時(shí)間：2023-05-30 09:05:19
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇arm單片機(jī)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)驗(yàn)；Cortex-MOarm；8051單片機(jī)；LPCI100系列ARM
1 背景
Intel公司于1980年推出的8051系列單片機(jī)，奠定了嵌入式應(yīng)用的單片微型計(jì)算機(jī)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)，由于進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較早，學(xué)校單片機(jī)教學(xué)都是采用8051系列；加之Intel公司實(shí)施了805l的技術(shù)開放政策，ATMEL公司、PHILIPS公司著名的電子公司，以其在電子應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，著力發(fā)展8051單片機(jī)的控制功能及單元，形成了可滿足大量嵌入式應(yīng)用的單片機(jī)系列產(chǎn)品。直到現(xiàn)在，仍然有不少學(xué)校在單片機(jī)教學(xué)中采用8051系列。ARM公司自1990年成立以來(lái)，不斷推出各種ARM內(nèi)核，前幾年推出的都定位在高端市場(chǎng)；對(duì)于使用者，芯片、開發(fā)工具及開發(fā)平臺(tái)較貴，開發(fā)難度也較大；ARM公司在2005年收購(gòu)805l的最大工具開發(fā)商Keil，就為其進(jìn)入8/16位市場(chǎng)做準(zhǔn)備。2009年后，ARM公司推出了Cortex-MO ARM，它低功耗、高性能、代碼密度高，價(jià)格比其他8位單片機(jī)低，而且開發(fā)工具、平臺(tái)價(jià)格低，開發(fā)難度大大降低。可以說(shuō)，用Cortex-MO ARM代替8051單片機(jī)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，學(xué)校單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改變是實(shí)現(xiàn)代替的第一步。我們?cè)谑褂肅ortex-MO ARMLPCI 100教學(xué)過(guò)程中，把兩者性能及使用方法進(jìn)行了對(duì)比，在具體應(yīng)用上提出自己的看法，并做了有益的探索。
2 LPCI100系列ARM功能
ARM Cortex-MO處理器工作頻率50MHz，嵌套向量中斷控制器，可快速確定中斷，喚醒中斷控制器，支持優(yōu)先中斷自動(dòng)喚醒。具體包括3種節(jié)能模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電模式。內(nèi)存：最高128KB閃存，最高16KBSRAM。串行外設(shè)：UART支持分頻波特率產(chǎn)生、內(nèi)部FIFO和RS-485；SPI控制器，支持FIFO和多協(xié)議功能；12C總線接口，支持全速12C總線規(guī)范和增強(qiáng)型快速模式，數(shù)據(jù)速率高達(dá)1Mbit/s，支持多地址識(shí)別和監(jiān)控模式。模擬外設(shè)：8個(gè)通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)每秒250K個(gè)采樣。最高42個(gè)通用I/O（GPIO）管腳，具有可配置的上拉，下拉電阻和可配置的新型開漏工作模式。4個(gè)通用計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器，共4個(gè)捕獲輸入端和13個(gè)匹配輸出端。可編程看門狗定時(shí)器（WDT），帶鎖死功能；一個(gè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器；各個(gè)外設(shè)均自帶時(shí)鐘分頻器，有利于節(jié)能。
從上述性能可以看出，8051單片機(jī)具有的所有性能，LPCI100系列ARM都具有，而且增加了許多8051單片機(jī)沒(méi)有的功能。
2.1 LPCI100系列ARM與8051的性能對(duì)比
（1）指令長(zhǎng)度對(duì)比。指令的長(zhǎng)度和微處理器的位數(shù)無(wú)關(guān)，經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)LPCI100的指令長(zhǎng)度和8051單片機(jī)很相似，指令的密度非常大。
（2）處理器運(yùn)算能力對(duì)比。8051單片機(jī)雖然支持8位和16位數(shù)據(jù)，但是對(duì)于16位數(shù)據(jù)需要多次處理，增加了堆棧和中斷延遲；LPCI100處理器對(duì)長(zhǎng)整形的數(shù)據(jù)處理只需要極少的周期，并具有極佳的浮點(diǎn)處理能力，對(duì)于32位數(shù)據(jù)的傳輸也只需要很少的時(shí)鐘周期。
（3）處理性能對(duì)比。比較微處理器性能的一種常用的方法是使用Dhrystone基準(zhǔn)，它在微處理器中只占很小的內(nèi)存。比較的結(jié)果顯示，Cortex-MO性能遠(yuǎn)大于8051單片機(jī)。
（4）運(yùn)行模式及指令數(shù)量對(duì)比。8051單片機(jī)有一種運(yùn)行模式，Cortex-MO ARM也只有一種運(yùn)行模式，非常簡(jiǎn)單；8051單片機(jī)指令集為50條左右，Cortex-M0的指令集也僅有56條。
（5）代碼量對(duì)比。根據(jù)業(yè)界的CoreMark基準(zhǔn)，在多數(shù)常見微控制器任務(wù)中，基于Cortex-MO ARM微控制器的代碼需求量降低了40%-50%，代碼量已經(jīng)小于同等功能下8051的代碼量。這是因?yàn)?051所使用的指令并不全是8位的（8-24位），而Cortex-MO的指令位寬大部分是16位的；8051所要處理的數(shù)據(jù)也不總是8位的，而所有8位、16位和32位數(shù)據(jù)傳輸在Cortex-MO ARM中都是通過(guò)單一指令完成的；8051的尋址空間限制在64KB，雖然可以用分段方法擴(kuò)展，但這會(huì)帶來(lái)代碼的增長(zhǎng)，而Cortex-MO ARM尋址空間可達(dá)4GB，完全能滿足編制代碼要求。
（6）內(nèi)存訪問(wèn)效率對(duì)比。Cortex-MO ARM使用32位總線，減少了內(nèi)存訪問(wèn)所需次數(shù)，從而降低了功耗。對(duì)于在內(nèi)存中復(fù)制同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)，8位微處理器需要4倍的內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)和更多的取指，所以8位單片機(jī)需要消耗更多的功耗，才能達(dá)到同樣的目的。
（7）價(jià)格對(duì)比。隨著近年來(lái)制造工藝的不斷進(jìn)步，Cortex-MO ARM的成本也不斷降低，已經(jīng)與8位和16位微處理器處于同等水平。就LPCI100系列ARM而言，價(jià)格比許多8位單片機(jī)還低。
2.2 使用方式比較
用LPCI100系列ARM代替8051單片機(jī)，在使用方式上要相對(duì)簡(jiǎn)單。
（1）I/O端口。8051單片機(jī)I/O端口大多數(shù)沒(méi)有復(fù)用功能，使用相對(duì)簡(jiǎn)單。LPCI100系列ARM絕大部分I/O端口都有復(fù)用功能，可以設(shè)置為A/D輸入、總線等，默認(rèn)狀態(tài)為I/O端口。它共有4個(gè)通用I/O端口（如LPCI114 LQFP48共有42位I/O端口），通過(guò)GPIO配置寄存器設(shè)置不同功能；對(duì)于信號(hào)傳輸方向，通過(guò)寄存器設(shè)置，但一旦設(shè)置完成，正常使用就不煩瑣了。
（2）中斷。就中斷控制過(guò)程而言，805l單片機(jī)和LPCI100系列ARM類似，都是當(dāng)外設(shè)符合中斷條件時(shí)，中斷源會(huì)向處理器提出中斷請(qǐng)求，處理器開始響應(yīng)一個(gè)中斷，中斷控制器會(huì)自動(dòng)定位一張中斷向量表，根據(jù)中斷號(hào)從表中找到中斷服務(wù)程序（ISR）的入口地址并跳轉(zhuǎn)過(guò)去執(zhí)行。當(dāng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后，從堆棧中取出中斷前斷點(diǎn)的程序指針及數(shù)據(jù)，在斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。LPCI100系列ARM支持的中斷源多，且具有4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，8051單片機(jī)只有2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。
（3）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8051單片機(jī)具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，LPCI100系列ARM具有2個(gè)16位和2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都有一個(gè)相應(yīng)的輸入信號(hào)引腳和2-4個(gè)相應(yīng)的輸出信號(hào)引腳，具有定時(shí)、計(jì)數(shù)、輸入捕捉功能，并可以設(shè)置為脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式，用于電機(jī)控制。此外，LPCI100系列ARM還有兩個(gè)非常有用而8051單片機(jī)不具備的功能，就是系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器，其擁有專門的內(nèi)部時(shí)鐘與異常中斷向量，可為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供固定的時(shí)間間隔中斷；還有就是看門狗定時(shí)器（WDT）模塊用于對(duì)微處理器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
（4）通信部件。8051單片機(jī)的串行接口只有一個(gè)UART，而LPCI100系列ARM具有豐富的串行接口，一個(gè)UART還支持RS-485的9位模式和輸出使能，給一些分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用帶來(lái)了方便。除此之外，還具備SSP接口、12C接口，方便應(yīng)用時(shí)選擇。
（5）開發(fā)軟件。KEIL軟件是最普及的一種8051單片機(jī)編程環(huán)境，大多數(shù)8051單片機(jī)學(xué)習(xí)、開發(fā)人員都是采用KEIL進(jìn)行編程。在ARM公司收購(gòu)KEIL公司后，ARM公司結(jié)合自己的優(yōu)勢(shì)和KEIL的特點(diǎn)推出了新一代的ARM編譯平臺(tái)――RealView MDK。RealView MDK集成了許多先進(jìn)的技術(shù)，包括uVision4集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器，支持所有的ARM芯片，并且自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼、集成Flash燒寫模塊、強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬、性能分析、邏輯分析等，大大降低了初學(xué)者的門檻，而且所使用的uVision集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和開發(fā)使用ARM非常相似，在開發(fā)使用上都有著可以借鑒的地方。
3 教學(xué)案例
為了配合課堂教學(xué)需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了Cortex-MO LPCIl00系列ARM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要模塊有：ARM核心模塊（包括LPCIll4，復(fù)位控制芯片，SWD調(diào)試電路）；鍵盤、顯示模塊（一個(gè)4×4矩陣鍵盤，LCDl602液晶顯示器）；通訊接口模塊（包括RS232、RS485、12C和SPI等），8路A/D轉(zhuǎn)換輸入，配接8個(gè)電位器，實(shí)現(xiàn)A/D采集；一路PWM輸出，可以通過(guò)示波器觀察波形；帶光耦的4路開關(guān)量（輸入和輸出），4路繼電器控制（帶指示LED）。除了可以完成所有8051單片機(jī)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)外，還增加了A/D轉(zhuǎn)換、PWM控制、12C、SPI、WDT及功耗控制等實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)Cortex-M0 LPCI100系列ARM的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了下述分布式智能溫室采集控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案。在嵌入式應(yīng)用中，有一種形式比較普遍，就是數(shù)據(jù)采集（通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)），配以若干開關(guān)量輸入/輸出，并以上、下位機(jī)通過(guò)RS-485組成的分布式控制系統(tǒng)。這就是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的原型。
