基于ARM的叶片散射光分布测量系统标准设计图文.doc

ＡＲＭ开发和应用
汉字核ＪＩⅪ期刊＜微计算机信息：》（嵌入式和ｓｏｃ）２００８年第２４卷第６—２期
文章编号：ｌ００８－０５７０（２∞８）睢２－０１４０加２
基于ＡＲＭ叶片散射光分布测量系统设计
ＤｅｓｊｇｎｏｆｍｅａＳｕｒ；ｎ９ＳｙＳｔｅｍｆｏｒｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ｜ｉｇｈｔｄＩｓｔｒ－ｂｕｔｉｏｎｏｆ｜ｅａｆｂａＳｅ
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ＡＲＭ
（中国农业大学）郭
雷劳彩莲
ＬＡＯＣａｉ．１ｉａｎ
ＧＵＯＬｅｉ
摘要：本文描述了用于测量叶片反射光和透射光散射分布试验装置。在兼顾通用性和可扩展性条件下，设计了一个基于ＡＲＭ和仙Ｃ，０Ｓ一Ⅱ叶片散射光分布测量系统。其硬件平台以ＡＲＭ７微处理器ＬＰｃ２１３６为关键，扩展了键盘、液晶显示、ＵＳＢ
接口、电机控制等硬件模块，同时实现了实时多任务操作系统ｐｃ／０ｓ一Ⅱ在该平台上移植，底层硬件驱动程序编写，并在
此基础上了进行了多任务计划和设计。关键词：．Ｌｃ，ｏＳ一Ⅱ；ＬＰＣ２１３６；ＵＳＢ；操作系统中图分类号：ＴＰ２７３文件标识码：ＡＡｈｔｒ觚ｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｂｉｌ崎，
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ｗｏｒｄｓ：ｐＣ，ｏＳ一Ⅱ；ＬＰＣ２１３６；ＵＳＢ；ＲＴｏＳ
引言
叶片作为植物冠层关键组成部分，是植物关键光合器
官，也是发生光合作用关键场所，所以叶片光学特征正确描述对于研究太阳辐射在植物冠层内传输机理含有很关键意义，尤其反射和透射光分布特征正确描述不管是对于植
品架经过步进电机ｓＭ２驱动，一样可做径向３６０度旋转。步进电机ｓＭ３控制着检测器纵向转动，幅度为１８０度。检测器共有１１个，分布在步进电机ｓＭ３带动圆环上，能够同时检测１１个高度角散射光强。
物冠层光分布研究还是遥感冠层光谱定量分析，和正确农
业和虚拟植物研究等有重大意义。
现在困内外常见测试仪器，关键是经过改变光源、检测器和样品相对位置来测定叶片散射光和透射光分布。在以往测量仪器中，普遍存在着扫描时间长，扫描问隔不可调整，和扫描间隔大，操作不方便等缺点。本文介绍试验仪器是由中
国农业大学信息和电气工程学院劳彩莲老师开发研制，能够用
于对叶片在特征吸收和非特征吸收波段散射光强在球面上
图１叶片散射光分布测量装置结构图
分布进行３６０度连续测定，扫描间隔为１度。在此基础上，将嵌入式技术应用到叶片光学散射特征研究中，能够充足利用ＡＲＭ嵌入式微处理器体积小、处理能力强和功耗低特点，实现叶片散射光采集、存放和测量一体化。
２测量系统硬件设计
叶片散射光分布测量系统硬件结构图２所表示。以ＡＲＭ处理器ＬＰｃ２１３６为系统关键单元，扩展了键盘、液晶显示、ＵＳＢ控制芯片、步进电机控制等硬件模块和外围接口电路。
１系统简述
叶片散射光分布测量系统是有中国农业大学信息和电气工程学院试验窒自主开发，图１显示了整个装置结构示意图。测量装置关键部件包含样品架、光源、检测器和电路单元等组件。整套装置放置在一个封闭暗箱里。
光源使用微功率半导体激光管，采取组件式设计，依据试验需要更换６５５ｎｍ红光光源或７９０ｎｍ近红外光源。步进电机ＳＭｌ控制着检测器做径向３６０度旋转，处于中心位置样郭雷：硕士硕士
一１４０—３６０元，年邮局订阅号：８２－９４６万方数据　
、
阿尔泰嵌入式开发板、嵌入式工控板、关键板
嵌入式开发板：包含ＡＲＭ７、ＡＲＭ９、ｘ∞ａＩ、ＣＰＵ为关键教学开发板和企业评定板；
