有体积小、精确度高、性能稳定、成本低等特点。
参考文献
[1]郭烟欤李宝华，赵玉侠，等.基于电阻应变式传感器的电子天平的研制[J].微计算机信息，2007，23（16）：15-26.
[2]樊毅，秦会斌.基于STM32的高精度电子天平[J].机电工程，2013（01）：012.
[3]王德清，胡晓毅，贾宏，解永军.基于SPCE061A的高精密电子秤设计与实现[J].电子技术应用，2007（11）：16.
[4]王亚平.电子秤的抗干扰技术[J].仪器仪表与应用，2006（03）：83-85.
[5]叶朝辉.TM4C123微处理器原理与实践[M].北京：清华大学出版社，2014（01）.
作者单位
b17210721-1嵌入式实时操作系统μc/os-ii原理及应用任 哲22.02005.086
b16530653-3arm9嵌入式技术及linux高级实践教程陈 赜32.02005.076
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b15800580-4嵌入式实时操作系统及应用开发罗 蕾34.02005.019
b14800480-8嵌入式控制系统及其c/c++实现 --面向使用matlab的软件开发者 (含光盘)骆丽 译32.02005.049
二、 arm、soc设计、ic设计及其他嵌入式综合类
代书号书 号书 名作 者定 价出版 日期内容简介页 码
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b16300630-4嵌入式ethernet和internet通信设计技术骆丽 译估28.0预计2005.1110
b16290629-0嵌入式系统实时多线程--基于threadx和arm张炯 译估35.0预计2005.1110
b17250725-4μc/os arm移植要点详解黄燕平估32.0预计2005.1110
b17190719-x从51到arm--32位嵌入式系统入门赵星寒估38.0预计2005.1010
b13590359-3嵌入式系统词典马广云译2005.0811
b17100710-6arm微控制器基础与实战 (第2版)周立功43.02005.0811
b16740674-6coldfire系列32位微处理器与嵌入式linux应用 (含光盘)李晶皎39.52005.0611
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b14300430-1mips处理器设计透视 (see mips run)赵俊良译55.02005.0612
b16000600-2at91系列arm微控制器体系结构与开发实例朱义君34.02005.0412
b15410541-3嵌入式系统开发与应用田 泽54.02005.0113
b15830583-9arm嵌入式系统软件开发实例 (一)周立功56.02005.0113
b15580558-8嵌入式系统设计与开发实例详解 --基于arm的应用胥 静43.02005.0113
b15510551-0大型risc处理器设计--用描述语言verilog设计vlsi芯片 (含光盘)田泽 译39.02005.0113
三、 DSP
代书号书 号书 名作 者定 价出版 日期内容简介页 码
b17220722-x高性能工业控制dsp--adsp 2199x原理及应用 (含光盘)王晓明估39.02005.0914
b15480548-0电机的dsp控制技术及其应用谢宝昌39.02005.0314
b16060606-1dsp技术原理及应用教程刘艳萍26.02005.0314
四、 单片机
代书号书 号书 名作 者定 价出版 日期内容简介页 码
4.1 选编及器件手册
b15420542-1单片机应用技术选编 (11) 何立民69.02005.0915
b17200720-3单片机器件实用手册 --数据传输接口器件分册 (第2版) 邬宽明估59.52005.0915
b14650465-4单片机器件实用手册 --输入通道器件分册 (第2版) 纪宗南59.02005.0715
4.2 pic单片机
b16540654-1高职高专通用教材--pic单片机基础教程丁跃军22.02005.0715
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4.3 avr单片机