分布式智能溫室采集控制系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，如圖1所示。
（1）信號(hào)采集輸入部分：包括溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等環(huán)境因子的檢測(cè)。
（2）輸出及控制部分：控制風(fēng)機(jī)濕簾、遮陽(yáng)網(wǎng)、窗的開關(guān)等系統(tǒng)。
（3）LPCI114部分：包括信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理部分，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的量，由LPCI114進(jìn)行處理。灌溉控制，包括定時(shí)灌溉，時(shí)間由控制室調(diào)整制定，并可根據(jù)實(shí)際情況，在溫室內(nèi)進(jìn)行手動(dòng)控制灌溉。
（4）RS-485通訊部分：用于和上位機(jī)通訊，完成數(shù)據(jù)通訊、控制命令下達(dá)和遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置。
（5）LCD顯示和鍵盤部分：用于部分?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)視、溫度、濕度等上限和下限的參數(shù)設(shè)置。
我們用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述各部分硬件進(jìn)行對(duì)應(yīng)設(shè)置，用5個(gè)電位器代替溫度、濕度等模擬量，接到LPCI114A/D輸入，用3個(gè)繼電器代替風(fēng)機(jī)濕簾等的控制。
LPCI100系列ARM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)編制的程序主要是：定時(shí)采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)值，通過(guò)RS485傳到上位機(jī)（PC機(jī)）；通過(guò)采集到的各個(gè)數(shù)據(jù)和設(shè)定的上限和下限值進(jìn)行比較，控制對(duì)應(yīng)繼電器工作（可以通過(guò)配套LED觀察結(jié)果）；編制鍵盤、LCD程序；編制上位機(jī)（PC機(jī)）通訊、顯示程序。
4 結(jié)語(yǔ)
雖然LPCIl00系列ARM使用上比8051系列單片機(jī)煩瑣一些，這主要是因?yàn)長(zhǎng)PCIl00功能多，需要配置，但一旦配置完成，后面的使用中就不用再改動(dòng)了；還有就是各個(gè)功能部件（中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行接口等），控制寄存器的數(shù)量多于8051單片機(jī)，但也是一旦設(shè)置完成后，在后面的使用中，就和普通單片機(jī)差不多了。另外LPCIl00系列ARM的設(shè)計(jì)考慮了在應(yīng)用中的基本功能要求，對(duì)最常用的功能，如FO輸入輸出功能采用了默認(rèn)的形式，即不配置成其他功能，默認(rèn)成普通I/O口，這樣連開始的配置或設(shè)置都不需要了。
關(guān)鍵詞 組態(tài)王；ARM9；通訊協(xié)議；串口通信
中圖分類號(hào)TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）49-0235-01
0 引言
隨著工業(yè)自動(dòng)化要求提高，組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)逐步普及，開發(fā)的控制設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備之間需要通訊。組態(tài)王KingView軟件基于Microsoft Windows XP，NT/2000操作系統(tǒng)，具有友好的人機(jī)操作界面，可與各種PLC、智能儀表等實(shí)時(shí)通訊，但無(wú)法與自己開發(fā)的控制設(shè)備通信，ARM9作為高性能處理器經(jīng)常用來(lái)開發(fā)工控設(shè)備，所以實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與ARM9開發(fā)板的串口通信對(duì)工控設(shè)備開發(fā)十分必要。
1 組態(tài)王與ARM9開發(fā)板的串口通信方法
1.1 組態(tài)王支持的單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII）
本設(shè)計(jì)采用亞控公司的組態(tài)王中的單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII）實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信。亞控公司的組態(tài)王中的單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII）簡(jiǎn)介如下：
上位機(jī)發(fā)送讀命令：字頭-設(shè)備地址-標(biāo)志-數(shù)據(jù)地址-數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)-異或-CR
若正常下位機(jī)應(yīng)答：字頭-設(shè)備地址-數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)-數(shù)據(jù)-異或- CR
若不正常下位機(jī)應(yīng)答：字頭-設(shè)備地址-**-異或- CR
上位機(jī)發(fā)送寫命令：字頭-設(shè)備地址-標(biāo)志-數(shù)據(jù)地址-數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)-數(shù)據(jù)-異或- CR
若正常下位機(jī)應(yīng)答：字頭-設(shè)備地址-##-異或- CR
若不正常下位機(jī)應(yīng)答：字頭-設(shè)備地址-**-異或- CR
1.2 組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信方法
組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信采用亞控公司的組態(tài)王中的單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII）。組態(tài)王安裝在上位PC機(jī)上，組態(tài)王本身支持單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII），要實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信，其實(shí)任務(wù)就是在下位機(jī)ARM9開發(fā)板上設(shè)計(jì)下位機(jī)應(yīng)答程序和通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)，用下位機(jī)應(yīng)答程序和上位機(jī)（組態(tài)王）發(fā)送的讀寫命令通信，用ARM9設(shè)計(jì)的通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的存儲(chǔ)單元與組態(tài)王中定義的寄存器對(duì)應(yīng)。
2 組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信接口電路
上位PC機(jī)與下位單片機(jī)ARM9的串口通信硬件接口電路。上位PC機(jī)與下位機(jī)ARM9開發(fā)板本身都自帶串行通訊接口，但由于在分布式系統(tǒng)中上位機(jī)與各下位機(jī)的分布不集中，故采用RS-232轉(zhuǎn)RS-485進(jìn)行串口通信。RS-485最大傳輸距離為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，對(duì)干擾有較強(qiáng)的抑制能力。
3 ARM9開發(fā)板串口通信程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3.1 下位機(jī)ARM9通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)設(shè)計(jì)
下位機(jī)ARM9設(shè)計(jì)通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)，其目的是讓下位機(jī)通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的存儲(chǔ)單元與組態(tài)王中定義的寄存器對(duì)應(yīng)起來(lái)，為數(shù)據(jù)通信做好準(zhǔn)備。本設(shè)計(jì)在ARM9中定義64字節(jié)通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)（U8 X[64]），即數(shù)組邏輯地址從0-63共64個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元都可讀可寫，具體情況可由開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的需要來(lái)靈活決定。上位PC機(jī)組態(tài)王中定義寄存器格式Xdd，其中dd代表數(shù)據(jù)地址，此地址與本設(shè)計(jì)ARM9通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)存儲(chǔ)單元（數(shù)組X）的地址相對(duì)應(yīng)。
3.2 下位機(jī)ARM9串口通信程序設(shè)計(jì)
組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信程序設(shè)計(jì)具體思路。首先，在ARM9中設(shè)置串口通信數(shù)據(jù)緩存區(qū)（定義64字節(jié)緩存區(qū)：U8 X[64]）與組態(tài)王中定義的寄存器X相對(duì)應(yīng)；然后，讓ARM9開發(fā)板上的串口等待上位PC機(jī)（組態(tài)王）發(fā)送的讀寫命令，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生串口中斷，并執(zhí)行串口中斷處理程序。串口中斷處理程序功能：當(dāng)串口收到不是讀寫命令或收到讀寫命令的設(shè)備地址不是本下位機(jī)的地址時(shí)本下位機(jī)不作回應(yīng)，當(dāng)收到讀寫命令的設(shè)備地址是本下位機(jī)的地址時(shí)本下位機(jī)按照單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII）作出相應(yīng)的應(yīng)答。
完成組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信的串口中斷程序及中斷處理程序ARM _ ACK()的程序流程圖如下圖：
本文基于亞控公司的組態(tài)王中的單片機(jī)通訊協(xié)議（ASCII）實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與ARM9開發(fā)板串口通信的程序設(shè)計(jì)方法，已在TQ2440開發(fā)板上編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并成功與組態(tài)王正確通信。
4 結(jié)論
在工控中使用32位ARM處理器，是未來(lái)工業(yè)控制的發(fā)展方向，所以解決組態(tài)王等監(jiān)控軟件與ARM開發(fā)板串口通信對(duì)工控設(shè)備開發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞： 硬幣鑒別； ARM； 傳感器； AD9480
中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0114?03
Design of coin identification system based on ARM
WANG Juan， WU Hao， FU Cheng?wei， JING Ya
（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）
Abstract： In order to reduce the false coin circulation， a design of coin identification system based on ARM is presented in this paper. This is a composite testing system， in which capacitive sensor， electromagnetic sensor， eddy current sensor and optical sensor are used， to detect the material， thickness and diameter of coins. The signal acquisition circuit system is based on AD9480 to realize high?speed and efficient acquisition and processing of coin features. The processed feature data of coins is sent to STM32 to compare the data with true coin values to identify the detected coins. This system has a great market prospect.
