1、 学 号 07700211 毕业设计说明书 基于 ARM 的远程数据采集系统的设计与实现 学 生 姓 名 李洋 专 业 名 称 电子与信息工程系 指 导 教 师 鲁维佳 电子与信息工程系 2011 年 6 月 6 日 基于 ARM 的远程数据采集系统的设计与实现 The Design and Realization of Remote Data Acquisition System Based on ARM 摘 要 本文介绍了 一种基 于 ARM 和 nRF401 的 远程无线数据采集系统， 下位机 以 AT89S52为中心控制单元。 AT89S52 接收到 上位机 发来的采集温湿度的指令后，
2、通知温湿 度传感器 SHT11 采集温湿度， 然后一 方面 是利用 LCD显示模块显示采集的温湿度， 另一方面 是 利用以 nRF401 为核心的 无线传输 模块进行远程无线数据传输， 另外 通过高增益天线可使传输距离达到 1000 米以上； 上位机 以 S3C2440 微处理器为中心， 以 nRF401为核心的无线传输模块进行远程无线 指令发送和 数据 接收，指令 可以控制数据的采集 ，数据接收后，一方面利用液晶显示触摸屏显示温 度湿度值，另一方面存储到 SDRAM中 。 由于 上位机 是基于 ARM的具有良好移动性能的类似手机的微型控制器，因此具有体积小、成本低、易维护和稳定性高的优点。
3、本系统可以应用于各种无线数据采集系统，也可以通过增加 接收到控制端的器件和程序实现监控。 关键词 ： SHT11； S3C2440； nRF401； AT89S52； 远程数据采集 ABSTRACT This paper mainly introduce a method of remote wireless date acquisition system based on ARM and nRF401,the slave machine takes microprocsser AT89S52 as the core.When receives the instructions which s
4、ends by the master machine,AT89S52 notices temperature and humidity sensor SHT11 to measure temperature and humidity.Then on the one hand ,the system uses the LCD display module to display temperature and humidity;on the other hand , it uses the nRF401 as the core in the wireless transmission module
5、 for the remote wireless data transmission. What is more,through the high-gain antenna,the the transmission distance can be extended to more than 1,000 meters . The master machine is centered on S3C2440 microprocessor, which takes the NRF401 as the core of the wireless transmission module for remote
6、 wireless instructions to send instructions and receive data.The instructions can control data the acquisition of data. After receiving data,on the other hand, it uses liquid crystal display (LCD) touch screen to display temperature and humidity value; on the other hand,the vlaue can be stored to SD
7、RAM. The master machine which is similar to phone are based on the ARM with good performance of the moving of miniature controller, therefore it has the advantages of small volume, low cost, easy maintenance and high stability. This system can be applied in all kinds of wireless data acquisition sys
8、tem, and also through increasing devices and control programs can realise the function of monitoring. Keywords: SHT11 ; S3C2440; nRF401; AT89S52; remote data acqusition 目 录 第一章 概述 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究课题国内外发展现状和存在的问题 . 1 1.3 本课题研究的主要内容 . 2 1.3.1 硬件设计 . 2 1.3.2 软件设计 . 2 第二章 系统原理 . 3 2.1 硬件平台 . 3 2.
9、1.1 嵌入式微控制器 . 3 2.1.2 嵌入式微处理器 . 4 2.2 软件平台方案 . 5 2.2.1 嵌入式系统的设计要求 . 5 2.2.2 Windows CE 操作系 统 . 6 2.3 系统总体介绍 . 6 第三章 硬件设计 . 8 3.1 温湿度采集模块 . 8 3.1.1 数字温湿度传感器 SHT11 . 8 3.1.2 本模块总体介绍 . 8 3.2 电源模块 . 9 3.2.1 LM317 芯片 . 9 3.2.2 78L05 芯片 . 9 3.2.3 电源模块介绍 . 10 3.3 下位机 液晶显示模块 . 10 3.3.1 DM12864M 显示模块 . 10 3.