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b15660566-9avr单片机高级语言bascom程序设计与应用张茂青22.02005.0116
b15710571-5高档8位单片机atmega128原理与开发应用指南(上)马 潮34.02005.0117
4.4 其他单片机图书
单片机初级教程--单片机基础 (第2版) 张迎新预计2005.11
单片机中级教程--原理及应用 (第2版)张俊谟预计2005.11
单片机高级教程--应
关键词 组态王；ARM9；通讯协议；串口通信
中图分类号TP311 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）49-0235-01
0 引言
随着工业自动化要求提高，组态软件设计的监控系统逐步普及，开发的控制设备与监控设备之间需要通讯。组态王KingView软件基于Microsoft Windows XP，NT/2000操作系统，具有友好的人机操作界面，可与各种PLC、智能仪表等实时通讯，但无法与自己开发的控制设备通信，ARM9作为高性能处理器经常用来开发工控设备，所以实现组态王与ARM9开发板的串口通信对工控设备开发十分必要。
1 组态王与ARM9开发板的串口通信方法
1.1 组态王支持的单片机通讯协议（ASCII）
本设计采用亚控公司的组态王中的单片机通讯协议（ASCII）实现组态王与ARM9开发板串口通信。亚控公司的组态王中的单片机通讯协议（ASCII）简介如下：
上位机发送读命令：字头-设备地址-标志-数据地址-数据字节数-异或-CR
若正常下位机应答：字头-设备地址-数据字节数-数据-异或- CR
若不正常下位机应答：字头-设备地址-**-异或- CR
上位机发送写命令：字头-设备地址-标志-数据地址-数据字节数-数据-异或- CR
若正常下位机应答：字头-设备地址-##-异或- CR
若不正常下位机应答：字头-设备地址-**-异或- CR
1.2 组态王与ARM9开发板串口通信方法
组态王与ARM9开发板串口通信采用亚控公司的组态王中的单片机通讯协议（ASCII）。组态王安装在上位PC机上，组态王本身支持单片机通讯协议（ASCII），要实现组态王与ARM9开发板串口通信，其实任务就是在下位机ARM9开发板上设计下位机应答程序和通信数据缓存区，用下位机应答程序和上位机（组态王）发送的读写命令通信，用ARM9设计的通信数据缓存区中的存储单元与组态王中定义的寄存器对应。
2 组态王与ARM9开发板串口通信接口电路
上位PC机与下位单片机ARM9的串口通信硬件接口电路。上位PC机与下位机ARM9开发板本身都自带串行通讯接口，但由于在分布式系统中上位机与各下位机的分布不集中，故采用RS-232转RS-485进行串口通信。RS-485最大传输距离为1 219 m，最大传输速率为10 Mb/s，对干扰有较强的抑制能力。
3 ARM9开发板串口通信程序设计实现
3.1 下位机ARM9通信数据缓存区设计
下位机ARM9设计通信数据缓存区，其目的是让下位机通信数据缓存区中的存储单元与组态王中定义的寄存器对应起来，为数据通信做好准备。本设计在ARM9中定义64字节通信数据缓存区（U8 X[64]），即数组逻辑地址从0-63共64个字节的存储单元，每个存储单元都可读可写，具体情况可由开发监控系统的需要来灵活决定。上位PC机组态王中定义寄存器格式Xdd，其中dd代表数据地址，此地址与本设计ARM9通信数据缓存区存储单元（数组X）的地址相对应。
3.2 下位机ARM9串口通信程序设计
组态王与ARM9开发板串口通信程序设计具体思路。首先，在ARM9中设置串口通信数据缓存区（定义64字节缓存区：U8 X[64]）与组态王中定义的寄存器X相对应；然后，让ARM9开发板上的串口等待上位PC机（组态王）发送的读写命令，当串口接收到数据时发生串口中断，并执行串口中断处理程序。串口中断处理程序功能：当串口收到不是读写命令或收到读写命令的设备地址不是本下位机的地址时本下位机不作回应，当收到读写命令的设备地址是本下位机的地址时本下位机按照单片机通讯协议（ASCII）作出相应的应答。
完成组态王与ARM9开发板串口通信的串口中断程序及中断处理程序ARM _ ACK()的程序流程图如下图：
本文基于亚控公司的组态王中的单片机通讯协议（ASCII）实现组态王与ARM9开发板串口通信的程序设计方法，已在TQ2440开发板上编程设计实现，并成功与组态王正确通信。