Keywords： coin identification； ARM； sensor； AD9480
0 引 言
人民幣硬幣是由多種金屬材料合成而成，以一元硬幣為例，其中含鐵、碳、鎳等不同金屬，其中各種材料的比例多少是國(guó)家的機(jī)密。由于造假者并不了解真幣的各種材質(zhì)比例及制造工藝，只是在材質(zhì)、尺寸、質(zhì)量、圖案上進(jìn)行模仿，目前，對(duì)假硬幣進(jìn)行的鑒別方法主要有圖像對(duì)比法、稱質(zhì)量法和渦流傳感器檢測(cè)法。圖像法硬件成本高，不易做到實(shí)時(shí)性，稱重法片面，渦流傳感器對(duì)一些特定硬幣檢測(cè)的限制性等等。所以，設(shè)計(jì)出一種對(duì)國(guó)內(nèi)外多種硬幣材質(zhì)有效鑒別的系統(tǒng)，以電磁感應(yīng)原理，電容器原理及電子技術(shù)為硬件技術(shù)支持，以STM32單片機(jī)為核心的系統(tǒng)。文中介紹了系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是基于ARM 的硬幣鑒別系統(tǒng)，單片機(jī)采用ST公司的STM32F103VE型號(hào)，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制和對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理，并且提供報(bào)警等服務(wù)。由線性CCD組成的光學(xué)傳感器，硬幣經(jīng)過(guò)時(shí)，可以檢測(cè)其直徑。由兩個(gè)極板構(gòu)成的電容極板，硬幣的厚度會(huì)影響兩極板上的電容，進(jìn)而影響電壓的變化，電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)濾波和放大，通過(guò)AD9480采集到表征硬幣厚度的電壓值。電磁傳感器和渦流傳感器，因金屬材質(zhì)的不同會(huì)對(duì)傳感器的電感量大小產(chǎn)生影響，然后分別經(jīng)過(guò)頻率計(jì)和電壓比較器后，單片機(jī)采集其表征金屬材質(zhì)的頻率值。將AD9480和單片機(jī)采集所得到的4組值與存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)的真硬幣的特征值相比較，即可確定硬幣真假和種類。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 硬件檢測(cè)原理及方法
本文設(shè)計(jì)的硬幣鑒別系統(tǒng)有硬幣真?zhèn)舞b別、假幣報(bào)警、學(xué)習(xí)功能。以下將對(duì)此系統(tǒng)的工作原理，總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。
2.1 電磁傳感器
電磁傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
將線圈（圖2中紅色部分）接入諧振電路，當(dāng)硬幣（圖1中灰色部分）從線圈中間通過(guò)時(shí)，由于電磁感應(yīng)，影響線圈是Q值和L，公式如下：
[f=12πLC] （1）
[Q=ωLR] （2）
根據(jù)式（1）、式（2）可知，電感系數(shù)改變會(huì)改變自身的[Q]值和[L]值，由此得出頻率[f]，通過(guò)用單片機(jī)采集頻率，計(jì)算，對(duì)比即可通過(guò)材質(zhì)辨別硬幣的真假。電磁感應(yīng)原理如圖3所示。
圖1 系統(tǒng)框架
圖2 電磁傳感器結(jié)構(gòu)圖
圖3 電磁感應(yīng)原理圖
2.2 渦流傳感器測(cè)
使用兩側(cè)線圈產(chǎn)生特定高頻率電磁波，硬幣經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，可以檢測(cè)包絡(luò)覆蓋以及內(nèi)外圈不同金屬的硬幣。兩側(cè)線圈（圖4中兩端黑色部分）產(chǎn)生特定頻率的電磁波，硬幣經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，進(jìn)而影響線圈的的質(zhì)量因子，電感，阻抗等。原理如上，然后根據(jù)頻率的變化，經(jīng)過(guò)單片機(jī)采集，計(jì)算，對(duì)比即可通過(guò)材質(zhì)經(jīng)行真假硬幣和幣種的辨別。
2.3 電容傳感器測(cè)量厚度
利用平行板電容原理檢測(cè)硬幣厚度。圖5中硬幣兩側(cè)紅色部分為平行板金屬電極。
當(dāng)硬幣通過(guò)硬幣口進(jìn)人平行電容傳感器時(shí)（如圖5所示）會(huì)引起傳感器電容[Δd]的變化，由式（3）、式（4）可得相應(yīng)電容C1與C2的變化（C1為硬幣與上電容板的電容，C2為硬幣與下電容板的電容，d為間距），通過(guò)電容傳感器配用的交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。
[C1=εAd-Δd=C011-Δdd] （3）
[C2=εAd+Δd=C011+Δdd] （4）
[圖4 渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖5 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖]
其中變間隙式平行電容傳感器通過(guò)檢驗(yàn)硬幣的尺寸、厚度來(lái)辨別真?zhèn)危矌沤?jīng)過(guò)電容傳感器會(huì)引起電容的變化，經(jīng)交流電橋轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)見圖6。經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，可用單片機(jī)的A/D來(lái)采集，經(jīng)單片機(jī)的處理，在單片機(jī)中進(jìn)行真假幣判斷。
圖6 平行電容傳感器
2.4 光學(xué)傳感器
用光學(xué)傳感器測(cè)量直徑，直徑測(cè)量使用線陣CCD，使用高速AD9480采集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)基本可以實(shí)現(xiàn)0.1 mm精度測(cè)量，測(cè)量速度50 ms左右。
圖7中左側(cè)黑色部分為線陣CCD傳感器，右側(cè)為線性光源。
圖7 光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖
3 控制部分及數(shù)據(jù)分析
3.1 控制部分
單片機(jī)在初始化之后，系統(tǒng)選擇運(yùn)行模式（如圖8所示），若為學(xué)習(xí)模式，則進(jìn)入學(xué)習(xí)模式子程序（見圖9）。首先要判斷是否有硬幣進(jìn)入通道，如若沒(méi)有，繼續(xù)等待，若有真幣，則通過(guò)A/D采集傳感器轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的數(shù)值，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，將真幣特征值存入E2PROM，作為硬幣鑒別的標(biāo)準(zhǔn)特征值。
圖8 系統(tǒng)總體模式
圖9 單片機(jī)學(xué)習(xí)模式
若是工作模式，則進(jìn)入工作模式子程序，把經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換，A/D采集，單片機(jī)處理后的待測(cè)硬幣特征值與E2PROM中的標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行比較，來(lái)判定硬幣的真?zhèn)巍Ｈ绻郎y(cè)硬幣特征值的差值在預(yù)設(shè)的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)定待測(cè)硬幣為真，真幣數(shù)量加1。若待測(cè)硬幣特征值在預(yù)設(shè)的誤差范圍之外，繼續(xù)與E2PROM中的其他真幣特征值相比較，若果得到的特征值差值都在范圍外，則可斷定該幣為假幣，發(fā)出聲音報(bào)警，剔除假幣，等待新的硬幣檢測(cè)。如圖10所示。
3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析
不同面值的硬幣和同一面值得真假幣直徑、厚度、材質(zhì)等都有很大差別。利用本文所述的的硬幣鑒別系統(tǒng)對(duì)真幣進(jìn)行檢測(cè)，然后把表征硬幣特征的值存入E2PROM，應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行鑒別真假幣時(shí)，只需把待測(cè)硬幣的特征值與E2PROM中的真幣特征值比較即可。實(shí)驗(yàn)測(cè)試值如表1所示。
圖10 單片機(jī)工作模式
表1 幾種硬幣的檢測(cè)范圍及分析表
4 結(jié) 論
本文是以電磁傳感器和渦流傳感器為基礎(chǔ)，對(duì)硬幣進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，兩種傳感器可保證能夠?qū)賻诺牟馁|(zhì)如包絡(luò)，覆蓋等的形式進(jìn)行有效鑒別。本文應(yīng)用光學(xué)傳感器和電容傳感器有效檢測(cè)硬幣的直徑和厚度，可以進(jìn)一步鑒別硬幣和區(qū)分幣種。本文基于ARM的硬幣鑒別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制等功能，通過(guò)測(cè)試，運(yùn)行良好，有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
注：本文通訊作者為付成偉。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃祥龍，李中會(huì).一種基于solidworks的新型硬幣鑒偽分揀機(jī)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（11）：60?63.
[2] 劉藝柱，郭素娜.基于電渦流傳感器的硬幣識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：29?30.
[3] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.
[4] 呂冰，葉婷婷，趙劍鋒.基于電磁檢測(cè)技術(shù)的硬幣檢偽裝置[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（12）：80?82.
不過(guò)，MIPS科技公司這幾年也在尋求突破。Microchipx MlPS架構(gòu)的積極擁躉者之一，最近，Microchip的Edendur Kristjansson~ARM公司聲稱的32位單片機(jī)(MCU)應(yīng)用的可移植性產(chǎn)生了疑問(wèn)。
32位單片機(jī)的應(yīng)用可移植性：現(xiàn)實(shí)還是神話?
Erlendur首先介紹了事情的原委：2008年11月，ARM公司宣布推出Cortex微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)(Microcontroller Software InterfaceStandard，CMSIS)。ARM聲稱，對(duì)于新器件的軟件開發(fā)項(xiàng)目或?qū)F(xiàn)有軟件在不同芯片廠商的基于Cortex-M的單片機(jī)之間移植時(shí)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可降低軟件設(shè)計(jì)成本。這聽起來(lái)很不錯(cuò)，但事實(shí)確實(shí)如此嗎?
Erlendur分析道，根據(jù)ARM所言，CMSIS是“適用于Cortex-M處理器系列的與廠商無(wú)關(guān)的硬件抽象層。CMSIS為不同芯片廠商和中間件提供商的處理器提供了簡(jiǎn)單一致的軟件接口，這簡(jiǎn)化了軟件重用，縮短了開發(fā)人員對(duì)于新單片機(jī)(MCU)的學(xué)習(xí)過(guò)程以及新器件的上市時(shí)間。CMSIS的問(wèn)世使芯片廠商可將資源集中在突出其產(chǎn)品的外設(shè)功能上，無(wú)需在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí)保持各自不兼容的標(biāo)準(zhǔn)。”
可移植性的可能性探討
我們已了解各個(gè)單片機(jī)制造商都能提供什么，現(xiàn)在可以看一下抽象層能為設(shè)計(jì)人員做些什么(如果有的話)。首先，我們來(lái)看CMSIS聲稱所能提供的功能，同時(shí)應(yīng)記住前文所述的系統(tǒng)架構(gòu)、外設(shè)和固件庫(kù)。
CMSIS版本1.3
1.內(nèi)核外設(shè)訪問(wèn)層：包含用于訪問(wèn)內(nèi)核寄存器和外設(shè)的名稱定義、地址定義和輔助函數(shù)。它還定義了一個(gè)用于RTOs內(nèi)核的器件無(wú)關(guān)接口。其中包含調(diào)試通道定義。
2.這些軟件層由芯片合作伙伴通過(guò)以下方式進(jìn)行擴(kuò)展：
a)器件外設(shè)訪問(wèn)層，提供所有器件外設(shè)的定義：
b)用于外設(shè)的訪問(wèn)函數(shù)(可選)：提供用于外設(shè)的附加輔助函數(shù)。
仔細(xì)閱讀此說(shuō)明后，我們可以看到CMSIS提供了一種通用語(yǔ)言，通過(guò)它可描述MCU的不同元件。
接下來(lái)，我們看一下兩個(gè)不同的“芯片合作伙伴(使用ARM Cortex-M處理器內(nèi)核的MCU制造商)”所生產(chǎn)的MCU中包含的部分功能。
顯而易見的是，盡管這兩個(gè)32位MCU制造商都使用Cortex-M3內(nèi)核，但主要功能仍有區(qū)別。表l中列出的功能是單片機(jī)最標(biāo)準(zhǔn)的功能，即便如此它們?nèi)杂胁煌＿@意味著，即使這兩個(gè)制造商使用相同的內(nèi)核，也需要對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)整才能運(yùn)行最基本的程序，例如翻轉(zhuǎn)I／O或使用UART。如果不進(jìn)行一定程度的代碼重寫，而只是對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，則無(wú)法在A和B之間移植軟件。
另外，在表l的示例中，廠商A和B的單片機(jī)都使用了ARM Cortex-M3內(nèi)核，并且都具有符合CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的固件庫(kù)。這是否意味著他們的庫(kù)(例如電機(jī)控制庫(kù))可以互相移植?