嵌入式工控板：以工业级嵌入式微控制器为关键数据采集和现场控制、远程通讯为一体高端Ｔ业控制产品。
关键板：提供模块化构建嵌入式系统、快速开发、轻松定制。企业现在已形成以产品为主导。以技术服务为支撑产品研发、销售、服务体系。
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或来电垂滴：们∞昏瞎鹅｛镧，４９，８４镧麟。甥戮ｇ《鬈麴
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微处理器能够控制ｉ个步进电机ｓＭｌ—ＳＭ３运动，同时接收键盘命令，达成实时检测和控制目标；另外利用ｕｓＢ通信方法实现数据到闪速存放器存放，大大加紧了数据存放速度。
ＡＲＭ开发和应用
显示起始行为Ｏ。
步◆
图２系统硬件结构
．
（２）写命令子程序：ＬｃＭ—ｗｒｃ伽啪ｎｄＯ。
（３）写数据子程序：ＬＣＭ—ｗｒＤａｔａｏ。
嘞生图形方法下绘点ＬＣＭ—Ｐｏｉｎｔ（ｕｉｎｔ８ｘ＇ｕｉｎｔ８ｙ＇．Ｉ℃０ＬＯＲ
ｃｏｌｏｒ）。
（５）在图形方法下绘线ＬＣＭ－“ｎｅ（ｕｉｎｔ８ｘｏ’ｕｉｎｔ８
ｕｉｌｌｔ８ｙｌ，ＴＣＯＬＯＲ
ｍ
ｕｉｎｔ８ｘ１，
ｃｏｌｏｒ）。
经过调用以上基础底层函数，能够方便地完成数字、汉字、点线和图形绘制。
３．２．２
ｕｓＢ驱动设计
ｕｓＢ模块软件驱动采取广州周立功单片机发展ＥａｓｙＨｏｓＩＭａｓｓ．ａ驱动库。其中ＥａｓｙＨｏｓｔＭａｓｓ是基于ｚＬＧＵＳＢＨＯＳＴＳＴＡＣＫ及ＺＬＧＭａｓｓＳｔｏｍｇｅＣｌａｓｓ驱动封装ＩＳＰｌｌ６０ＢＭ读写ｕ盘驱动库。该库针对ＬＰＣ２１３ｘ系统微处理器配制编译生成。利用现有中间件结构ＵｓＢ软件程序关键包含以下工作：
（１）ＩＳＰｌｌ６０驱动用户接口函数
依据ＩｓＰｌｌ６０硬件连接，编写ＨｏｓｔＭａｓｓＬｉｂ驱动接口文件ｓＹｓ－Ⅱ）Ｃ２１００．ｃ。关键编写ｖｏｉｄｄｉｓａｂｌｅ（ｖｏｉｄ）、ｖｏｉｄｅｎａｂｌｅ（ｖｏｉｄ）、ｖｏｉｄｏｕｔｃｏｍｍ粕ｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｎｄａｔａ）、ｖｏｉｄｏｕｔｄａｔａ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ
ｓｈｏｎ
（１）微处理器：本系统采取Ｐｈｍｐｓ企业基于ＡＲＭ７内核
ＬＰＣ２１３６微处理器。ＬＰｃ２１３６拥有２个８路ｌＯ位Ａ巾转换器，２
个３２位定时器斛数器、ＰＷＭ单元和看门狗。同时包含２个
１６Ｃ５５０工业标准ＵＡＲＴ、２个高速１２ｃ接口及ｓＰＩ和ｓｓＰ串行借口，多达４７个（可承受５ｖ电压）通用Ｉ，ｏ口，和９个边缘
或电平触发外部巾断引脚。
（２）液晶显示模块：采取液晶屏幕为１２８・６４ＬｃＭｌ２８６４５ｚＫ，其字型ＲＯＭ内含８１９２个１６＊１６点汉字字型和１２８个１６＋８半宽字母符号字型。ＬＣＭｌ２８６４５ｚＫ和ｕ）Ｃ２１３６接口采取直接访问方法。
（３）电机控制模块：因为步进电机不能直接接到交直流电源上，所以必需使用步进电机驱动控制器。这里采取Ｌ２９７和Ｌ２９８组成步进电机驱动电路常见方法，其中Ｌ２９７是步进电机控制器，能够产生双极性两相步进电机或单极性四相步进电机控制信号，ｌＪ２９８接收标准ＴｒＬ逻辑电平信号，可驱最高电压为４６Ｖ、每相电流是２Ａ步进电机。
（４）ＵｓＢ模块：采取ＰＨＩＬＩＰＳ企业生产ＵｓＢ主控芯片ＩｓＰｌｌ６０ＢＭ。该芯片是一个兼容ｕｓＢ２．０版规范ｕＳＢＨｃ，支持全速（１２Ｍｂｉｔ，ｓ）及低速（１．５Ｍｂｉｔ，ｓ）两种数据传输模式。ＩｓＰｌｌ６０含有两个下行端口，每个下行端口全部拥有独立过流检测输入引脚及电源开关控制输出引脚。主控器下行端口能和ＵｓＢ兼容性设备及拥有ｕｓＢ上行端口ｕｓＢ集线器连接。