10、3.2 液晶显示模块 . 11 3.4 无线数据传输模块 . 12 3.4.1 nRF401 芯片 . 12 3.4.2 无线传输模块介绍 . 14 3.5 ARM 外接存 储器模块 . 15 3.5.1 外接 NAND FLASH . 15 3.5.2 外接 SDRAM . 15 3.6 上位机 显示模块 . 16 第四章 软件设计 . 18 4.1 下位机 软件设计 . 18 4.1.1 数据采集模块软件设计 . 19 4.1.2 下位机 LCD显示程序 . 22 4.1.3 nRF401 数据发送软件设计 . 25 4.2 上位机 软件设计 . 27 4.2.1 Windows CE 移
11、植 . 27 4.2.2 nRF401 接收软件设计 . 28 4.2.3 液晶触摸屏显示软件设计 . 29 第五章 总结 . 31 致谢 . 33 参考文献 . 34 附录 . 35 附录 1.下位机 原理图 . 35 附录 2.上位机 原理图 . 36 附录 3.详细系统程序 . 38 第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 研究背景 随着大规模集成电路和计算机技术 不断 的飞速发展， 电子 、数字技术已 经广泛 渗透到各个技术 领域，各种基于 电子 、 数字技术的 设备 层出不穷。但是，自然界中绝大多数物理信号都是模拟信号， 因此 要对数字信号进行处理加工，就必须 先 将 模拟信号转换成
12、数字信号 。这就是数据采集所要完成的任务，完成相应任务的系统即为数据采集系统，简称 DAS(Data Acquisition System)。 数据采集是获取信息的基本手段。数据采集 是 指将温度、湿度、压力、流量、位移、电压 、电流等模拟量采集、 经 A/D 转换 器转换 成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程 。 数据采集系统 的 应用 领域 十分 地 广泛。 例如， 对于 某些 制造 类 企业， 毫无 疑 问 ，数据的采集 是 保证 企业管理系统正常 运行的的 关键 所在 。建立连接生产现场的 自动采集数据的 数据采集系统，可以避免 传统手工信息录入方式造成的数据滞后和错误 ，
13、 对于 提高企业的生产效率和管理水平 有很大的 帮助 。 通常，在实际应用中，数据采集和控制 监控结合 在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。 通常的 数据采集系统 主要是由各种类型 的传感器、模 /数转换器 及下位机 等将现场数据采 集和简单信号处理，然后通过有线或无线的方式发送 到 上位机终端（通常为 计算机 或服务器） 。再通 过 上位 机控制下位机的 ，完成数据采集，而且在上位机中可以利用 数据采集系统软件来实现数据存储、数据处理以及 显示等 功能 。 随着数据采集系统的广泛应用 及不断完善 ， 目前 数据 采集处理过程的自动化已渗透到数据采集系统的各个部分。采集过程自动化 内容 主
14、要包括数据采集设备“即插即用”，数据发布的自动化，消息发布机制等。 数据采集系统的发展和新技术的介入使数据采集系统的开发越来越复杂、应用越来越广泛、实用性越来越强 、操作性越来越简便。 在实际中 ，温度、湿度是非常重要的指标。比 如在工业和农业生产中的许多场合像温室、冷冻室 等 对温度和湿度有着严格的要求。再比如，在未来的智能家居中，为了人们的身心健康，温湿度也会变成重要的参数 ，只有在合适的温湿度中，人才会感到身体舒服，心理愉悦 。 因此 在许多方面，需要对 进行 温度 、 湿度 的 采集 , 并 且 根据采集到的数据控制输出。而且随着科学技术的进步 与发展 , 单片机，嵌入式 等 相关电子
15、技术 得到了 飞速发展 ,应用领域 随之不断扩 展。 现在 利用单片机和传感器 就 可以 实现对温度和湿度的精确测量 , 大大 提高了生产的自动化 水平 ,并且 成本 较低 , 应用 十分广泛。 1.2 研究课题国内外发展现状和存在的问题 目前远程数据采集系统的技术水准越来越高， 相应成本也随之提高，应用前景 便第一章 概述 2 有 了一定界 限。而且通常的远程数据采集系统的上位机一般为 PC，即便是笔记本电脑，其移动性能还是很差，远不如手机类型的上位机方便。 而且手机类型的上位机 有着体积小、成本低、易维护和稳定性高的优点。 因此本文提出的基于 ARM的远程数据采集系统的上位机不是计算机而是