其實(shí)不見得。這兩個(gè)制造商對(duì)外設(shè)和固件采用了完全不同的方法。廠商A使用專用算法庫(kù)(可能由多人經(jīng)過(guò)數(shù)年開發(fā)而成)來(lái)最高效地利用其單片機(jī)上的專用外設(shè)。而廠商B則專注于使用更通用的外設(shè)并構(gòu)建通用外設(shè)庫(kù)，對(duì)于特定應(yīng)用則使用示例代碼和應(yīng)用筆記進(jìn)行說(shuō)明。
這兩種完全不同的方法使得在這兩個(gè)制造商的MCU之間移植程序(例如電機(jī)控制子程序)非常困難，盡管它們使用了相同的內(nèi)核。此外，庫(kù)函數(shù)的命名也不相同，這意味著用戶必須重寫代碼中的所有庫(kù)函數(shù)調(diào)用，并且要弄清將哪些變量和值提交給函數(shù)。這完全不是所謂的可移植性。
再有，設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)是開發(fā)特定最終用途代碼時(shí)的速度、效率和可靠性。廠商A和B采用不同的方法來(lái)達(dá)到這些目標(biāo)。廠商A使用基于專用硬件的方法，而廠商B的法更加專注于通用硬件。廠商A針對(duì)特定應(yīng)用提供了經(jīng)過(guò)潛心開發(fā)的專用庫(kù)，以最大限度地利用其單片機(jī)的功能。而廠商B只提供基本構(gòu)件，讓開發(fā)人員構(gòu)建自己的解決方案。
筆者認(rèn)為，如果真像Microchip所說(shuō)的32位單片機(jī)的應(yīng)用難以移植，那ARM陣營(yíng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)打一定的折扣。如果單挑，Microchip所選的MIPS公司的內(nèi)核，在計(jì)算性能也是有優(yōu)勢(shì)的。
MIPS公司對(duì)其IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))核功耗高的錯(cuò)覺進(jìn)行了澄清。MIPS公司中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)費(fèi)浙平稱，最近，全球第一款MIPS智能手機(jī)平臺(tái)來(lái)自于中國(guó)的客戶――北京君正，這用事實(shí)證明YMIPS架構(gòu)的高性能、低功耗能力。
那么如何理解高性能、低功耗，MIPS公司在這方面的創(chuàng)新是什么?費(fèi)浙平說(shuō)，高性能和低功耗是必須放在一起考量的一對(duì)指標(biāo)。歷史上MIPs一直被比較多地應(yīng)用于高性能領(lǐng)域，比如15年前多數(shù)MIPS平臺(tái)就運(yùn)行在100～200MHz以上，而那時(shí)候很多其他架構(gòu)只需要運(yùn)行在50MHz以下，顯然，200MHz的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其絕對(duì)功耗是遠(yuǎn)大于50MHz設(shè)計(jì)的，不管其結(jié)構(gòu)體系本身多么有優(yōu)勢(shì)。
多年來(lái)，MIPS比較多地被應(yīng)用于絕對(duì)性能要求較高的地方，這就是關(guān)于
地緣優(yōu)勢(shì)：反應(yīng)速度+服務(wù)支持
本土公司的最大優(yōu)勢(shì)是反應(yīng)快。從新產(chǎn)品的定義、設(shè)計(jì)到制造較為迅速，這對(duì)新興市場(chǎng)的快速進(jìn)入尤其有利。
另外，在服務(wù)支持方面，有些技術(shù)問(wèn)題不是在實(shí)驗(yàn)室里就可以預(yù)測(cè)到的，但通常來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)客戶很難與海外的芯片設(shè)計(jì)人員直接溝通，來(lái)解決系統(tǒng)層面的問(wèn)題。而本土芯片設(shè)計(jì)人員可以和客戶密切合作、共同開發(fā)、甚至可以深入現(xiàn)場(chǎng)一一鉆入深山老林、爬到電線桿上去觀察和解決客戶在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)生的問(wèn)題。
核心技術(shù)有突破
談起單片機(jī)銷售，歸根結(jié)底取決于性價(jià)比好的產(chǎn)品，例如抗干擾性、低功耗、低成本等指標(biāo)。
力爭(zhēng)在技術(shù)上做出特色的上海海爾集成電路，定位是工業(yè)級(jí)高抗干擾、高可靠的8位通用及專用MCU。
上海海爾集成電路的第一個(gè)客戶就是海爾集團(tuán)，而海爾集團(tuán)的白色家電對(duì)抗干擾性要求苛刻，尤其在洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等電器內(nèi)部都有大型馬達(dá)／壓縮機(jī)，要求內(nèi)部芯片在干擾很高的條件下仍能正常工作。
抗干擾是個(gè)世界性的難題，這也是很多MCU廠家很難涉足白電的原因。為攻破此難關(guān)，上海海爾集成電路針對(duì)海爾集團(tuán)的產(chǎn)品反復(fù)試驗(yàn)，研發(fā)了多年，因而積累了豐富的設(shè)計(jì)與工藝經(jīng)驗(yàn)。
專用、通用相結(jié)合
縱觀市面上的單片機(jī)公司，通常分為通用和專用兩大陣營(yíng)。一般日系做專用的較多，例如瞄準(zhǔn)家電、電動(dòng)車、電表等市場(chǎng)做專門的研發(fā)及推廣；歐美系則通用型產(chǎn)品居多，特點(diǎn)是能夠提供較為方便的開發(fā)環(huán)境，易于客戶在多種應(yīng)用中使用。
上海海爾集成電路的策略是通用與專用結(jié)合：開始以通用型產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)：后續(xù)如果市場(chǎng)有足夠的吸引力，就能快速進(jìn)入專用型產(chǎn)品的定義、研發(fā)和推廣。
專用型的難點(diǎn)在于定位準(zhǔn)確。因?yàn)樽罱K芯片可能要經(jīng)過(guò)一兩年才出來(lái)，到時(shí)預(yù)定的市場(chǎng)是否會(huì)發(fā)生變化?另外，IC廠家還需要跟系統(tǒng)廠商聯(lián)系得非常密切。
依托系統(tǒng)廠商
我國(guó)IC專家的共識(shí)是：中國(guó)本土芯片企業(yè)容易在三個(gè)方面取得突破，1.滿足中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)的興起：2.有大量需求的市場(chǎng)規(guī)模的快速形成：3.配合系統(tǒng)廠商的IC設(shè)計(jì)需求。這第三點(diǎn)，也正是上海海爾集成電路具有的先天優(yōu)勢(shì)之――依托海爾集團(tuán)。
上海海爾集成電路自2000年成立，首要的客戶就是海爾集團(tuán)。海爾集團(tuán)作為投資方之一，在產(chǎn)品研發(fā)方面給與了大力支持。憑借集團(tuán)的支持和產(chǎn)品應(yīng)用的成功，上海海爾集成電路打開了國(guó)內(nèi)白電、小家電、電表、工業(yè)控制、汽車電子等MCU市場(chǎng)。目前，該公司欲把銷售渠道在國(guó)內(nèi)廣泛鋪開。
8位單片機(jī)將與ARM Cortex-MO備領(lǐng)
現(xiàn)在一些MCU供應(yīng)商推出了基于ARM Cortex-M0核的32位芯片，進(jìn)軍傳統(tǒng)8位MCU市場(chǎng)。作為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RISC架構(gòu)廠商，上海海爾集成電路堅(jiān)信8位MCU還是有自己的一片天地的。唐群分析道，之所以很多企業(yè)定位跟ARM綁定，原因是ARM陣營(yíng)可以提供眾多的Library(庫(kù))的支持：另外，很多廠商認(rèn)為8位MCU的利潤(rùn)越來(lái)越薄，因此往ARM轉(zhuǎn)，以此減少研發(fā)費(fèi)用；不過(guò)，通用型Mo Mcu的RoM常規(guī)下要做得較大，而實(shí)際上有些應(yīng)用不見得有這種需要：基于ARM核對(duì)MCU供應(yīng)商來(lái)說(shuō)也需要支付一定的版稅。因此，如同到目前為止，8位Mcu不能完全覆蓋4位單片機(jī)市場(chǎng)一樣，M0也不可能完全覆蓋8位單片機(jī)市場(chǎng)。
十年磨一劍
上海海爾集成電路是本土MCU廠商中，唯一一家做MCU產(chǎn)品及完整支持工具的專業(yè)企業(yè)，從仿真器、編程器、一直到軟件集成開發(fā)環(huán)境、c編譯器等。
【關(guān)鍵詞】ARM9 點(diǎn)陣顯示屏 SD卡
LED顯示屏是近幾年全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體，它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素組成大面積顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、價(jià)格性能比高、使用成本低等特點(diǎn)，在短短的十來(lái)年中，迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 本論文以ARM9高性能單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)電子點(diǎn)陣顯示屏的硬件系統(tǒng)。
一、電子點(diǎn)陣顯示屏的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示
圖1 電子點(diǎn)陣顯示屏硬件系統(tǒng)框圖
二、采用16個(gè)LED8*8顯示屏，構(gòu)成16行*64列點(diǎn)陣顯示
點(diǎn)陣顯示屏由16個(gè)8×8點(diǎn)陣LED顯示模塊。16片8×8點(diǎn)陣LED顯示模塊利用總線形組成一個(gè)16×64的LED點(diǎn)陣，用于同時(shí)顯示4個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字或8個(gè)16×8點(diǎn)陣的字母p字符或數(shù)字。單元顯示屏可以接收來(lái)自控制器（主控制電路板）或上一級(jí)顯示單元模塊傳輸下來(lái)的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級(jí)顯示模塊單元中，因此顯示板可擴(kuò)展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。
三、顯示驅(qū)動(dòng)電路
采用74HC138三-八譯碼器和74HC164移位寄存器。將從ARM里出來(lái)的列信號(hào)通過(guò)8個(gè)164級(jí)聯(lián)而成的64位的信號(hào)輸出端連接到16*64的點(diǎn)陣LED的輸入端，作為點(diǎn)陣的行驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)164移位這64位的信號(hào)，來(lái)控制顯示內(nèi)容的變化。再?gòu)腁RM輸出三個(gè)信號(hào)分別輸入到2個(gè)級(jí)聯(lián)的74HC138譯碼器，然后輸出16位行信號(hào)，經(jīng)過(guò)16個(gè)1K的電阻，再輸入到16個(gè)PNP（8550）三極管的B極來(lái)進(jìn)行對(duì)行信號(hào)的放大，其中所有的三極管的E極相連接+5V的電源，所有的C極接16個(gè)470歐姆的電阻，得到的信號(hào)作為點(diǎn)陣LED 的行輸入信號(hào)。通過(guò)對(duì)138的三個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，改變行信號(hào)。由138和164的信號(hào)，控制二極管的亮、滅來(lái)顯示出所要求的字符、漢字。
行驅(qū)動(dòng)電路：每個(gè)LED管亮需要7mA的電流，那么64個(gè)同時(shí)亮就需要448mA的電流，所以我們要對(duì)列進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，我們采用晶體管8550對(duì)列信號(hào)進(jìn)行放大。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示：
圖2 點(diǎn)陣顯示屏驅(qū)動(dòng)電路
列驅(qū)動(dòng)電路：此電路是由集成電路74HC164構(gòu)成的，它具有一個(gè)8位串入并出的移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。如圖3所示：
圖3 列驅(qū)動(dòng)電路
四、總結(jié)
本論文完成了LED點(diǎn)陣電子顯示屏的主要電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用SD卡的擴(kuò)展，是存儲(chǔ)容量大大的增大，實(shí)現(xiàn)了海量存儲(chǔ)，并具有掉電保護(hù)功能。通過(guò)和PC機(jī)的通訊，使顯示的信息能實(shí)時(shí)的更新。也實(shí)現(xiàn)了顯示屏的多字體顯示。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，可靠性高，性能穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
[1]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.
