1、本科毕业论文（20 届）基于 ARM 的数字油耗仪设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 系统方案与分析 .3第 1.1 节 整体思路 .3第 1.2 节 系统整体结构分析 .3第 1.3 节 系统的各模块的设计思想 .3第 2 章 硬件电路设计 .5第 2.1 节 ARM 芯片 .5第 2.2 节 A/D 转换模块 .6第 2.3 节 接口模块 .7第 2.4 节 传感器 .8第 2.5 节 电源模块 .8第 3 章 软件电路设计 .11第 3.1 节 Labview 软件 .
2、11第 3.2 节 Kiel 软件 .11第 3.3 节 程序流程图 .12第 4 章 系统测试与问题 .13第 4.1 节 Kiel 的运行 .13第 4.2 节 整个上位机测试过程 .13第 4.3 节 正确的调试结果 .14第 4.4 节 测试结果误差分析 .15结论 .16参考文献 .17致谢 .18附录 .19附录 1：实物照片说明 .19附录 2：部分源程序 .21苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页基于 ARM 的数字油耗仪设计【摘要】：本论文设计了一种基于 ARM 的数字油耗器，其中包括硬件电路设计、硬件电路调试、软件设计、软件调试以及对于整体程序调试后结果的总结与探讨。设
3、计的主要部分在于 ARM 芯片选择和 USB 传输以及上位机部分软件设计。该电路系统主要应用了高性价比，低能耗的 ARM 处理器 STM-32，通过压力传感器输出的几毫伏电压经过运放放大倍数后经 A/D 转换变为数字信号再由 ARM 芯片控制 USB 的数据传输，再通过Labview 软件设计的上位机程序读取数字信号，最后根据信号值与油耗的线性关系显示油耗的重量值。该论文巧妙利用 ARM 芯片的处理功能，加上上位机软件的桥梁作用，实现信号完整的显示在屏幕上。整体目标要求所设计的油耗仪具有很高的经济性、可靠性、稳定性、可实现性以及安全性。【关键词】：ARM；数字油耗；上位机；Abstract :
4、 This paper presents a digital fuel consumption device based on ARM, including hardware circuit design and debugging of hardware circuit, software design, software debugging and for the overall program debugging result summary and discussion. The main part of the design lies in the choice of the ARM
5、 chip and USB transmission part and the upper machine software design. This circuit system is mainly used for cost-effective, low-power ARM processor STM - 32, through several millivolt pressure sensor output voltage after op-amp magnification by A/D converter into digital signal and then controlled
6、 by ARM chips of USB data transfer, through the PC application reads the digital signal of the Labview software design, according to the signal value and the weight of the fuel consumption according to the linear relationship between the fuel consumption value. The clever use of processing function
7、of ARM chip, the role of a bridge and PC software, to realize the signal integrity of the display on the screen. Fuel consumption instrument design overall objectives of higher economy, reliability, stability, feasibility and safety.Key words:, ARM; the digital fuel consumption; upper machine苏州大学本科生
8、毕业设计（论文）第 2 页前言随着时代的进步，改革开放的迅速的发展，小汽车走进千家万户，而对于汽车的油耗显示也越发的重要。降低油耗已经成为小汽车主要潮流，而对于油耗的测量精确要求也更加的重要。ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名的现代化企业，企业自 1990 年成立以来，因为设计高性能、高性价比、低功耗的 32 位 RISC 处理器、相关技术及软件而被众所周知。因为其技术在全世界闻名软件、半导体和 OEM 厂商的迅捷推行与遍及，衍生出一类各具特色的低功耗高性价比微处理器，ARM 同样成为这种处理器和技术的代名词。智能手机的普及也是 ARM 发展的催化剂