16、基于 ARM(Advanced RISC Machines)的 具有良好移动性能的类似手机的 微型 控制器。这 也 是本文的创新点所在。 另外 ， 通常传统的数据传输方式是通过 有线的通信线路来 进行远程数据传输 ( 常见的有 RS485 总线结构等 )的 ,这种方式不仅施工麻烦、费用高 ,而且出现故障时不易排查 ,越来越不能满足 现代 各 行业 快速发展的需求。 而 随着 现代 科学技术的发展，无线数据传输距离越来越远，性能越来越好 ，无疑，在未来无线传输方式将成为不可替代的方式。 而 且 无线数据传输 具有不用布线、实时性好 、容易重新部署等优点 ,非常适用于现代工业监控系统。因此 ,本文
17、讨论了一种使用无线通信方法进行数据 传输的远程数据采集 系统 的 设计方案 , 以温度湿度为 采集样 例，该方案不仅简化了系 统施工的难度和复杂度 ,还可以降低成本 ,方便系统的维护。而且本文还利用高增益天线 扩 展了 nRF401 的通信距离。由于无线数据通信不用布线、快速布局 的特点， 因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性 ,在特殊场合具有 无法 替代的作用 ，在未来将发挥着特别的功能 。 1.3 本课题研究的主要内容 本课题设计的基于 ARM 的远程数据采集系统 ， 研究内容分为硬件和软件两部分 。 1.3.1 硬件设计 下位机 的硬件设计是以单片机 AT89S52 为核心，利用温湿度传
18、感器 SHT11 采集温度湿度，利用 nRF401 及外围器件进行数据发送 和命令接收 ， 并 且用 12864显示数据，用以与接收的数据的对比。 上位机 的硬件 设计 是以 ARM微处理器 S3C2440 及外围器件 为核心，以 nRF401 及外围器件进行数据接收和命令发送，用液晶显示模块进行对采集数据的显示。 1.3.2 软件设计 下位机 的软件设计用 AT89S52 单片机 为控制中心，包括温湿度传感器 SHT11 的数据采集程序， nRF401 的发送接收程序以及 DM12864M 的显示程序。 上位机 的软件设计以 ARM 微处理器 S3C2440 为控制中心。软件设计在 Wind
19、ows CE系统上，包括 nRF401 的发送接收程序以 及液晶显示模块的显示程序。 第二章 系统原理 3 第二章 系统原理 2.1 硬件平台 本 文论述的 远程 数据采集 系统所用的控制器为 嵌入式处理器 ， 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心 器件 。 目前 全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 一千多 种，包括各种不同的型号和封装形式。流行的体系结构也有 30 多个。嵌入式处理器主要分为 3 类：嵌入式微控制器 (单片机 )、嵌入式数字信号处理器 (嵌入式 DSP 处理器 )、嵌入式微处理器 （ 最 常用的为 ARM） 。 本 数据采集 系统采用的为 嵌入式微控制器 （单片机 AT89S52
20、）和 嵌入式微处理器(ARM 系列 S3C2440)，其中， 嵌入式微控制器 用在 下位机 ，而 嵌入式微处理器 用在 上位机 。 2.1.1 嵌入式微控制器 将 整个 微型计算机系统集成到一块芯片中，便组成了 嵌入式微控制器 。当然这种简约化的 系统与通用计算机系统相比结构、功能要少很多，而且只 是 集成一些必须的器件。 嵌入式微控制器一般是以微处理器内核为核心，内部集成 各种必要功能和外设的芯片 。 通常为适应不同的应用需求， 一个系列的单片机 会有多种衍生产品，每种衍生品 处理器内核都是一样的， 所 不同的是存储器及 外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地 与 应用需求相匹配 ，
21、从而 可以很好地 控制 功 耗和成本。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 嵌入式微控制器 的 典型代表为单片机，从 70年代末至今，虽然仅仅 只有 30年左右的历史，但是这种 8位机目前应用极其广泛。 一般 单片机芯片内部集成 ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时 /计数器、看门狗、 I/0、串行口，脉宽调制输出、 A/D、 D/A、 E2PROM、 Flash RAM 等必要外设和功能。单片机的最大特点是单片化，体积大大减小，因此 功耗和成本下降、可靠性提高。 又 因 为 片上外设资源比较丰富，适合控制，所以被称为微控制器。 由于 MCU 低廉的价格，优异 的性能，因 此所拥