1、功能簡(jiǎn)介
為減少竊電造成的經(jīng)濟(jì)損失，特研制多用戶監(jiān)控終端。多用戶監(jiān)控終端可以同時(shí)監(jiān)控16個(gè)單相居民用戶的用電情況，由計(jì)量模塊、采集模塊、控制模塊、顯示與銨鍵板、GSM模塊、箱體等組成。多用戶監(jiān)控終端做成箱體結(jié)構(gòu)，把計(jì)量模塊、采集模塊、繼電器控制模塊、主控單元和GSM通信單元全部裝進(jìn)一個(gè)箱體中，每一路的計(jì)量模塊、采集模塊、控制模塊做到一個(gè)板子上（分控單元板），分控單元板與主控單元板采用插接方式進(jìn)行連接。
2、整體功能實(shí)現(xiàn)
計(jì)量模塊與電能表同時(shí)接入用電線路，同時(shí)計(jì)量電能。計(jì)量模塊包括是一塊SH15單相電工表。脈沖采集模塊通過(guò)脈沖線與電能表相連接，通過(guò)計(jì)讀脈沖來(lái)計(jì)讀電能表的電量。計(jì)量模塊通過(guò)RS485接口與多用戶表通信，抄讀多用戶表的電量數(shù)據(jù)。抄讀數(shù)據(jù)時(shí)每15分鐘為一個(gè)時(shí)間段，把15分鐘內(nèi)的脈沖電能數(shù)據(jù)與RS485電能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如果誤差超出了指定范圍，則認(rèn)為該表可能有問(wèn)題。對(duì)于有問(wèn)題的電能表可以讓主控單元通過(guò)GSM模塊把提示短信發(fā)送給相關(guān)電力員工手機(jī)，也可以根據(jù)設(shè)定對(duì)用戶進(jìn)行斷電操作。
2.1分控單元設(shè)計(jì)
把每一路的計(jì)量模塊、控制模塊、脈沖采集模塊合成到一塊印制板上，即為分控單元。每個(gè)分控單元上有一個(gè)單獨(dú)的CPU進(jìn)行獨(dú)立工作，獨(dú)立控制計(jì)量模塊、控制模塊和脈沖采集模塊。分控單元上的CPU暫時(shí)選用ST系列的ARM-Corte-M3單片機(jī)STM32F103CB。該型號(hào)ST系列的ARM單片機(jī)上至少有一路UART串口外設(shè)，用于RS485通信；至少有一個(gè)I2C總線接口，用于和主控單元通信；至少有兩路外部中斷，用于脈沖電能采集。同時(shí)分控單元上還要有一個(gè)功率繼電器用來(lái)切換用戶供電。
2.2主控單元設(shè)計(jì)
主控單元板上設(shè)有16路插槽，用于插接分控單元板，它們之間采用插接方式連接，主控單元與16路分控單元采用I2C總線通信。主控單元板由于工作任務(wù)較多，選用一款性能比較高的CPU，選用ARM-Core-M3系列的STM32F103VB，ARM Cortex系列單片機(jī)，其擁有72M的處理速度，四路UART串行通信口，還具有I2C，SPI總線控制器。主控單元與GSM模塊通信采用UART串行通信。
2.3GSM通信模塊
GSM通信模塊初步選用中興公司的MT3000通信模塊，其支持電話、短信、GPRS等通信功能，我們僅采用其中的短信通信功能。GSM模塊內(nèi)部可以插一張手機(jī)SIM卡，擁有一個(gè)手機(jī)的全部功能。GSM模塊主要用于給電力員工手機(jī)發(fā)送提示短信，同時(shí)也可以讓員工手機(jī)給多用戶監(jiān)控終端發(fā)送短信進(jìn)行相關(guān)操作。
3、項(xiàng)目進(jìn)度
3.1方案設(shè)計(jì)階段
主要產(chǎn)生文件：
1、主控板技術(shù)方案及功能明細(xì)。
2、分控板技術(shù)方案及功能明細(xì)。
3、多用戶監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)功能明細(xì)。
3.2技術(shù)設(shè)計(jì)階段
3.2.1初步設(shè)計(jì)主要產(chǎn)生文件：
1、新購(gòu)元器件清單，由供應(yīng)部采購(gòu)。
2、總控板、分控板、顯示板、計(jì)算機(jī)軟件之間的大概通信協(xié)議。
3、程序設(shè)計(jì)大綱。
3.2.2硬件設(shè)計(jì)：
1、繪制總控板、分控板、顯示板的原理圖。
2、繪制總控板、分控板、顯示板的PCB印制板圖。
3、繪制總控板、分控板、顯示板的焊裝圖和焊裝明細(xì)。
3.2.3電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：編寫各模塊配線圖、編寫箱體總體配線圖、相關(guān)機(jī)箱和面板的設(shè)計(jì)。
3.2.4單片機(jī)程序設(shè)計(jì)：總控板源代碼、分控板源代碼、顯示板源代碼。
4、生產(chǎn)與裝配
中圖分類號(hào):TN911-33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2010)18-0021-04
Design of Wireless Acquisition System for EEG Signal
XIE Hong, GE Qi-qi, YAO Nan, DONG Yao-hua
(Institute of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)
Abstract: The design scheme of a wearable wireless acquisition system for EEG signal is introduced. A 16-bit MSP430F169 MCU is adopted in the system controller, in which 12-bit ADC is used to aquire the amplified and filtered EEG signal. The acqired EEG signal data of the 16 channels is writen to the register of CC2500 via SPI and then emitted. When the receiver obtains the data, the data from the receiver register of CC2500 is read out by MCU. Finally the data is sent to computer by UART through USB for display and further processing. This system has the advantage of low power consumption and is portable.Keywords: EEG; CC2500; UART; system controller
0 引 言
疲勞駕駛是造成很多惡通事故的主要因素,因此人們研究探索通過(guò)監(jiān)測(cè)駕駛員的身體和生理狀態(tài)來(lái)識(shí)別駕駛員是否疲勞駕駛,如眼動(dòng)信息、頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。近年來(lái),基于腦電信號(hào)識(shí)別駕駛員警覺度狀態(tài)已經(jīng)成為一種研究熱點(diǎn)[1-2],而駕駛員可穿戴式腦電信號(hào)采集裝置是其必要的保障。腦電信號(hào)采集系統(tǒng)主要由/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微控制器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠謽?gòu)成。其中微控制器的實(shí)現(xiàn)一般有4種方案:如文獻(xiàn)[3]中采用單片機(jī)把采集到的模擬腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并通過(guò)RS 232接口傳給計(jì)算機(jī),該方法一般用于低端的不要求太高數(shù)據(jù)處理能力的采集中,成本較低;文獻(xiàn)[4]采用DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片,將A/D轉(zhuǎn)換后的腦電信號(hào)進(jìn)行DSP預(yù)處理(數(shù)字濾波),再通過(guò)PC的并口與DSP的HPI的口互聯(lián),主要利用了其在數(shù)據(jù)分析中的快速處理能力;文獻(xiàn)[5]采用ARM作為處理器,ARM中移入了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng),并移植了Hanning濾波器以抑制50 Hz工頻干擾,利用ARM對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與分析顯示;文獻(xiàn)[6]采用FPGA,利用其內(nèi)部豐富的邏輯資源控制A/D采集、FIR濾波、液晶的顯示及USB與PC的數(shù)據(jù)傳輸。以上文獻(xiàn)中的方案都為有線傳輸,且DSP和FPGA芯片成本高功耗大。文獻(xiàn)[7]中采用藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了可穿戴腦電信號(hào)采集與傳輸,藍(lán)牙技術(shù)目前成本較高,適宜近距離傳輸。
本文針對(duì)駕駛員可穿戴式腦電信號(hào)采集設(shè)備的應(yīng)用背景,提出基于MSP430單片機(jī)和CC2500的腦電信號(hào)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,在保證系統(tǒng)性能的條件下最大限度地降低功耗。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)主要由3部分組成:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。其中數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理采用業(yè)界公認(rèn)的微功耗控制器MSP430系列單片機(jī);數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線收發(fā)模塊CC2500,其由MSP430單片機(jī)通過(guò)SPI口控制其初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收;接收的腦電數(shù)據(jù)由單片機(jī)通過(guò)UART轉(zhuǎn)USB芯片傳輸給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器做上層處理。具體系統(tǒng)組成如圖1所示。
1.2 放大濾波模塊
本文的腦電信號(hào)放大器原理圖如圖2所示。
本文中的前置放大器采用BB公司的INA118,這是一款專門用于生物信號(hào)采集用的集成儀表放大器,具有很高的精度;高通濾波采用傳統(tǒng)的阻容濾波,截止頻率為0.16 Hz;后級(jí)放大電路中的放大器采用通用集成運(yùn)算放大器AD8606;低通濾波采用八階Bessel開關(guān)電容濾波芯片MAX7405,截止頻率設(shè)為500 Hz。系統(tǒng)采用3 V的單電源供電,由于極化電壓的存在,每級(jí)放大倍數(shù)不能太高,且后級(jí)放大分為相同的兩級(jí)放大,總放大倍數(shù)為38×20×20,可以將微伏級(jí)的腦電信號(hào)放大到伏級(jí),滿足后級(jí)A/D采樣中對(duì)輸入信號(hào)幅度的要求。
圖1 系統(tǒng)框圖
圖2 腦電放大器原理圖
1.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用的控制器是德州儀器公司推出的低功耗、高集成度的16位單片機(jī)MSP430F169[8-9],供電電壓范圍為1.8～3.6 V。MSP430F169具有豐富的外設(shè),片內(nèi)包括3個(gè)時(shí)鐘信號(hào),即1個(gè)高頻時(shí)鐘、1個(gè)低頻時(shí)鐘和1個(gè)DCO,靈活地使用系統(tǒng)時(shí)鐘可以大大降低系統(tǒng)的功耗,方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外還有2 KB的RAM、60 KB的FLASH、8通道采樣率為200 KS/s的12位A/D轉(zhuǎn)換器、3個(gè)內(nèi)部DMA控制器、硬件乘法器、兩個(gè)帶有捕獲計(jì)時(shí)寄存器的16位定時(shí)器、48個(gè)可復(fù)用I/O引腳和兩個(gè)通用同步/異步串行通訊口。芯片內(nèi)帶有JTAG調(diào)試接口,無(wú)需仿真器和編程器,方便設(shè)計(jì)人員的開發(fā)調(diào)試。單片機(jī)的A/D采樣部分使用3片模擬開關(guān)4053將8路擴(kuò)為16路,原理圖如圖3所示。腦電信號(hào)幅度在-100～+100 μV之間,MSP430F169單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器為12位,考慮到A/D轉(zhuǎn)換后┝轎華會(huì)有不穩(wěn)定的因素,系統(tǒng)的精確度仍能達(dá)到0.2 μV,這足以滿足后期的警覺度特征提取。
1.4 無(wú)線傳輸模塊
無(wú)線模塊采用TI公司的CC2500[10-11]芯片,它是┮豢瞠超低功耗、低成本的無(wú)線收發(fā)模塊,工作在2.4 GHz全球開放ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段,滿足多信道通信和跳頻通信需要,支持多種調(diào)制方式,包括FSK,GFSK,OOK和MSK,最高傳輸速率可達(dá)500 Kb/s。工作電壓為1.9～3.6 V(與430單片機(jī)通過(guò)SPI口相連時(shí)無(wú)需電平轉(zhuǎn)換),元件極少,內(nèi)置硬件CRC和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。主要的工作參數(shù)大都可以由設(shè)計(jì)者通過(guò)芯片狀態(tài)字自行配置,沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議,同種產(chǎn)品間可自由通信。所以,CC2500是┮豢瞠低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片,具有體積小、功耗少、元件少等優(yōu)點(diǎn)。
圖3 A/D部分連接原理圖
CC2500模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口與MSP430單片機(jī)相連;SI,SO為CC2500的數(shù)據(jù)輸入/輸出端口;SCLK作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綍r(shí)鐘;CSn為片選信號(hào),低電平芯片工作;還有2個(gè)通用輸出口GDO0和GDO2用來(lái)輔助CC2500實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。CC2500模塊部分電路如圖4所示。
圖4 CC2500模塊部分
腦電信號(hào)頻率范圍在0.5～100 Hz間,設(shè)計(jì)采樣頻率為500 Hz,共16通道,則要求傳輸速率:16×500×16 b/s=128 Kb/s,遠(yuǎn)小于CC2500最高傳輸速率500 Kb/s。
1.5 USB傳輸模塊
USB接口芯片采用的是TI公司的TUSB3410[12-13],包括通過(guò)USB總線與主機(jī)通信所需要的全部邏輯電路。內(nèi)部包含一個(gè)8052微控制器、16 KB RAM、I2C引導(dǎo)加載程序的10 KB ROM,4個(gè)通用I/O口,具有USB總線供電和自帶電源2種┕┑紿模式。該芯片符合通用串行總線USB 2.0規(guī)范,支持12 Mb/s的數(shù)據(jù)速率,是一款高性能的USB接口器件。TUSB3410與MSP430F169的連接原理圖如圖5所示。
圖5 TUSB3410與MSP430F169連接電路
本文使用USB總線供電模式,TUSB3410(U2)的USB數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)雙路USB端口瞬態(tài)抵制器SN75240(U3)后連接到標(biāo)準(zhǔn)的USB B型口,以此增強(qiáng)系統(tǒng)ESD抗干擾能力;USB總線提供的5 V電壓經(jīng)TPS77301(U4)3.6 V LDO穩(wěn)壓后為系統(tǒng)供電。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)中,程序設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序、USB驅(qū)動(dòng)程序和PC機(jī)應(yīng)用程序。考慮到該腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的處理器負(fù)擔(dān)不重,主要就是A/D采樣、發(fā)送端和接收端程序及與上位機(jī)的通信,兼顧程序的易讀性、可移植性,采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。開發(fā)軟件使用IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench嵌入式工作臺(tái)以及調(diào)試器C-SPY,使用非常方便[14-15]。單片機(jī)程序流程如圖6所示。