4 结论
在工控中使用32位ARM处理器，是未来工业控制的发展方向，所以解决组态王等监控软件与ARM开发板串口通信对工控设备开发有着重要的现实意义。
参考文献
关 键 词：ARM；Boa；Qt；Webcam；jQuery
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A
1 引言
本系统集视频采集、Qt、单片机、Boa服务器以及网页制作等技术于一体，终端用户可以通过网页与ARM服务器端通信并控制鱼缸。本文设计的鱼缸控制系统同传统鱼缸相比有如下优点：（1）远程操控；（2）视频采集；（3）娱乐性强。本文主要介绍系统体系结构，服务器端与控制端软件部分的设计与实现以及所需关键技术。
2 体系结构图
本控制系统主要由ARM服务器端和控制端构成。ARM服务器端由Web服务器，Qt端界面和Sqlite数据库构成，通过将Boa服务器移植到ARM中为CGI构成的网页提供服务。Qt端主要以Sqlite数据共享的方式为浏览器对鱼缸的间接控制提供支持，同时Qt本身也具有控制的功能。控制端由AT89C52单片机构成，单片机作为执行器对鱼缸进行一系列动作。体系结构图如图1所示。
3 软件设计
3.1 Qt端设计
ARM开机后自动运行网络服务器Boa，并开启Qt端程序。PC或者手机通过路由器连接到服务器，此时便可以通过网页操作对数据库数据进行更改，Qt端读取数据后向单片机发出控制指令，单片机对鱼缸执行操作。Qt端定时器动作监控流程图如图2所示。
3.2 娱乐功能设计
娱乐功能是本系统一大特色，主要包括逗鱼与喂食。逗鱼、喂食功能都由步进电机模块实现。步进电机模块采用ULN2003作为驱动芯片。驱动信号从单片机的P1^2—P1^5（逗鱼功能模块）或者P2^2—P2^5（喂食功能模块）连接到UNL2003芯片的4个反向器输入端，并且其输出端连接到步进电机。步进电机驱动图如图3所示。
3.3 Web服务器端设计
Web服务器端由CGI和Ajax构成。系统通过Web端带给用户一个简洁、美观的网页界面。页面采用jQuery动画效果搭建，表单提交采用Ajax技术，使动作更加顺畅，用户体验度更高。具体功能如图4所示。
6 结论
本文设计的智能鱼缸控制系统应用范围广，成本低廉，交互性良好，易于拓展，娱乐性强，能够给广大的养鱼爱好者带来全新的感受。通过长时间的测试与运行，已证实本系统运行稳定性良好。
参考文献
[1] 布兰切特[加]，萨默菲尔德[英]，著.闫锋欣，等，译.C++ GUI Qt 4编程[M].北京：电子工业出版社，2008：8-249.
[2] 谢维成，杨加国，著.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2009：137-143.
8位价格，32位性能
记者：XMC1000的主要特点是什么？
Stephan：XMC1000家族的定位是：8位价格，32位性能，适用于当今8位MCU所应用的工业应用。该系列基于ARM Cortex-M0的32位处理器，内嵌了针对目标应用（尤其针对低端8位工业应用）设计的先进外设集，实现了突破性的性价比。例如，片上闪存容量从8kB到200kB不等，远远超过当今8位单片机常见内存容量。
记者：英飞凌一年前推出了XMC4000系列，与此次的产品有什么关系？
Stephan：XMC4000基于ARM Cortex-M4核，主要针对高端的节能应用。此次的XMC1000是低端产品线，使客户可以用较低成本的方案来做节能。二者是可以兼容的，因为它们的外设都是一样的：它们使用了同样的开发环境。我们会根据不同市场的需求提供相应的产品。比如欧洲市场的电机控制产品可能偏高端，所以他们可能就会使用XMC4000系列。而对于亚洲，电机类的应用偏低端，但量很大，可能就会使用XMC1000系列。
记者：相比传统的8位单片机，新产品有何创新？
Stephan：8位单片机已经有很多年的历史了。英飞凌在8位单片机方面也有30年的历史了。8位单片机现在可能会面临的问题是：它的外设和性能有一些局限性，面对一些新的技术会有点力不从心。既然8位不够，英飞凌就提供16位或者32位的单片机，这样可能就相当于转变原有的单片机架构。
既要性能，也要价格。为了实现这个目标，我们在300毫米晶圆片上实现65纳米技术――英飞凌也是第一家采用这一技术的公司。这样做的好处是，能够在同等价位上，既提供32位的内核，也能把丰富和强大的外设带给大家。例如，XMC1000家族产品的大批量价格可以低至0.25～1.25欧元。