ｄａｔａ）、ｕｎ８ｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｉｎｄａｔａ（ｖｏｉｄ）和中止处理函数。这些函
数全部是和硬件系统相关。
（２）大容量类驱动ＡＰｌ函数
因为一个ｕｓＢ主机控制器可能连接多个ｕｓＢ从设备。所以需要编写大容量类驱动ＡＰｌ函数，每个类驱动程序对应一个ｕＳＢ从设备，比如大容量设备ｕ盘。编写大容量类驱动ＡＰＩ函数关键包含：ｕｓＢ主机初始化函数ｖｏｉｄｕｓＢ－Ｈ０８ｔ＿Ｓｔａｃｋ＿ｌｎｉｔｉａｌ—ｉｚｅ（ｖｏｉｄ）、ＣｒｅａＬＭｅｄｉｕｍＯ函数、ＲｅａｄＢｌｏｃｋＤａｔａ０函数和Ｗｒｉｔｅ—
ＢｋｋＤａｔａ０函数等。
３．３多任务应用程序设计
在各模块驱动程序基础上开发应用程序，实际上就是为系统各项功效划分为任务，并完成任务之间通信。依据测量系统所要实现功效，进行以下任务划分：键盘扫描、ＬＣＤ显
３测量系统软件设计
３．１斗Ｃ／０Ｓ一Ⅱ在ＬＰＣ２１３６上移植
仙Ｃ／０Ｓ一Ⅱ是一个可移植、可固化、可裁剪及可剥夺型多任务实时内核（ＲＴＯＳ），适适用于多种微处理器和微控制器。移植“Ｃ，ＯＳ一Ⅱ关键是对以下３个文件进行修改，ｏｓ—ｃＰＵ．Ｈ、
示、电机控制、ｕｓ８通信、Ａ仍数据采集等任务。对于Ａ／Ｄ数据采集，因为其采样速度很快而且读取次数较多，故采取查询而
不用中止方法读取；键盘扫描凶读取次数较少且读取速度慢，采取中止方法。一样，电机控制和ｕｓＢ通信也采取中止方法。
斗∞Ｓ－Ⅱ是一个基于优先级抢占式实时多任务操作系统，
斗ｃ，０孓Ⅱ要求每个任务优先级各不相同，且优先级数值越大，其优先等级越低。所以依据各任务实时性要求和关键程度＇分别置
它们任务优先级为１０、１２、６、８、５。程序步骤图３以下所表示：
由图４可知’本系统使用消息队列、邮箱和信号量完成任务之间消息交换和协作。在数据采集等任务完成后，向消息队列中发送对应消息，而ＬｃＤ显示任务不停地从消息队列中抓取消息．并对多种消息进行解释和分发，然后经过邮箱开启其它任务如ＵｓＢ通信等。另外，键盘中止则经过信号量１开启键盘扫描任务。
Ｏｓ－ＣＰｕ』．Ｃ、ＯＳ＿ＣＰｕ—Ａ．ＡｓＭ。因为描写移植斗ｃ，０§Ⅱ文章较
多，在此具体移植不再赘述。
３．２设备驱动程序设计
设备驱动程序是操作系统内核和外围设备硬件之间接口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件细节。当外设改变时候，只需更换对应驱动程序，无须修改操作系统内核和运行在操作系统中软件。这么在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序能够像操作一般文件一样对硬件设备进行操作。限于文章篇幅，下面仅介绍经典两个驱动模块。
３．２．１
４结语
本课题将３２位ＡＲＭ技术引入到叶片散射光分布测量系统硬件设计中，提升了测量系统整体硬件水平。提供了一个３２位处理器硬件系统可行性设计方案。同时将“ｃ／ｏｓ一Ⅱ嵌入式操作系统移植到ＡＲＭ硬件处理平台，大大提升了系统实时性和可维护性，有效地处理了以往前后台系统中稳定性和可靠性问题。
ＬＣＤ驱动设计
液晶显示模块采取带字库ＬＣＭｌ２８６４５ｚＫ，内置汉字图形控制
芯片Ｓ”９２０。为了方便液晶显示，在底层编写了以下５个可
供上层调用ＡＰＩ函数：
（１）ＬＣＤ初始化函数：Ｌｃ＾ＬＤｉ印ｌｎｉＯ，初化显示后，清屏并设置
汴转第９９页）
万方数据　
（拿一自控一邮局订阅号：８２－９４６３６０元，年一１４１—
匿囤墅耍垂亟亟噩因
在系统工作过程巾，难免要受到多种干扰，为此分别在硬件和软件方面采取了抗干扰方法。
硬件方面：关键采取隔离和屏蔽方法。１，在控制系统和外部设备进行信号交换、控制器和强干扰设备通讯等方面全部采取了光耦隔离；２对干扰源和易受干扰部件均采取屏蔽方法，信号连线均采取屏蔽电缆连接，弱信号线和强电电缆最少分开ｌ米以上。