圖6 單片機(jī)程序流程圖
MSP430中ADC12模塊采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式,通過(guò)定時(shí)器A來(lái)控制采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換序列中最后一個(gè)通道對(duì)應(yīng)的中斷允許位置位,序列通道完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)將自動(dòng)產(chǎn)生中斷標(biāo)志,從而進(jìn)入中斷服務(wù)子程序,以此來(lái)完成多通道的信號(hào)采集。
在發(fā)送端,單片機(jī)通過(guò)SPI口來(lái)初始化CC2500的發(fā)射頻率、波段、發(fā)射功率、地址碼、地址位數(shù)、數(shù)據(jù)位數(shù)及收發(fā)模式等。在一個(gè)采用周期內(nèi),當(dāng)ADC采集完16路腦電信號(hào),單片機(jī)將ADC采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI寫入CC2500的發(fā)射寄存器,開啟CC2500的發(fā)射模式,CC2500將自動(dòng)給要發(fā)射的數(shù)據(jù)加上前導(dǎo)碼和校驗(yàn)位,并和地址碼一起發(fā)送出去,而后單片機(jī)進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。
在接收端,單片機(jī)同樣配置CC2500,然后開啟CC2500為接收狀態(tài),一旦接收到數(shù)據(jù)包,GDO0就產(chǎn)生一個(gè)中斷給單片機(jī),單片機(jī)便通過(guò)SPI口讀取CC2500接收寄存器的數(shù)據(jù),并通過(guò)UART將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)電腦,然后等待接收下一組數(shù)據(jù)。
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)建立上位機(jī)電腦與接收端單片機(jī)的聯(lián)系,將從單片機(jī)UART口得到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳到電腦上。USB的驅(qū)動(dòng)程序可在網(wǎng)上()下載到。
上位機(jī)電腦的應(yīng)用程序是在VC 6.0[16]環(huán)境下開發(fā)的,主要完成對(duì)采集的腦電數(shù)據(jù)顯示,也可以為以后是數(shù)據(jù)分析處理做準(zhǔn)備。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文以低功耗、低成本的CC2500射頻收發(fā)芯片為傳輸模塊,結(jié)合低功耗、高集成度的MSP430F169單片機(jī)作為控制器,設(shè)計(jì)了一套可穿戴式、低功耗、多通道的實(shí)時(shí)腦電信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng),采集的精度、速度及系統(tǒng)的可靠性能夠滿足要求。
參考文獻(xiàn)
[1]LIN Chin-teng. Development of wireless brain computer interface with embedded multitask scheduling and its application on real-time driver′s drowsiness detection and warning[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2008, 55(5): 1582-1591.
[2]傅佳偉.基于EEG的警覺度分析與估計(jì)研究綜述[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2009,28(4):589-596.
[3]李志偉.數(shù)字腦電儀信號(hào)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州:蘇州大學(xué),2005.
[4]江洪.基于DSP的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽大學(xué),2005.
[5]鐘文華.基于ARM的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)[J].國(guó)外電子元器件,2008(2):13-15.
[6]侯俊欽.基于FPGA的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽大學(xué),2007.
[7]GAU Shir-cheng. Development of dual-core processor based real-time wireless embedded brain signal acquisition/processing system and its application on driver′s drowsiness estimation[D]. 新竹:國(guó)立交通大學(xué),2005.
[8]胡大可.MSP430系列16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.
[9]胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.
[10]Texas Instsuments. Low-cost low-power 2.4 GHz RF transceiver[EB/OL].[2009-05-19]..cn.
[11]Texas Instsuments. CC2500 Errata Notes[EB/OL].[2006-05-23]..cn.
[12]Texas Instsuments. MSP430 USB connectivity using TUSB3410[M]. USA: Texas Instruments, 2006.
[13]Texas Instsuments. TUSB3410 USB to serial port controller data manual[M]. USA: Texas Instruments, 2002.
[14]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 特殊信號(hào)
中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0037-02
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史較為悠久，近年來(lái)，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品層出不窮。根據(jù)不同的采集信號(hào)，有不同的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。雷達(dá)接口信號(hào)采集系統(tǒng)由于待采集信號(hào)的復(fù)雜性和未知性，其設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。
1 數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品現(xiàn)狀
一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)按照其總線的不同而分類。常用的總線有以下幾種：ISA、PCI、USB、PC104、CAN。
其中USB總線的產(chǎn)品憑借其極高的傳輸速率和便攜性，在市場(chǎng)上占有重要的地位。
USB總線便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理一般比較簡(jiǎn)單，一種比較典型的設(shè)計(jì)是，設(shè)計(jì)者使用Cypress公司的USB2.0控制器CY7C68013來(lái)控制Maxim公司的MAX1312采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。這樣把由MAX1312采集的數(shù)據(jù)直接通過(guò)USB控制器向上位機(jī)發(fā)送。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集功能，不具備功能擴(kuò)展性。
2 基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)狀
近年來(lái)，不少人投入到基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究開發(fā)中，開發(fā)的成果也相當(dāng)豐富。
按照是否使用ARM將基于嵌入式開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為非基于ARM和基于ARM兩類。
2.1 非基于ARM嵌入式平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
非ARM嵌入式平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都采用單片機(jī)作為其控制核心。結(jié)構(gòu)一般包括選路控制器、AD轉(zhuǎn)換、單片機(jī)等幾個(gè)部分。
不使用ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其功能受到單片機(jī)功能的限制，采樣速率有限，存儲(chǔ)空間較小，不能滿足高速大容量采樣的需求，更不可能在儀器上運(yùn)行分析軟件，從而擺脫電腦獨(dú)立工作。某些基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也只能完成最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集功能，而沒(méi)有進(jìn)行特殊應(yīng)用的擴(kuò)展，其功能甚至不如某些公司非嵌入式系統(tǒng)的USB采集卡。
2.2 基于ARM的嵌入式平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
ARM系列微處理器功耗低、性能優(yōu)于單片機(jī)，是便攜式設(shè)備理想的選擇，所以ARM越來(lái)越多的被應(yīng)用到便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
由于ARM功能強(qiáng)大，能支持一些高級(jí)的應(yīng)用，所以很多情況下，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的針對(duì)性。它們往往是針對(duì)一種專門的對(duì)象，提供相關(guān)的應(yīng)用功能。
目前基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集中已經(jīng)有比較多的應(yīng)用。每種應(yīng)用都有它們自己的針對(duì)性，并根據(jù)對(duì)象的不同要求進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，是基本原理相似，實(shí)質(zhì)卻是天壤之別。
3 基于ARM嵌入式平臺(tái)的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
該采集系統(tǒng)分為便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)兩大部分。便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的前期處理，獲得數(shù)據(jù)的特征信息，并能回顯數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)部署于上位機(jī)，用于對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和對(duì)比分析。如圖2所示
采集對(duì)象分為三種類型：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和特殊信號(hào)。由各自獨(dú)立的采集電路實(shí)現(xiàn)。模擬信號(hào)通過(guò)量程自動(dòng)控制及AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由FPGA進(jìn)行采集處理；數(shù)字信號(hào)則經(jīng)過(guò)緩沖驅(qū)動(dòng)后直接由FPGA處理；特殊信號(hào)經(jīng)過(guò)幅值控制和適當(dāng)?shù)姆聪蚝螅挥蒄PGA處理。
倍程自動(dòng)控制通過(guò)壓控繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將輸入電壓按比例衰減到合適的范圍，然后和基準(zhǔn)電壓比較確定輸入電壓的大小范圍，根據(jù)這個(gè)范圍，決定繼電器的開合，最終將輸入電壓降低到-10 V～+10 V的范圍，并記錄衰減的倍數(shù)。
AD轉(zhuǎn)換電路采用頻率500 Ksps的AD采集芯片AD7665，實(shí)現(xiàn)-10 V～+10 V的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
若待采集的數(shù)字信號(hào)為TTL信號(hào)，而FPGA的輸入信號(hào)是CMOS信號(hào)，則信號(hào)進(jìn)入FPGA前需要先經(jīng)過(guò)一級(jí)緩沖驅(qū)動(dòng)芯片處理。
特殊信號(hào)為脈寬僅有0.2 us的信號(hào)，使用簡(jiǎn)單運(yùn)算放大穩(wěn)壓電路就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和反向的功能。不過(guò)為了保證信號(hào)不失真，需要采用高速運(yùn)放。
FPGA則接收上面各種信號(hào)，并根據(jù)控制指令，將信號(hào)存儲(chǔ)于外接的大容量SRAM中。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要編寫一套FPGA程序，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制系統(tǒng)的功能。該程序包括：采集電路的數(shù)字部分、系統(tǒng)時(shí)鐘、AD采集控制、特殊信號(hào)采集控制、數(shù)字信號(hào)采集控制、SRAM控制、控制系統(tǒng)核心、嵌入式系統(tǒng)接口等部分。如圖3所示
嵌入式系統(tǒng)部分采用比較小巧的ARM9系列的嵌入式平臺(tái)作為硬件開發(fā)平臺(tái)，從而使工作組要集中在軟件開發(fā)上。開發(fā)系統(tǒng)選用了開源的操作系統(tǒng)Linux，從而增加開發(fā)的可控性。圖形開發(fā)環(huán)境使用了嵌入式QT，嵌入式QT作為一款開源的圖形開發(fā)平臺(tái)有著廣泛的應(yīng)用。與FPGA的通訊使用了串口，F(xiàn)PGA端的串口的波特率基本不受太大的限制，串口速度的主要限制在嵌入式系統(tǒng)端。而S3C2410可以達(dá)到460800的串口波特率。嵌入式系統(tǒng)最終將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中，便于轉(zhuǎn)存到PC機(jī)。
PC機(jī)軟件系統(tǒng)屬于Windows操作系統(tǒng)，所以采用了MFC作為開發(fā)平臺(tái)。軟件系統(tǒng)首先需要將SD卡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到PC機(jī)的指定目錄便于管理。軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)顯示、比較功能，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉滿倉(cāng)，雷衛(wèi)寧，王春成.基于ARM的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（8）.