9、，由于智能手机对于处理要求的增加。几乎每一款智能手机都是用 ARM 芯片。同时 ARM 与因此确立了自己的地位。由于对 ARM 强大的运算能力的支持，我们丰富的外围设备，良好的技术，逐步降低价格机制，今天已成为嵌入式系统开发的首选。ARM 处理器依据其体系结构和运算能力的不同分为 ARM7 、ARM9 、ARM9E 、ARM10 等众多系列。而目前国内外汽车工业发达国家更加注重环保和节能减排。他们的汽车油耗比较先进，投入的财力和人力比较多。而且他们采用微电脑技术，正在开放智能型的油耗仪。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 系统方案与分析第 1.1 节 整体思路设计要求：设计一个
10、油耗记录并显示油耗的系统。电压传感器的输出信号（几毫伏）通过放大器放大，然后转换成数字信号的模数转换，通过手臂控制 USB 数据传输。通过上位机软件读取以上数字信号。由于 AD 转换的结果和油耗的线性关系,最后通过上位机软件读取并显示油耗的重量值。第 1.2 节 系统整体结构分析如图 1-1 所示，采用 ARM-STM32 为主控，通过液位传感器获得模拟信号，然后通过运放放大，A/D 转换转换采集数据信息再通过 ARM 控制 USB 数据传输，通过电脑中的上位机软件读取信号，得出结果。USB 传输图 1-1 模块图根据图 1-1 所示，可知系统的整体工作流程如下：测量好的油耗结果由液位传感器变
11、为模拟信号，而模拟信号不能直接被 ARM 直接处理。同时由于产生的模拟信号只有几毫伏，所以要经过运放单元进行放大然后经过 A/D转换电路得到数字信号。再由 ARM-STM32 控制 USB 进行数据传输，最终由于线性关系得出油耗的多少。至此可以得出油耗的多少。第 1.3 节 系统的各模块的设计思想首先通过对 ARM-STM32 各个端口的设置，以及选择合适的定时器工作方式和串行口工作方式，为了实现 ARM 与各功能模块之间的通信,初始化设置定时器和串行端口。用以实现设定 ARM 和各个功能模块芯片之间通讯联络。在主程序模块中，工作的环节要使 ARM 初始化同时交代程序中各个变量和分派地址空间。
12、而且判断各模块之间串接口是否相互通信。其中对 ARM 中最为关键的是连接子程序的各个标准模块。1.3.1. A/D 转换单元液位传感器放大A/D转换ARM上位机软件笔记本显示单元苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页ARM 收到传感器的电信号为模拟信号，模数变换即 A/D 转换，或简称 ADC，寻常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信
13、号的大小。而本设计中，是使用软件部分对于模拟信号转变为数字信号。使得 A/D 模块更加简单、方便。1.3.2. ARM 控制 USB 传输单元利用 ARM 芯片对 A/D 测量的数值进行处理和传输， USB 控制器有 2 类,一种是单片机所控制的 USB 接口。如 Cypress 公司所出产的 EZ2USB (基于 8051)系列芯片CY7C68013、 CY7C64613 等;另一种是独立的 USB 控制器,如 Philips 公司的PDIUSBD12、ISP1581 ,NetChip 公司的 NET2888 ,National 公司的 USBN9603 等。第一个开发工具，虽然简单，但需要
14、购买一个开发系统，特殊的投资是巨大的，和供应链管理绩效有限。特点是便宜的芯片，连接方便，可靠性高，但电影没有 CPU，必须选择微处理器的协议处理和数据交换。本系统选择了片上不带 CPU 的性价比较高的 USB 2. 0 控制芯片 ISP1581 ,其完全符合 USB 2. 0 样板,传输率可达 480 Mbps ,采纳 ISP1581 能够快速开发出高性能的 USB2. 0 设备 ,同时为了满足他的速度要求,主控器芯片选择了高性能、低功耗的 ARM 芯片 STM-32。1.3.3. 上位机显示上位机是指能够直接发出操控指令的计算机，屏幕上显示各种数字信号变化数值（液压，水位，温度等） 。下位机
15、是可以直接控制设备获取相关设备状况的计算机，一般是指 PLC/单片机 single chip microcomputer/slave ， computer/lower computer 中之类的。计算机发送指令到下位机的第一，然后根据计算机解释成相应的命令序列信号，直接控制相应的设备。下位机不间断的阅读设备状态数据（通常是模拟） ，转换成数字信号并反馈给主机。总之，在千差万别的实际情况，但不能背离了上下位机的编程的需要，已经开发了专门的相关系统。利用 LABVIEW 软件的设计一个上位机的界面，显示出 ARM 控制的 USB 传输过来的数字信号。转换成对应的数值量。苏州大学本科生毕业设计（论文
16、）第 5 页第 2 章 硬件电路设计第 2.1 节 ARM 芯片2.1.1. ARM 公司ARM 是英国的一家芯片策划公司，其最厉害的莫过于在 32 位嵌入式 CPU 核-ARM 系列，最常用的是 ARM7 和 ARM9，ARM 公司主要提供 IP（知识产权的核心的核心知识产权）的核心，是 CPU 内核，只包括最核心的部分，而并不是完整的处理器部分。2007 年 6 月 ST 发表了她的第一款基于 Cortex-M3 并内嵌 32K128K 闪存的 STM32 微控制器系列产品，2007 年 6 月公布了 STM32。随着客户群的不断增加，ST 将借助新产品系列巩固其在 32 位微控制器市场的
