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1C H A P T E R嵌入式系统设计实例嵌入式系统设计实例-远程温度监控系统远程温度监控系统2本章提要嵌入式系统的开发过程嵌入式系统的开发过程系统定义阶段系统定义阶段系统集成阶段系统集成阶段总体设计阶段总体设计阶段构建设计阶段构建设计阶段3系统定义设计要求可行性分析需求分析规格说明系统总体设计总体设计方案的确定软硬件功能划分硬件体系架构设计操作系统选择开发环境选择选择软件系统总体设计软件体系结构设计系统详细设计硬件详细设计引导与操作系统移植驱动程序设计软件详细设计应用程序设计与调试系统集成与测试元器件选择线路板设计与制做线路板测试一、嵌入式系统的开发过程4二、系统定义阶段 系统定义阶段需要确定系统开发最终实现的目标、实现目标的可行性、实现目标应采用的策略、估计完成系统开发所需的资源和成本、制定工程进度安排计划。这一阶段的工作主要包括：系统定义、可行性分析、需求分析和规格说明系统定义、可行性分析、需求分析和规格说明 5二、系统定义阶段 1、系统定义示例：远程温度监控系统的设计要求（注：设计要求一般由用户提出，形成文档。这是项目的来源。设计要求尽可能详细，尽量不要有歧义。） 在某工业现场，需控制厂房内的温度。要求采集现场的温度信号，可通过控制现场的排气扇或加热器进行温度的控制。具体要求如下：（1）现场温度可控范围为10-60，具体温度可设。（2）排气扇功率为500w，加热器功率为3kw，均为交流220V供电。（3）要求具备远程通信接口，可与微机相连。（4）可在微机上观察现场温度、排气扇及加热器的工作状况。（5）可通过微机设定需要的温度。（6）仪表可显示当前温度，并能通过简单的按键设定需要的温度。6二、系统定义阶段1. 引言1.1 编写目的1.2 背景1.3 定义1.4 参考资料2. 可行性研究的前提2.1 要求2.2 目标2.3 条件、假定和限制2.4 进行可行性研究的方法2.5 评价方法与尺度3. 对现有系统的分析3.1 处理流程和数据流程3.2 所需的人员3.3 设备3.4 局限性4. 所建议的系统4.1 对所建议系统的说明4.2 处理流程和数据流程4.3 改进之处4.4 影响4.5 技术条件方面的可能性5. 可选择的其他系统方案6. 投资及效益分析6.1 项目经费预算6.2 收益分析7. 社会因素方面的可能性8. 结论2、可行性分析示例：远程温度监控系统的可行性分析7二、系统定义阶段 3、需求分析示例：远程温度监控系统 需求分析是针对设计要求进行分析，以确定各项要求的可行性，以及相应的实现方法。通过需求分析，可以确定要实现哪种功能、实现到什么程度、技术指标等。 需求可分为功能部分和非功能部分。非功能性需求包括了性能、价格、物理尺寸和重量、功耗等方面的因素。 建议采用建议采用UMLUML建立模型，进行准确描述。建立模型，进行准确描述。 8二、系统定义阶段 3、需求分析示例：远程温度监控系统 （1）温度的检测：温度的可控范围为10-60，因此其检测范围也比较小，可确定为0100，采用普通的热电阻即可实现该测量范围。测量精度在要求中没有提到，可与用户具体商定。假定控制精度要求在1之内，则测量精度至少应该比控制精度高1倍，即0.5。因此，测量范围为0100，测量精度为0.5。可以采用8位的A/D转换器实现测量。9二、系统定义阶段 3、需求分析示例：远程温度监控系统 （2）温度控制的实现：降温措施是排气扇；升温措施是加热器。排气扇或加热器的控制方法比较简单，只要控制上电或断电即可。这可通过继电器来实现。继电器的输出功率应该超出被控对象功率1倍，这样比较安全：排气扇控制继电器1kw；加热器控制继电器6kw。即继电器输出参数为：排气扇控制继电器（AC220V，5A）；加热器控制继电器（AC220V，30A）。 从控制角度来看，被控对象是房间的温度。根据房间的大小不同，控制对象有较大的时间滞后及较大的时间常数，因而，需要通过实际测量来确定控制周期，从而确定信号的测量周期。在此省略这一步。 假定测量与控制周期为1分钟。10二、系统定义阶段 3、需求分析示例：远程温度监控系统 （3）通信方式的确定：在工业现场，可用的通讯方式有多种，从经济性和可靠性方面考虑，可采用RS485通讯方式，这样，与微机的连接也比较方便，在微机端，选用RS485/232转换器即可。通讯速率可采用较低的速率，如9600bps，这是因为通信数据较少，而且并不频繁。11二、系统定义阶段 3、需求分析示例：远程温度监控系统 （4）存储要求：在用户的设计要求中，没有明确提出存储要求。但从使用角度考虑，设定的温度应该需要存储。该数值可存储在微机中，也可以存储在仪表中。从设计角度考虑，为简化仪表的设计，通常仪表可以没有存储功能。因此数值应该存放在微机上。而且，考虑到温度曲线也可以保存，而温度曲线的数据量非常大，不适合在仪表内保存，因而也需要在微机中保存。12二、系统定义阶段 3、需求分析示例：远程温度监控系统 （5）其他接口要求：要求具备显示温度的功能。因为只要求显示数字信息，而且用两位十进制数即可显示，因此，采用两位LED数码管即可。按键的设计：需要对温度进行设定，为简化按键，可只设+-两个按键，对设定的温度加1或减1。