[2] 呂實(shí)誠(chéng)，宋曉波，王晶.基于網(wǎng)絡(luò)的高精度數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）.
【關(guān)鍵詞】STM32；PLC；嵌入式系統(tǒng)；真空過(guò)濾機(jī)
【Abstract】This paper introduces a STM32 MCU with vacuum belt filter control system hardware design， technical features and technical advantages of STM32 MCU， vacuum belt filter working principle and STM32 microcontroller in the filter working process is implemented by the traditional manual operation into the automatic one button operation.
【Key words】STM32； PLC； Embedded system； Vacuum belt filter
0 引言
在礦山、冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)中，真空帶式過(guò)濾機(jī)是一種大型、新穎、高效、節(jié)能的新型過(guò)濾設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)液體、固體的分離。現(xiàn)行的過(guò)濾機(jī)工作大多采用的是機(jī)械式和常規(guī)的電氣按鈕控制，導(dǎo)致控制裝置體積大、控制面板繁雜、成本高、自動(dòng)化程度低，工人不易操作。基于STM32單片機(jī)技術(shù)的真空帶式過(guò)濾機(jī)控制系統(tǒng)能通過(guò)STM32單片機(jī)控制中間繼電器的啟停，進(jìn)而控制較大功率的接觸器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、氣動(dòng)電磁閥等啟停與開關(guān)。同時(shí)，可通過(guò)開始與停止按鈕實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。
1 STM32單片機(jī)技術(shù)
STM32單片機(jī)采用的是基于ARMV7架構(gòu)的Correx-M3新型芯片內(nèi)核。Cortex-M3是一個(gè)32位的內(nèi)核，是市場(chǎng)上現(xiàn)有的體積最小、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。STM32單片機(jī)采用Correx-M3內(nèi)核大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體。它是為在微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車車身系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本要求高的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的。Correx-M3采用了哈弗結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問(wèn)并行不悖。
1.1 工作原理
真空帶式過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。真空帶式過(guò)濾機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，料漿溶液均勻分布在濾布上，環(huán)形橡膠帶E由電機(jī)經(jīng)減速拖動(dòng)連續(xù)運(yùn)行，濾布鋪敷在膠帶上與膠帶同步運(yùn)行。膠帶與真空室滑動(dòng)接觸（真空室與膠帶間有環(huán)形磨擦帶并通入水形成水密封），當(dāng)真空室接通真空系統(tǒng)時(shí)，在膠帶上形成真空抽濾區(qū)；料漿由布料器均勻分布在濾布上，在真空的作用下，濾液穿過(guò)濾布經(jīng)膠帶上的橫溝槽匯總并由小孔進(jìn)入真空室，固體顆粒被截留而形成濾餅；進(jìn)入真空的液體經(jīng)氣水分離器排出。隨著橡膠帶移動(dòng)已形成的濾餅依次進(jìn)入濾餅洗滌區(qū)、吸干區(qū)；最后濾布與膠帶分開，在卸濾餅輥處將濾餅卸出；卸除濾餅的濾布經(jīng)清洗裝置清洗后獲得再生。
1.2 真空帶式過(guò)濾機(jī)控制要求
1）啟動(dòng)要求。
啟動(dòng)過(guò)濾機(jī)空壓機(jī)啟動(dòng)主電機(jī)啟動(dòng)真空泵啟動(dòng)密封水打開淋洗液開關(guān)
2）停機(jī)要求。
關(guān)閉料漿控制閥，待過(guò)濾至剩余的濾餅卸凈為止。濾餅卸凈后，將濾帶清洗1～2周，依次關(guān)閉淋洗液閥門主電機(jī)開關(guān)真空泵開關(guān)主機(jī)電源開關(guān)總氣源開關(guān)空壓機(jī)開關(guān)打開氣泵放水閥。
3）濾布運(yùn)行的速度要求。
根據(jù)濾漿情況可以通過(guò)STM32單片機(jī)輸出模擬信號(hào)控制PLC任意設(shè)定。
4）托盤由極限位置迅速返回原位到再次工作需要延時(shí)數(shù)秒，以便濾液罐中的濾液排盡。
5）在托盤吸緊濾布運(yùn)行的同時(shí)，洗滌液打開。
1.3 主控制模塊電路設(shè)計(jì)
由于STM32F103C8T6單片機(jī)，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。因此，可選擇這種型號(hào)的STM32單片機(jī)。
1.4 I/0口分配及自動(dòng)控制功能
控制系統(tǒng)I/O口分配如表1所示。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，0001繼電器動(dòng)作，0100接觸器閉合，接通主機(jī)電源。0002、0003、0004繼電器相繼工作，0200、0300、0400接觸器依次閉合，使環(huán)形橡膠帶運(yùn)行，濾布鋪敷在膠帶上與之同步運(yùn)行，真空泵運(yùn)行。再依次由0005、0006繼電器打開密封閥、淋洗液閥。最后由繼電器0007打開料漿控制閥，過(guò)濾機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)過(guò)濾機(jī)停機(jī)流程（如2.2節(jié)中真空過(guò)濾機(jī)停機(jī)所述），相應(yīng)繼電器、接觸器相繼動(dòng)作，完成停機(jī)任務(wù)。
2 結(jié)語(yǔ)
利用STM32單片機(jī)對(duì)真空帶式過(guò)濾機(jī)實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程全自動(dòng)控制，不僅能使過(guò)濾機(jī)的故障率大大降低，運(yùn)轉(zhuǎn)周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)效率和運(yùn)轉(zhuǎn)率明顯提高；同時(shí)還能節(jié)省維檢費(fèi)用，保證系統(tǒng)的運(yùn)行更加可靠，提高了控制精度。
【參考文獻(xiàn)】
[1]Joseph Yiu. ARM Cortex-M3 權(quán)威指南[M].宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.
[2]孫波.PCI總線與CAN總線通訊研究[J].甘肅科技縱橫，2009，38（6）：18-20.
【關(guān)鍵詞】超聲波傳感器 C語(yǔ)言 51單片機(jī) 飛思卡爾
一、選題背景
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，司家車擁有量激增，雖然司機(jī)都能掌握基本的開車技術(shù)，但在面對(duì)擁擠的道路側(cè)位停車時(shí)，許多司機(jī)尤其是新手或者女性遇到很大困難，經(jīng)常會(huì)發(fā)生車體蹭傷的事故，甚至?xí)＜暗剿緳C(jī)與行人的生命安全。
目前，一些大型汽車公司已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)一些自動(dòng)停車的系統(tǒng)，有些已經(jīng)投入生產(chǎn)，但是因?yàn)橄到y(tǒng)自身還有些局限性，同時(shí)價(jià)格昂貴，往往令消費(fèi)者望而卻步。市場(chǎng)需要一套完善且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)。
二、問(wèn)題研究
經(jīng)過(guò)詢問(wèn)駕校師傅，我的了解了司機(jī)停車的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，司機(jī)停車分為四個(gè)步驟，首先緩慢行駛觀察是否有足夠空間容納車體，可以停車；確定車位后，停車方向盤右打死，倒車至從后視鏡看到車位的邊緣；隨后方向盤左打死繼續(xù)倒車至車位后邊緣；停進(jìn)車位后，方向盤打正。
我們對(duì)該過(guò)程進(jìn)行分析，直接采用實(shí)體轎車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是沒(méi)必要的，只要選擇一款可以前進(jìn)后退，左右轉(zhuǎn)彎，反應(yīng)靈敏，價(jià)格實(shí)惠的模型車就能達(dá)到我們實(shí)驗(yàn)的要求。飛思卡爾智能車競(jìng)賽用車機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，造型成熟，經(jīng)過(guò)多次分析，本文選擇了飛思卡爾智能車B車作為實(shí)驗(yàn)用車。
三、硬件設(shè)計(jì)
車體只是一架空殼，最重要的是我們對(duì)車體的控制。硬件設(shè)計(jì)主要是傳感器的設(shè)計(jì)，控制中心的選擇，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)然還包括供電與穩(wěn)壓等基本單元。
（一）傳感器。本系統(tǒng)對(duì)傳感器要求較高，需要良好的動(dòng)態(tài)性能，精度和靈敏度，達(dá)到快速鑒別車位的目的。本文主要考慮了激光傳感、紅外傳感、超聲波傳感三種方式。其中激光傳感精度較高但是造價(jià)昂貴違背了我們降低成本的意愿，紅外傳感雖然價(jià)格低廉但是在實(shí)際應(yīng)用中可能對(duì)兒童或者寵物的眼睛造成威脅，而超聲波傳感同樣具有價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)精度高，反應(yīng)速度靈敏。本系統(tǒng)選擇超聲波傳感器。
（二）控制單元。模型車載系統(tǒng)的控制一般采用單片技術(shù)，目前主流的有430單片機(jī)、51單片機(jī)、FPGA控制單元、ARM控制器等。430單片機(jī)反應(yīng)靈敏，功能強(qiáng)大，缺點(diǎn)穩(wěn)定性差禁不住碰撞；FPGA控制反應(yīng)速度極快，缺點(diǎn)是不適合完成復(fù)雜控制過(guò)程；ARM控制器功能最強(qiáng)大，包含豐富的底層庫(kù)，能完成復(fù)雜的算法，同時(shí)對(duì)程序員的要求很高；51單片機(jī)功能較430弱一些，但是穩(wěn)定性極佳，抗摔抗碰撞。綜合考慮，本系統(tǒng)選擇簡(jiǎn)單可靠的51單片機(jī)。
（三）驅(qū)動(dòng)模塊。本系統(tǒng)需要車輪完成前行，后行，左右轉(zhuǎn)的功能，采用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向，直流電機(jī)作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)部分需要輸出兩路占空比不同的信號(hào)，一路控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，一路控制電機(jī)前進(jìn)后退以及車輛轉(zhuǎn)動(dòng)速度。B車模型的舵機(jī)內(nèi)置放大電路，直接從單片機(jī)輸出即可；直流電機(jī)則需要驅(qū)動(dòng)部分，將單片機(jī)輸出信號(hào)變換輸出大功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。參考飛思卡爾競(jìng)賽電路，我們選擇英飛凌公司的驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B。
四、軟件設(shè)計(jì)
硬件電路和軟件程序是密不可分的，在硬件設(shè)計(jì)基本定型之后，就是軟件程序編寫環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)程序采用主程序子程序嵌套的形式，層次分明，思路清晰，同樣有利于分部調(diào)試。
（一）超聲波子程序。判斷是否可以停車時(shí)第一步，該部分，本文采用51單片機(jī)自帶的定時(shí)器與中斷，向超聲波傳感器模塊發(fā)送20的高電平信號(hào)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波模塊自動(dòng)發(fā)射幾組超聲波，超聲波遇到障礙物會(huì)反射回來(lái)，當(dāng)超聲波傳感器模塊接受到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，計(jì)入中斷，得到從發(fā)射到回收的時(shí)間，計(jì)算得到障礙物距離。得到安裝在車體右側(cè)的幾個(gè)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析區(qū)域是否達(dá)到可以停車的標(biāo)準(zhǔn)。
（二）舵機(jī)控制子程序。舵機(jī)控制部分是單純的超聲波輸出占空比信號(hào)，本文中占空比周期20ms，當(dāng)高電平時(shí)間為1.5時(shí)，舵機(jī)位于中間位置。占空比調(diào)小時(shí)，舵機(jī)左轉(zhuǎn)，占空比調(diào)大，舵機(jī)右轉(zhuǎn)。