22、有的品种和数量很多，比较有代表性的有 8051、 MCS-251、 C166/167、 P51XA、 C540/541 等，并且支持 I2C、 CAN-BUS、LCD 等众多专用 MCU 及其兼容系列。 在本系统中作为数据采集端的控 制中心，所用的 芯片 是 AT89S52 单片机 。 AT89S52 单片机是一种低功耗高性能的 CMOS8位 嵌入式 微控制器，内置 8KB 闪存。该芯片 采用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与 采用 工业标准的80C51 指令集兼容。片内程序存储器 （ 8KB 闪存） 允许重复在线编程，允许 其 在系统内通过 SPI 串行口改写或用同 样
23、 的非易失性存储器改写。通过把通用的 8位 CPU与可在线 编程 下载的 Flash 集成在一个芯片上，便成为一个高效的微型计算机。其 应用范围广，可用于解决 较 复杂的控制问题，且成本较低。 AT89S52 的主要特性：兼容 MCS51 产品， 8K字节可擦写 一千 次 左右 的在线可编程第二章 系统原理 4 ISP 闪存， 工作电源范围 为 4.0V 5.5V，全静态工作 频率为 0Hz 24MHz， 3 级程序存储器加密， 256B内部 RAM， 32 条可编程 I/O 线， 3个 16位定时 /计数器， 8个中断源，UART 串行通道，低功耗空闲方式 和掉电方式，中断终止掉电方 式，看
24、门狗定时器，双数据指针， 在线编程（字节和页模式） 灵活。 特殊功能寄存器 (SFR)包括端口锁存器（ P0/P1/P2/P3）、程序状态字（ PSW）、定时 /计数器方式控制（ TMOD）、定时 /计数器控制（ TCON）、定时 /计数器（ THX/TLX）、累加器（ ACC/B）、栈指针（ SP），以及其他控制寄存器等等。专用寄存器只能通过直接寻址方式来访问。通常，在所有 Atmel 单片机的专用寄存器（ SFR）区中，寄存器的分配情况是相同的。 2.1.2 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的 设计 是 基于 通用计算机中的 CPU的 ，与 通用 计算机 的微处理器不同的是，它只保留了与嵌入
25、式应用紧密 相关的功能硬件 ， 也就是说它是 计算机 CPU的精简版 。其 中 ARM 系列是应用最广泛 的、最具代表性的嵌入式微处理器。 ARM处理器 采用的是 RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机 )技术，与 CISC(Complex Instruction Set Computer,复 杂指令集计算机 )技术相比其指令集及相应的代码解释机制都得到了简化， 正是这种 这种简化 使 得用 一 小型廉价的芯片即可实现较高的指令吞吐量及实时中断响应 的 功能 。 正是 ARM 的 RISC 体系结构、低功耗、小体积和高性能 ，所以特别 适合
26、于便携式、嵌入式和多媒体应用领域 ,所以 ARM在实际中得到了极为广泛的应用。 在本系统中 上位机 的控制中心，所 选 用的芯片是三星的 S3C2440。 三星公司推出的微处理器 S3C2440 功耗低、优雅 且全静态设计 ， 特别适合于对成本和功率敏感型的应用，并且采用 了 新的总线架构 AMBA 总线。 S3C2440 有着十分优秀的特性，其内核是一个 由 ARM 公司设计 的 16/32 位的ARM920T 系列精简指令集的计算机微处理器 。 ARM920T 包括内存管理单元、 AMBA 总线、独立的 16KB 大小的指令高速缓存和 16KB的数据高速缓存。 S3C2440集成 了 如下片上功能 ： 1.2V 内核 ， 1.8V/2.5V/3.3V 储存器 ， 3.3V 扩展 I/O， 16KB 指令 Cache（ I-Cache）/16KB 数据 Cache（ D-Cache）； 外部储存控制器（ SDRAM 控制盒片选逻辑）； 集成 LCD 专用 DMA 的 LCD 控制器（支持最大 4K 色 STN和 256K色 TFT）； 4路拥有外部请求引脚的 DMA控制器； 3路 URAT（ IrDA1.0， 64B Tx FIFO， 64B Rx FIFO）； 2路 SPI； I2C总线接口（多主支持）； IIS 音频编解码器接口； AC97 编解码器接口；