17、地位。新产品系列的发表，将加快微控制器原件产品向高端的 32 位产品改观，并被越来越多的人们所了解。Cortex-M3 是一个 32 位处理器核心。内部数据路径是一个 32 位，32 位寄存器，存储器接口为 32 位。CM3 采纳了哈佛布局，具有单独的指令总线和数据总线，能够让取指与数据访问大同小异。这样一来数据访问再也不占用指令总线，从而提高了机能。为了实现这一目标，立方厘米含有多种总线接口，各为自己的应用程序进行了优化，并且他们可以并行工作。2.1.2. STM-32 组成STM-32 主要由 215K 字节的 Flash、2 至 5 的 USART、1 至 3 的 SPI、1 到 2 的
18、IC、2 至 4 个的 16 位定时器、主振荡器、内嵌 RC 振荡器、实时钟、两个看门狗、复位电路、通道 DMA 以及 I/O 口所组成。2.1.3. STM-32 优点最新的 ARM Cortex-M3 内核的使用，先进的体系结构，实时性能和卓越的，杰出的功率控制。有优秀的创新的外设，易发展的最大程度的整合，可以使产品进入市场。而本设计所需求的对于 ARM 芯片的要求基本满足，所以本设计选择 ARM-STM32. 对于芯片 ARM-STM32 模块如图 3-1 所示，其中电源部分 VDD 接入 USB 接口，电源电压为3.3V。而 VSS 接地，对应的的 PC1 接液位传感器。而 CAN 部
19、分接 RS-232，对应其中的接口部分。PA10 和 PA11 即对应接口读入与写出。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页BOT0NRS7C_I/PD5U1A-WK42389JMLEV?FX.v图 2-1 ARM 芯片第 2.2 节 A/D 转换模块2.2.1. A/D 作用A/D 是传感器信号和 ARM 之间的枢纽，只有通过 A/D 转换才能使得信号被ARM 芯片读取。其功能是将模拟信号传换为数字信号，因为 ARM 只能识别数字信号。2.2.2. ARM 芯片中 A/D 的几大特征一 12 位分辨率二 模数转换结束，注入转换结束跟发生模拟看门狗事件时，中断三 单次以及连续转换模式苏州大学
20、本科生毕业设计（论文）第 7 页四 从通道 0 到通道 n 的自动化扫描模式五 自校准六 带内嵌的数据一致数据对齐七 通道之间通常采样间隔的可编程八 规则转换以及注入转换均含有外部触发选项项九 间断模式十 双重模式(带 2 个或以上 ADC 的器件)十一 ADC 转换时间2.2.3. A/D 的开关控制通过设置 adc_cr1 寄存器 ADON 比特功率对 ADC。当第一集 ADON 点，它会唤醒ADC 从断电状态。ADC 电延时一段时间后（tSTAB） ，重新开始设置 ADON 位变化。通过去除 ADON 点可以停止转换，和 ADC 被放置在电源关闭模式。在这种模式下，ADC几乎不消耗功率。
21、第 2.3 节 接口模块本设计所使用的是接口 RS-232，因为 RS-232 适合短距离通信。而且价格便宜，使用方便。他适合数据的传输率在 0 至 20000Bit/S 的范围内通信。而 ARM-STM32 的接口通信 2.5 兆/S 满足设计要求。而 RS-485 虽然传输率高，但是价格比较贵。而 PC 机默认只带 RS-232 接口。所以最后选择 RS-232 接口，进行数据的传输部分。134568U?LT9.vCKRAN_XJIP图 2-2 接口电路对于接口模块中如图 2-2，LT1796 是过压故障保护 CAN 收发器，保护数据的收发以及电源电压的稳定。后面的 SIP2 是一个数据包
22、传送接口，保证 RS-232 的数据传输。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页第 2.4 节 传感器2.4.1. 传感器的选择油耗传感器的油耗传感器是控制在开关磁簧开关触点，将测量到的输出信号的变化，水平和线性测量设备高度（水位） 。其优点是精度很高，耐腐化和磨损；抗震性强，免维持，利用的寿命长；不起电火花，安全以及可靠，安装方便。但是由于油耗传感器的价格昂贵，所以不选择它。压力传感器的原理是将压力值转换为电信号输出的传感器。压力传感器正常由弹性的敏锐元件和位移的敏感元件所组成的。弹性敏感元件的功能是使被测压力作用于某个面积上并转换为应变量，之后由位移敏感的元件或应变计转换为与压力行成一定
23、联系的电信号。有时把这两种元件的功能结合集于一体。我们选择压力传感器中的液位传感器。直接利用电信号代替传感器部分使得对于油耗存在不可知所以直接不选择。2.4.2. 传感器的原理本论文中所选择的是液位传感器，型号为 v2.0。所选择的传感器在前面有所比较。而所选的 v2.0 价格便宜，使用率高。如图 2-3 所示，传感器 1 端口接地，2 端口为电压5V，而 3 端口接入 A/D 模块部分。然后通过一个运放进行发大，最后用运放做一个设计跟随器，使得电信号稳定，减少前后电路之间的影响，启一定的缓冲作用。R?10KR?10kR?10kR?10k321411U?AComment: LM324A567U?BLM324AR?100RAD_IN1C?104PC15v123J?sensorAD_IN15v图 2-3 传感器部分第 2.5 节 电源模块2.5.1. 电源电路