差异化
记者：XMC1000在功耗方面的表现如何？为什么这次没有使用M0+核？Stephan：其实从低功耗来看，M0+的功耗表现确实不错，ARM也是把M0+定位在低功耗领域，而把M0定位于低端市场。XMC1000是希望能够取代8位市场，所以采用M0核。
记者：有些厂商已经在更早时期推出基于Cortex-M0的单片机，英飞凌在争取市场份额上有何计划？
Stephan：以他们的目标应用领域来讲，英飞凌认为他们的定位更偏16位，而英飞凌更瞄准8位的应用。
记者：越来越多的厂商采用ARM核，英飞凌如何看待？英飞凌在MCU方面的未来战略是怎样的？
Stephan：从上世纪90年代到2005年之前，大家都是用自己的内核来区分产品的，那时英飞凌用的是XC166内核，这是在16位当中使用量非常高的一种内核了。
在工业和消费类的市场上，对于客户来讲不需要再有ARM内核以外的其他内核了，因为它已经满足到他们的需求了。所以对于中国来讲，他们能够很好地接受ARM核，对英飞凌来讲也是好处，可以把放在内核上开发的东西移出来，去做一些针对外设的产品，能够更好地满足客户的需求，进行中国的创新。
在工业领域英飞凌可能选择会用ARM核，但是在汽车方面，英飞凌将来会继续使用自己的Tri-Core。
记者：XMC1000的差异化特性和竞争优势是什么？
Stephan：此新产品最大的优势是能够在提供32位所具有的一些功能的同时，把成本做低，以8位的价格来优化这个市场，即新一代XMC1000系列的产品有更高的性价比，这是我们认为这个新产品最大的竞争优势。
另外，XMC1000不可能覆盖所有消费和工业类产品，那么英飞凌针对自己的性能和价格区间，会关注四个应用领域，包括传感器和执行器应用、LED照明、数字电源转换（如不间断电源）、简单电机驱动（如家用电器、泵、风扇和电动自行车等）。
英飞凌认为其他竞争对手是达不到英飞凌所集成的所有功能的，不能满足我们相关的性价比竞争的区间。所以我们认为这应该是我们核心的竞争力。
英飞凌在市场的定位是，以英飞凌的服务优势和高质量、高性能产品提供给客户，英飞凌不会盲目地跟随甚至去复制竞争对手的产品，我们会根据我们的目标市场和客户研发我们的产品。
本土化
记者：在本土方面，这款产品在性能上有哪些改进？
Stephan：中国市场的很多需求在影响英飞凌芯片的设计和应用。中国的设计公司也会提出一些要求，对于设计公司来讲，最重要的IP就是软件。现在的问题在于，因为设计公司可能自己不生产，把软件给到终端客户，这个软件别人就很容易下载。如果软件是收费的，你把你的程序给出去以后，他说一年有多少的使用量，但其实你自己是不能掌握的。新产品的方案是软件可以加密，而且和数量有关。
记者：为何会考虑在XMC1000增加软件IP保护？XM C4000是否也有这样的计划？
关键词:嵌入式系统;可编程逻辑器件;ARM;UC/OS;GUI
随着技术的发展和应用的需求,社会对嵌入式系统的应用要求越来越高,传统的系统机应用和嵌入式应用的界限越来越模糊,以51系列为主的单片机应用越来越不适应这种需求,而以ARM7为内核的32位高档单片机经过数年的发展,价格越来越低,接近单片机的成本,而性能又高很多,在很多领域已经取代了8位单片机的应用。为适应这种趋势,在大学本科教学中开设嵌入式技术课程和实验已是必然。嵌入式技术的内容比较广泛,涉及从低端的单片机应用到高端的系统机嵌入式应用。目前,高校中开设的相关课程主要是嵌入式技术(主要讲ARM处理器、嵌入式操作系统LINUX、UC/OS等)、可编程逻辑器件和DSP应用,后两门课虽然名字上和嵌入式没有关联,但应该说ARM处理器、FPGA/CPLD、DSP实际上是嵌入式系统的3架马车,在很多的嵌入式系统上都能看到它们的身影,三者各有所长,各有应用特点,目前还无法完全互相替代。而这3门课的前期基础课就是模电、数电、单片机原理、C程序设计等[1]。
1目前存在的问题
由于嵌入式技术内容的广泛性,应用上千差万别,课程特点是实验性、动手操作性特别强,一般是根据所采用的实验设备来进行讲授。目前来看,嵌入式系统实验箱主要分高端和低端两类,高端产品功能复杂、完善,提供各类接口,如USB、以太网口、LCD、VGA、键盘鼠标口、SD卡、串口等。但该类产品存