（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。本文硬件采用的板橋驅(qū)動(dòng)方式，輸出兩路電平，兩路的高低決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，占空比決定了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
（四）主程序。將各子程序按照本文設(shè)計(jì)組合起來(lái)，就達(dá)到了控制車體自動(dòng)泊車的目的。
五、優(yōu)化設(shè)計(jì)
考慮遇到突發(fā)緊急情況，本系統(tǒng)添加了緊急情況切換人為控制的功能，當(dāng)遇到緊急情況，司機(jī)可以掌握車子的控制權(quán)，完成緊急剎車，保證了司機(jī)的人身安全
六、研究成果
本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中能夠準(zhǔn)確分辨空閑地帶是否可以停車，流暢穩(wěn)定地將車停進(jìn)預(yù)定停車區(qū)域，基本達(dá)到自動(dòng)泊車的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。將本系統(tǒng)稍作改進(jìn)就可以應(yīng)用在實(shí)體轎車，當(dāng)然精度與參數(shù)還需要進(jìn)一步的調(diào)試。
參考文獻(xiàn)：
[1]郭天祥.51單片機(jī).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006
1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中心模塊：系統(tǒng)中心模塊主要分為3個(gè)部分：MCU最小系統(tǒng)、藍(lán)牙模塊、SIM908模塊。系統(tǒng)中心模塊框圖如圖2所示：
1.1STC15FK60S2處理器在系統(tǒng)中心模塊中，STC15F60S2處理器起著很重要的作用，STC15F60S2是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的8051，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)到35MHZ，接口資源豐富。選擇STC15FK60S2處理器，通過(guò)串行接口USART0與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)建系統(tǒng)中心模塊與智能手機(jī)AndriodApp進(jìn)行數(shù)據(jù)交互功能。同樣通過(guò)串行接口USART1與SIM908模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。其具體完成的功能為：負(fù)責(zé)接受SIM908模塊接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理并進(jìn)一步地將這些處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)SIM908模塊的GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程中心服務(wù)器；負(fù)責(zé)將藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)保存到MCU的EEPROM，并讀取MCU保存EEPROM的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到智能手機(jī)中，起到存儲(chǔ)、中轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)處理等功能。
1.2SIM908模塊SIM908是一款包含了GPS導(dǎo)航技術(shù)的四頻GSM/GPRS模塊的芯片。細(xì)小緊湊的模塊尺度將GPRS和GPS整合在一個(gè)單獨(dú)的SMT封裝中，為客戶實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌GPS和GPRS的應(yīng)用節(jié)省了大量的費(fèi)用和開發(fā)時(shí)間。因此通過(guò)SIM908模塊的GPS來(lái)獲取運(yùn)輸車輛的經(jīng)緯度等信息，并利用它集成的GSM功能將這些信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中心服務(wù)器；所以有GPS和GSM信號(hào)覆蓋的任何地方無(wú)論何時(shí)都能實(shí)現(xiàn)不同資源的無(wú)縫追蹤和共享。SIM908模塊與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器通信是通過(guò)處理器STC15F2K60S2單片機(jī)應(yīng)用底層軟件進(jìn)行相關(guān)串口編程，其中就涉及重要的AT指令，在建立TCP/IP連接前，建議先依次執(zhí)行多條AT指令。比如AT+CSTT=“cmnet”設(shè)置前，請(qǐng)先確GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)附著，否則會(huì)返回error提示；AT+CIICR激活移動(dòng)場(chǎng)景這里需要說(shuō)明一下，模塊開機(jī)后會(huì)自動(dòng)附著GPRS網(wǎng)絡(luò)，只要SIM卡有GPRS業(yè)務(wù)，真正應(yīng)用必需要激活移動(dòng)場(chǎng)景（PPP撥號(hào)過(guò)程中得PDP上下文激活），獲得本地IP才可以應(yīng)用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；AT+CIPSTART建立TCP（UDP）/IP連接；因?yàn)镾IM908模塊的串口電平不能直接連接5V的單片機(jī)STC15F2K60S2，因此必須通過(guò)三極管或者電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行兼容才能進(jìn)行串口通信，如SIM908模塊與MCU串口連接圖3所示：
1.3藍(lán)牙模塊藍(lán)牙模塊由BRF6100、DSP、液晶、音頻AD/DA、Flash組成，其中主要核心控制單元是DSP；音頻（AD）的作用是將采集的模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，音頻（DA）將數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬語(yǔ)音信號(hào)，輸出到音箱或者耳機(jī)。音頻DA和AD的后端和前端都會(huì)放大或?yàn)V波電路，一般而言，音頻DA和AD集成在一塊芯片上，本系統(tǒng)使用的是TI公司的TLV320AIC10，采樣設(shè)置的頻率為8kHz，鍵盤的作用是控制和輸入，液晶顯示器的作用是顯示各種信息；DSP所需要的程序是用Flash進(jìn)行保存的，供DSP在上電時(shí)進(jìn)行調(diào)用；DSP的仿真接口是JTAG，HPI口是DSP來(lái)提供，計(jì)算機(jī)連接到該接口，可以下載計(jì)算機(jī)服務(wù)器中的文件并由DA來(lái)進(jìn)行播放，同時(shí)也能將數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行保存和處理。ARM主要用來(lái)控制設(shè)備，DSP用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；模塊DSP中采用的是OMAP5910，嵌入式DSP是由TI公司的DSP提供的，具有兩個(gè)處理器的結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了DSP和ARM處理器。OMAP5910中的DSP是基于TMS320C55X核的處理器，提供一兩個(gè)成累加單元，一個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元和一個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元，DSP采用的是雙ALU結(jié)構(gòu)，大部分指令可以同時(shí)運(yùn)行，其功耗更低，并且工作頻率達(dá)到了150MHz。ARM和DSP可以相互協(xié)同工作，通過(guò)片中的MMU控制，內(nèi)存和設(shè)備可以得到共享，OMAP5910可以用在圖像處理、視頻、和移動(dòng)通信，圖像加速器、數(shù)據(jù)處理和音頻處理、圖形。系統(tǒng)中使用的OMAP5910，目前是用于個(gè)人移動(dòng)通信。ARM在OMAP5910中是基于ARM9核的TI925T處理器，包括一個(gè)協(xié)處理器，指令的長(zhǎng)度是32位或16位。一般而言多字節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù)最右邊的字節(jié)是最先傳送的，各數(shù)據(jù)的分組是通過(guò)Endian格式進(jìn)行傳輸。HCI的傳輸層中可以傳送四種分組：ACL、SCO數(shù)據(jù)、event以及數(shù)據(jù)命令（command）。各分組的區(qū)別是分組指示符（PacketIndicator）。ROK101008模塊中的HCI傳輸層的事件分組格式、命令、與藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)所描述的是完全一致的。值得注意的是：HCIACL數(shù)據(jù)分組里傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式必須是L2CAP，例如ACL數(shù)據(jù)分組020120050002000000CC：表示HCIACL數(shù)據(jù)分組的是HCI分組符；當(dāng)前所用到連接的句柄是“01”；PB、BC標(biāo)志以和句柄高位為“20”；HCI數(shù)據(jù)長(zhǎng)度即真實(shí)長(zhǎng)度為0005用“0500”來(lái)表示；L2CAP報(bào)頭是“01000000”，我們實(shí)際所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和信道ID）是“AA”。ACL數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是由完整的主、從單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行的。建立邏輯連接是在傳送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)出HCI命令的是主、從機(jī)，等主、從的藍(lán)牙模塊準(zhǔn)備好了以后，發(fā)起查詢的是主機(jī)模塊，響應(yīng)的是從機(jī)模塊，通過(guò)它們就能建立一個(gè)用于異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬫溌贰Ｏ鄳?yīng)的命令狀態(tài)事件的返回是每條命令正確執(zhí)行后都有的。MCU單片機(jī)發(fā)出命令后，判斷該命令是否完成是在通過(guò)接收返回事件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先主機(jī)發(fā)出HCIInquiry查詢命令，會(huì)收到該模組的響應(yīng)從機(jī)數(shù)事件包、從機(jī)模塊的地址號(hào)包以及命令狀態(tài)事件包。藍(lán)牙設(shè)備地址被讀取后，兩機(jī)開始相互建立連接。該模塊的底層傳輸協(xié)議完成從機(jī)藍(lán)牙模塊中的地址號(hào)響應(yīng)，這個(gè)響應(yīng)是不需要單片機(jī)的參與來(lái)完成的。主機(jī)發(fā)出建立HCICreateConnection連接命令之后將收到從模塊發(fā)來(lái)的ConnectionComplete連接完成事件包和本模塊返回的命令狀態(tài)事件包。從模塊也會(huì)收到主模塊發(fā)來(lái)的ConnectionComplete連接完成事件。主從機(jī)之間可以按前述數(shù)據(jù)包格式發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)榇藭r(shí)主、從之間已成功建立了一條ACL傳輸鏈路。
2遠(yuǎn)程中心監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
主要利用2003開發(fā)軟件編寫遠(yuǎn)程中心監(jiān)控程序。首先開放服務(wù)端口允許客戶端訪問(wèn)該端口，接著使用相應(yīng)的通信協(xié)議與客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。遠(yuǎn)程中心監(jiān)控程序主要進(jìn)行系統(tǒng)中心模塊的設(shè)置，數(shù)據(jù)接收，命令發(fā)送和歷史數(shù)據(jù)查詢等。其程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。監(jiān)控程序通過(guò)發(fā)送命令獲取運(yùn)輸車輛出站時(shí)間、到站時(shí)間、車牌號(hào)、運(yùn)輸軌跡等信息，并將這些信息及時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。
3結(jié)語(yǔ)
基于藍(lán)牙技術(shù)和SIM908模塊的水泥混凝土車輛運(yùn)輸管理系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，水泥混凝土車輛運(yùn)輸管理效率大大提升，設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。遠(yuǎn)程中心監(jiān)控軟件合理展現(xiàn)運(yùn)輸車輛軌跡、進(jìn)站時(shí)間、到站時(shí)間等信息，便于掌握運(yùn)輸車輛動(dòng)態(tài)信息。
作者：譚林逸涂治軍廖幸單位：湖南省交通科學(xué)研究院
