如何設計基于A(yíng)RM的智能測溫系統？

在簡(jiǎn)單系統中 ， 一般采用前 、 后臺編程方式設計軟件，但在復雜的系統中，前后臺方式的軟件設計方法無(wú)法滿(mǎn) 足系統的要求，需要網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧支持、文件系統支持、多進(jìn) 程支持后，前、后臺軟件由于其超循環(huán)編程方法的限制很 難實(shí)現系統的功能要求，因此復雜的嵌入式系統往往加入 了嵌入式操作系統的支持。 目前，常用嵌入式操作系統有 VxWorks、WinCE、Linux等。這里我選用的是Linux，它是開(kāi) 放源代碼的類(lèi)UNIX操作系統。目前經(jīng)過(guò)長(cháng)期的發(fā)展Linux已 成為世界領(lǐng)先的操作系統，可以運行在服務(wù)器、大型機和超 級計算機， 由于Linux的可剪裁性和可移植性，目前也廣泛 應用在嵌入式設備上，如消費電子產(chǎn)品、交換設備、工業(yè)控 制等。

Linux具備良好的多進(jìn)程與多線(xiàn)程支持，并且支持多種 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、具備豐富的文件系統，并且其開(kāi)源代碼的特性受 到廣大的開(kāi)發(fā)者支持。

在本系統中采用L inu x操作系統能夠充分利用嵌入式 Linux中成熟的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議簇以及模塊化的剪裁方法，降低系 統軟件的開(kāi)發(fā)難度，提高了系統設計的靈活性。

1.5 系統軟件架構

平臺設計的軟件采用分層以及模塊化的方式進(jìn)行設計。由于采用嵌入式Linux操作系統作為解決方案。因此， 將軟件劃分為應用層、系統層、驅動(dòng)層;系統層軟件需要完 成Linux在操作系統上的移植和各個(gè)模塊的驅動(dòng);應用層軟 件需要完成溫度采集模塊、顯示模塊以及網(wǎng)絡(luò )通信模塊的軟 件設計。軟件層次示意圖如圖2所示。

2 系統各主要接口硬件電路設計

圖7 PWM接口蜂鳴器電路連接圖

2.1 S5PC100存儲系統設計

設計的目標平臺中需要擴展三種類(lèi)型的存儲介質(zhì)，分 別為DDR2 SDRAM、NAND FLASH以及SD卡電路。下面按 照三種存儲介質(zhì)在系統中的功能分別進(jìn)行闡述。

(1)DDR2 SDRAM電路

S5PC100 SDRAM控制器通過(guò)向外部16位或32位SDRAM

提供接口來(lái)擴展芯片存儲能力。本平臺采用2片K4T1G164

16位寬度DD2 SDRAM組成32位內存，容量256MB，如圖3。

(2)NANDFLASH電路與SD卡存儲電路 由于系統需要運行Linux系統，系統代碼較為復雜，需

要一定容量的存儲器存放Linux操作系統源代碼以及應用程 序，由于S5PC100內置了NAND FL ASH控制器，因此平臺 采用K9F2G08 256MB NAND FLASH直接與S5PC100 NAND FLASH控制器接口連接。SD卡可通過(guò)S5PC100內置SDIO1總 線(xiàn)直接連接。其N(xiāo)AND FLASH電路原理圖如圖4所示、SD卡 的原理圖如圖5所示。

2.2 溫度傳感器接口

平臺設計了采用DS18B20一線(xiàn)制溫度傳感器接口。采用 S5PC100處理器GPIO引腳接口控制溫度傳感器DS18B20的溫 度測量，LCD屏輸出測量溫度，原理圖如圖6所示。

2.3 溫度報警電路

本 設 計 采 用 軟 件 處 理 報 警 ， 利 用 無(wú) 源 蜂 鳴 器 進(jìn) 行 報 警，當所測溫度超限后輸出PWM信號，驅動(dòng)蜂鳴器報警， 其電路原理圖如圖7所示。