在如下问题:1)系统过于复杂,使得学生上手慢,真正能够完成的实验有限,形成资源浪费。2)价格与系统机相当,体现不出嵌入式的优势,使得实验成本很高,普及性差。3)维修维护成本高。根据多年的实验教学经验,为了培养学生的动手能力,对于元件的实验箱(板),一轮实验下来,损害率基本在10%～20%,由于维修困难,最终导致仅有60%的实验设备能够正常使用,严重影响教学效果。
综上所述,太复杂的嵌入式系统实验设备并不适合本科实验教学,本科实验教学需要的是简单、低廉、耐用又能满足教学要求的实验设备。而低端的嵌入式实验板虽然价格低廉,但一般只有简单按键、LED显示、串口等,电路与单片机的实验板电路并无区别,只是换了一颗ARM的心脏。而这些设备的控制对处理器并没什么要求,单片机完全可以胜任,也就体现不出嵌入式系统的优势。而实际上所说的嵌入式系统一定是用在单片机无法完成或很难完成的地方。如果学生感觉不出嵌入式的优势,也就难于达到实验教学效果[2,5-6]。
2设计的指导思想
针对现有嵌入式实验箱(板)存在的问题,为满足教学需要,我们自行开发了嵌入式实验板,力求克服现有实验设备的缺点。所遵循的指导思想如下:
1) 实验内容要有别与51单片机的实验。实验用51单片机无法完成或很难完成,充分体现32位嵌入式
ARM处理器的优势,主要有以下几点:(1) 32位处理机,结构先进,处理速度极高。(2)更大的程序、数据存储空间,是51单片机的几十倍。(3)更高的CPU时钟频率,是51单片机的几十倍。(4)集成了很多复杂的设备,是SOC(System On Chip),简化了硬件电路设计,提高了处理及应用能力。(5)功耗很低。(6)有操作系统支持。(7)有JTAG接口,无需仿真器,只要一条下载线。
2) 硬件结构尽量简单,将下载线JTAG接口电路直接做在实验板上,取消电源设备,直接利用USB接口从电脑取电,减少实验部件及部件间连线。充分利用电脑硬件资源,如显示器、键盘、鼠标、USB接口、串/并口等,充分利用ARM单片机内部集成外设,如PIT、PDC、AIC、PMC、USART、SPI、TWI、SSC、TC、PWM、ADC、UDP等,同时发挥软件优势,这样做的好处是:(1)降低成本,让每套实验环境的成本控制在100～200元内。(2)适应学生实验的要求。一般来说,给学生用的东西,都很容易损坏。实验室人员和指导老师的维修、实验准备的工作量都很大,实验中能正常开使用的实验设备也就到60%～80%。那么,实验箱的硬件结构越简单,损坏的可能性就越小,维护起来也要简单,减轻了实验老师的工作量。(3)由于成本低,对于损坏的实验板可以直接更换,提高实验开工率;对于有兴趣的同学,甚至可以借出,便于其更好地学习。
3硬件电路原理
实验板以AT91SAM7Sxx为核心,如图1所示,利用其内部硬件资源,并通过一片有VGA接口的CPLD(EPM240),再加上键盘/鼠标接口、232串口、
图1硬件原理结构
A/D接口、并口、USB接口等,特别是有了键盘/鼠标/显示器接口,实验板就与系统机一样具有人机交互功能,通过运行不同应用软件,可以实现很多复杂功能的演示,完全可展现嵌入式系统的功能优势[3-4]。
4已开发的ARM实验
我们已开发了如下实验:
1) ARM单片机内部集成外设的使用;2)在屏幕上绘制各种函数曲线;3)作为终端与电脑进行通信;4)多任务显示控制;5)键盘/鼠标测试;6)基于ARM的逻辑分析仪;7)基于ARM的示波器;8)嵌入式实时操作系统uC/OS移植、硬件驱动;9)在uC/OS上运行各种应用程序;10) USB接口和协议栈的使用(键盘/鼠标/游戏杆/U盘等的实现);11)通过USB接口与系统机间进行数据通信;12)现场总线PROFIBUS协议栈的实现;13)现场总线MODEBUS协议栈的实现;14)图形化接口uC/GUI的移植、驱动;15)在uC/OS上运行各种测试程序。
可开的实验会很多,因为实验板就相当一个简化版的电脑,有键盘/鼠标/显示器/USB/串口,运行不同的软件,就可以实现不同的功能。
当然,由于ARM及软件的复杂性,每个实验大约需要4～8学时,学生只能是选做其中一些实验。图2～图4是几个实验的截图。
图2图形化人机接口实验 图3指针式仪表实验
图4示波器实验
5可编程逻辑器件的实验开发
目前我们所使用的可编程逻辑器件的实验箱采用的是ALTERA公司的EPM7128LC84芯片,外加8个数码管显示、8个LED指示灯、16位置码开关、8个按键等构成,一条下载编程线,一个5V电源箱。和电脑连接到一起后能够实现LED闪烁、移动、数码管的点亮、BCD-7段码的译码、8个数码管动态显示不同内容、电子钟、秒表、置码开关输入、按键操作等实验,应该说这些内容主要是为了了解可编程器件开发的一般过程、熟悉HDL语言等,目前为大多数院校所广泛采用,但还存在的以下问题:
1) 核心器件EPM7128LC84价格高(约100元/片),而且极易损坏,导致实验成本高。
2) 仍存在部件多,连线多,故障多,下载线、5V电源也容易出问题。
3) 这种方式的实验电路与单片机的实验板电路是很相似的,也就是将原先微处理器完成的事情,现在用CPLD来实现了。那么从实际应用的角度看,这是极其不合理的,也没有任何实际意义的。因为可编程器件和微处理器各有各的优势,也各有各的应用场合。单片机能完成的事情,没必要用可编程器件去做,因为可编程器件没有价格优势,更因为可编程器件的HDL语言最后生成的是数字电路,而单片机的C语言最后生成的是可顺序执行的程序,后者所能完成的功能要远复杂于前者。因此,在这些场合,可编程器件
既没价格优势,又没性能优势,故不会被采用。那么可编程器件的优势在哪?应用场合又在哪呢?它的优势恰恰在于它没有顺序执行指令,它最后形成的是电路,这样就可以实现高速的时序控制。它的应用场合也就在微处理器无法实现的高速时序处理的场合。
针对上述问题,来看我们的嵌入式实验板,发现它也可以作为可编程器件的实验板来使用,并且能克服上述缺点,因为:1)板上有CPLD器件EPM240,容量比EPM7128大,但价格很便宜(12元/片)低功耗(3.3V供电),不易损坏。2)无电源箱,USB取电,下载线电路在实验板上,实验部件少。3) CPLD在这里做为VGA控制器,是CPLD的实际应用方案,即高速的时序控制,VGA接口红绿蓝信号点时钟频率到25MHz, 是微处理器所无法实现的场合。4)由于有VGA接口,可连接显示器,从而在显示器上看到不同的实验结果,如不同颜色的横向、纵向条纹、方块图案显示,并在这个过程分析理解行场同步及RGB的时序过程,从而理解HDL语言编程,了解可编程器件的实际应用过程。
6结语
通过以上分析和实际使用效果来看,我们所开发的嵌入式系统实验既能做到硬件电路简单化,又能充分展示嵌入式系统的特点和优势,比较适合本科生实验教学,而且可以两门课共用,进一步提高设备利用效率。
参考文献:
[1] 李坚强,王志强,薛丽萍. 基于CDIO模式的嵌入式系统教学研究与探讨[J]. 计算机教育,2010(12):122-123.
[2] 谢平. 浅谈嵌入式实验教学的改革[J]. 网络财富,2010(12):137.
[3] 裴金刚,熊栋栋. 基于ARM的嵌入式系统平台的构建[J]. 黑龙江科技信息,2010(17):64.
[4] 陈凯,邓明,张启升. 嵌入式系统课程实验开发研究[J]. 中国电子教育,2010(2):55-59.
[5] 周红波,詹芹. 嵌入式系统实验教学模式探讨与实施[J]. 硅谷,2010(11):88.
[6] 凌明,刘昊,时龙兴. 关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考[J]. 电气电子教学学报,2007(增刊1):94-96.
Study on Embedded System Courses Experiment
LIU Cong, CHI Xue-fen
(School of Communication Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin Province 130012, China)
Abstract: This paper analyzes the problems of current high-level and low-level embedded system experiment board, and to meet the actual needs of Embedded System experimental teaching for undergraduate, puts forward laboratory design guidelines, and a new circuit is designed to solve the problems of existing systems. Then it is extended to Programmable Logic Devices course experiment to solve the problems of that.