注意，可设定的温度范围要控制在10-60。 13三、总体设计阶段 总体设计是设计的第一步，其目的是描述系统如何实现由系统定义规定的那些功能。它需要解决嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分；在此基础上，选定处理器和基本接口器件；根据系统的复杂程度确定是否使用操作系统，以及选择哪种操作系统；此外，还需要选择系统的开发环境、软件系统的总体架构设计等。 14三、总体设计阶段 1、远程温度监控系统的总体设计思路 根据上述分析，现场仪表的功能比较简单，用单片机完全可以满足设计要求，而且比较经济。建议采用89C51单片机来完成上述功能。 从学习的角度以及可扩展性方面考虑，采用ARM+ uC/OS的方式来实现。这样可以很方面地对该设计进行扩展，以便实现比较复杂的功能。 15三、总体设计阶段 2、远程温度监控系统的硬件设计方案 采用ARM进行设计，硬件系统一般采用核心板+扩展板的方式实现。这样，设计比较简单，可靠性也较高。选用SC2410 ARM9核心板，外围只需扩展出如下部分电路即可：（1）温度传感器信息的调理放大以及A/D输入：因为SC2410已经具备A/D转换器，只需将温度信号放大到05V，送给A/D转换器即可。（2）继电器输出电路：用两个数字输出信号可以分别控制两个继电器。考虑到SC2410的GPIO口的带负载能力有限，需要使用三极管放大来驱动继电器。另外，加热继电器的输出电流较大，可能需要采用中间继电器做进一步放大。16三、总体设计阶段 2、远程温度监控系统的硬件设计方案（3）采用通信接口：核心板已经具备了UART接口，只要在该接口基础上，增加RS485驱动器即可。RS485的驱动器选用MAX485芯片。为提高可靠性，可以考虑采用光电耦合器进行隔离。（4）LED接口：采用两个7段数码管即可。因为只有两个LED，直接用GPIO口，采用静态显示的方式进行连接即可。（5）按键：只有两个按键，可直接接两个GPIO的输入引脚即可。（6）电源：计算整机的耗电量，设计电源。核心板：5V，500mALED:5V,200mA继电器输出：200mA(估计值)其他：300mA因此，总体需要5V，1.2A。通常，保证电源工作在满负荷的70%左右较为合理，因此，选用5V,2A的直流电源。17三、总体设计阶段 3、远程温度监控系统的软件系统设计方案 采用uCOS嵌入式操作系统。采用多任务的编程方法。 根据需求分析，在系统中要完成的任务可分为：（1）温度定时采样：每间隔一定的时间就要采集温度值。时间为1min。通常，采集到的信号需要滤波，因此可以采取：连续采样10次，去掉最大值和最小值，其余取平均。这10次采样的间隔可以确定为100ms。（2）控制动作的实现：需要获得当前温度值与设定值。根据两者的差，来确定是应该升温还是应该降温。考虑到温度控制的时间延时较长，需要采用一定的延时处理。这与控制理论相关，可参考相关文献。18三、总体设计阶段 3、远程温度监控系统的软件系统设计方案（3）通讯任务：制定相应的通信协议，完成与微机的通讯。建议参考Modbus协议。（4）按键与显示任务：当有按键时，显示设定值并进行加减操作，在5秒内没有按键，则恢复显示当前温度值。 以上各任务间需要进行一定的通讯，以便传递数据。如温度设定值与任务2、3、4有关。请自行分析任务间的通讯。19四、详细设计阶段 1、硬件系统的设计（1）设计方法:以厂家(实验箱或开发板)提供的电路为基础,进 行裁减或修改。（2）以核心板为出发点，构建核心板的外围电路： 电源系统 LED显示电路 按键接口电路 RS485通讯电路 温度信号调理检测电路20四、详细设计阶段 1、硬件系统的设计（3）电源系统的考虑核心板需要3.3VDC,而有些外围电路，如RS485通讯、温度信号检测等需要5VDC，这样，需要外供5VDC,然后用降压模块变出3.3VDC. 21四、详细设计阶段 1、硬件系统的设计（4）RS485电路的考虑因为实验箱上有相应的电路，可以直接使用。考虑到远程传输，最好使用隔离的485电路，因此，要加光电隔离器。有三个信号要隔离：RXD，TXD，RTS 22四、详细设计阶段 1、硬件系统的设计（5）按键与LED数码管电路的考虑可以使用GPIO接口。GPF口实比较简单的8位数字量I/O口，可用来连接两个按键。 GPFA-D都是16位的I/O接口，可接2个LED数码管。 数码管的每一段要接电阻，控制流过的电流。23四、详细设计阶段 1、硬件系统的设计（6）温度检测电路参考资料：24课堂练习及作业n课堂讨论1:整个系统应该分几部分进行设计?n课堂讨论2:完善该系统的功能要求,写出详细的功能流程.n课堂讨论3:什么是通讯协议?为什么要用通讯协议?选择通讯协议的标准是什么?n作业:按照需求分析规格说明书,写出本系统的需求分析说明书.25任务安排n设计任务（14周要完成的任务） （1）完成需求分析规格说明书及概要设计说明书 （2）完成硬件电路图的设计。 （3）编写程序，测试所用接口： A/D转换功能实验。 串行通讯功能（ModBus协议的制定与实现）26任务安排（15周） 完成总体程序的编制。第16周在实验箱上进行调试、验收。27考试题型n一、填空题（20）n二、选择题（10）n三、简答题（40）n四、分析题（15）n五、综合题（15）