3 系統軟件設計

3.1 Linux操作系統移植

完整的嵌入式linux系統由bootloader、kernel、rootfs等

3個(gè)基本部分組成。其中bootloader用于引導和裝載操作系統、kernel為linux內核程序、rootfs為文件系統，如圖8。

3.1.1 交叉編譯環(huán)境

嵌入式開(kāi)發(fā)系統受到自身硬件以及軟件資源的限制， 無(wú)法完成代碼的本地編譯，其開(kāi)發(fā)需要在宿主機上建立交叉 開(kāi)發(fā)環(huán)境。

交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境是包含了編輯器、編譯器、連接器、調 試器和libc庫等的程序環(huán)境。在開(kāi)發(fā)嵌入式Linux相關(guān)軟件 時(shí)，常用的交叉開(kāi)發(fā)工具是GNU工具鏈。系統中宿主機使 用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為ubuntu12.04操作系統，目標板內核版本號為 標準linux-2.6.35，使用到的交叉編譯器是arm-linux-gcc-4.5.1。

3.1.2 Bootloader程序設計

Bootloader是在操作系統運行前運行的一段專(zhuān)用程序， 可以完成平臺硬件設備的初始化，并能完成引導和調試操作 系統。 Bootloader依賴(lài)CPU體系結構，一般將Bootloader按功 能劃分為兩個(gè)階段，其中第1階段實(shí)現基本硬件電路的初始 化，為操作系統的運行準備環(huán)境。在平臺中，由于使用的是 ARM微控制器，因此第一階段需要實(shí)現設置處理器進(jìn)入管 理模式、關(guān)閉處理器中斷與快中斷、設置處理器主頻、高速 總線(xiàn)主頻與告訴外設主頻、CPU關(guān)閉MMU與數據Cache，初 始化內存控制器，代碼由存儲器自搬運至內存，設置運行程 序需要的臨時(shí)堆棧、BSS段清零等工作。第2階段主要實(shí)現 進(jìn)入交互模式或者自引導模式，實(shí)現操作系統的加載，一般 要根據操作系統與硬件平臺的需要實(shí)現相關(guān)硬件的初始化工 作， 如初始化GPIO、串口、網(wǎng)口等外部設備，完成向內核 傳遞啟動(dòng)參數等功能。

3.1.3 Linux內核的定制

Linux目前已經(jīng)支持了x86、ARM、MIPS等多種處理器 架構，支持的平臺類(lèi)型多達3000多種。各種ARM處理器的 設計廠(chǎng)商為了更好地推廣處理器的使用，都會(huì )Linux中添加補丁， 使得該處理器能夠在L i nu x 行正常運行。 平臺選用Linux-2.6.35版本，面對大規模的Linux源代碼，我們需要對Linux進(jìn)行剪裁移植。

Linux源代碼采用模塊化的組織方式，可以通過(guò)條件編 譯的方式對Linux源碼的功能進(jìn)行剪裁，但是條件編譯法裁 剪的是功能模塊，對于具體的硬件驅動(dòng)和優(yōu)化就需要對源代 碼進(jìn)行細微的修改了。

3.1.4 根文件系統的建立

根文件系統是存放各種工具軟件、庫文件、腳本、配 置文件的地方，任何包括這些Linux系統啟動(dòng)所必須的文件 都可以成為根文件系統。Linux支持jffs2，nfs，cramfs，yaffs2 等多種文件系統。在本系統中使用的Ramdisk文件系統，實(shí) 際上是把內存劃出一部分當作硬盤(pán)使用，使得程序運行效率 更高。系統中的工具集合采用BusyBox完成，BusyBox 將許多 具有共性的小版本的UNIX工具結合到一個(gè)單一的可執行文 件。這樣的集合可以替代大部分常用工具比如GNU fileuTIls， shelluTIls等工具，BusyBox提供了一個(gè)比較完善的環(huán)境，可 以適用于任何嵌入式設備。