软件方面：１，控制系统设置软件看门狗，当系统进入非正常状态１００ｎｓ时，发出报警并使系统复位；２，控制系统和主控计算机采取双向通讯，主控计算机每隔一段时间（如ｌｏｏｎｓ）向控制系统发送一个测试指令，假如主控计算机没有按时发送指令或控制系统没有应答，系统将报警并复位。
进入多任务调整建立邮箱、消息队列
创建任务
单片机开发和应用
（上接第１４ｌ页）
ｍｃ／０ｓ—ＩＩ初始化状态、变量初始化
４结语
本文介绍了基于单片机成像激光雷达控制方法，经过对ＣＣＤ、激光器、接收和发射望眼镜焦距有效调整实现了对目标区域回波信号正确接收。试验证实，所设计控制软件工作可靠，已应用于湍流廓线激光雷达测量系统，并取得了良好控制效果，同时本控制系统还含有一定扩展能力，含有宽广应用前景和实用价值。
本文作者创新点：针对成像激光雷达对延时和脉宽严格要求，设计了本控制系统，实现了对系统自动控制，现在该系统已经应用于实际测量工作中，运行良好。基于单片机成像激光雷达控制方法能够胜任多数采取带有开门时间控制成像激
到
液晶显示一图
３
哪通讯一程
ｌｊ序
流电机控制一程
１图
数据采集
图４系统各任务间通信关系
本文作者创新点：本文在以往用于测量叶片散射光分布试验装置基础上，设计了一个基于ＡＲＭ和斗ｃ／０ｓ一Ⅱ叶片散射光分布测量系统，摆脱了上位机操作限制。并将键盘、液晶、ｕＳＢ、电机控制等模块应用到系统中，实现叶片散射光采集、存放和测量一体化。参考文件
【ｌ】周立功．ＡＲＭ微控制器基础和实战．北京航天航空大学出版社，２００３．１１
光雷达控制，控制精度较高，含有实用价值。
参考文件
１１】张卫，人造信标波前测量伪强激光和粒子束，２００２．１４，３：３７５－３７７。【２】张明峰，ＰＩＣ单片机入门和实战【Ｍ】，北京航空航天大学出版社，２００４年出版。
【３】李艳晴，刘向东，董宁等．基于ＧＰＲｓ／ＧＰＳ车辆监控系统设计【Ｊ１微计算机信息．２００４．２０，４：３８—４０
【４】瞿丹晨，曹柏荣，基于单片机无线水位测量控制系统叨微计算机信息．２００６．２２，８：１２５一１２６
作者介绍：白水成（１９８０一），男，汉，河南渑池，硕士，关键研究方向：大气探测、激光大气传输理论；侯再红（１９６８一），男，副研究员，关键
【２】周立功．深入浅出ＡＲＭ７一ＬＰＣ２１３ｘ，２１４Ｘ．北京航天航空大
学出版社，２００５一０６．
【３】ＪｅａｎＪ．Ｌａｂｒｏｓｓｅ．邵贝贝译．“ＣＯＳ一Ⅱ源码公开实时嵌入式
系统．中国电力出版社，２００１．
［４】劳彩莲，李保国，郭焱，严泰来．一个用于叶片散射光分布测定新型装置及性能评价．农业工程学报，２００５ｆ９）８５—８９．
【５】胡志强，何东健，梁三林．基于ＡＲＭ田间信息采集系统设计和实现［Ｊ］微计算机信息，２００７．２，２：１４４—１４５．
Ｈａｎ
研究方向：大气探测；吴毅（１９６０一），男，研究员，关键研究方向：大气
探测、激光大气传输理论。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＢＡＩ
Ｓｈｕｉ—ｃｈｅｎｇ（１９８０一），Ｍａｌｅ，ｔｈｅ
ｉｎ
ｎａｔｉｏｎａｌｉｔ）ｒ，
ｄｅｔｅｃ—
哺！【ｊ筑李保国．尉赠物硼毫逆嘲科等辐抿２００１４雎２７抛跚
作者介绍：郭雷，男，１９８２．１２，汉族，河北人，巾国农业大学信息和电气
Ｍｉ锄Ｃｈｉ
ＨｅＮ蚰ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｍ髂ｔｅｒ，Ｍａｊｏｒａｔｍｓｐｈｅｒｉｃ
ｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ
ｌ船ｅｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｔｌｌｅｏｒｙ；
工程学院生物物理学专业硕士硕士。研究方向农业生物信息检
测和处理；劳彩莲，女，１９６６．１２，汉族，中国农业大学信息和电气工程学院副教授，硕士硕士导师，现从事生物物理方面研究。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＧＵ０
（２３∞３ｌ中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学关键试验室）白水成侯再红吴毅（７１００１５陕西省气象局）白水成
ａｎｎｏｓｐｈｅｒｉｃｏｐｔｉ嚣Ａ曲ｌｌｉ（Ｌａｂｏ豫ｔｏｒｙ
ａｎｄＦｉ耻Ｍ优ｈａＩｌｉｃｓ，ＣｈｉＩｌｅ辩Ａｃａｄｅｍｙ
ｏｆ
ＩｎｓｔｉｔＩｎｅｏｆｏｆ
Ｌｅｉ（１９８２．１２），ｍａｌｅ，ｔｈｅ
ｏｆ
Ｈａｎ
Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，Ｈｅｉｂｅｉ
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｐｏｓｔ舯ｄｕａｔｅ
ｏｐ廿岱
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓ；Ｃｏｌｌｅ罢ｒｅｏｆ
Ｉｎｆｏｍａｔｉｏｎ蛐ｄ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｓｃｉｅ舭憾，Ｈｅ托ｉＷＵ
Ｙｉ
Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＡ鲥ｃｕｌｔｕｍｌＵｎｉＶｅ碍ｉｔｙ．
ｂｉｏｌｏｇｙ
２３∞３１，ＣｈｉＩ吼）ＢＡＩ（Ｓｈａ肚ｊ
７ｌ∞１５，Ｃｌｌｉ】嘧）ＢＡＩ
Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ：Ａ酣ｃｕｌｔｕｒｅ
ｉｎｆ０瑚ａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅａｎｄｍａｎａｇｅ．
ＳｈＩＩｉ．ｃｈｅｎｇ
ＨＯＵＺａｉ—ｈｏｎｇ
Ｐｒｏｖｉ眦ｉａＩ
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ＳｈＩｌｉ－ｃｈｅｎｇ
（１０∞８３中国农业大学信息和电气工程学院）郭雷劳彩莲
（１０００８３Ｎｏ．０７０９ｍａｎｂｏｘ，ＱｉｎｇＨｕａｅａｓｔｒｏａｄ１７，Ｈａｉ
ＩＭ柚
通讯地址：（２３∞３１安徽合肥中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心１１２５信箱）白水成
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ｄｉｓｔ—ｃｔ’Ｂｅｉｊｉｎｇ．）ＧＵｏ
Ｌｅｉ
ＬＡｏＣａｉ—ｌｉａｎ
通讯地址：（１０∞８３北京市海淀区清华东路１７号０７眇信箱）
刘伟劳彩莲
（收稿日期：０８．０４．０５）（修稿日期：０８．０５．２２）
（收稿日期：０８．０４．０５）僧｝ｊ裔日期：０８．０５．２２）
万方数据　
＠一自控囊邮局订阅号：８２—９４６３６０元，年一９９—

基于ARM叶片散射光分布测量系统设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：
郭雷， 劳彩莲， GUO Lei， LAO Cai-lian中国农业大学信息和电气工程学院,100083微计算机信息
CONTROL & AUTOMATION,24(17
参考文件(6条
1. 郭焱;李保国 虚拟植物研究进展[期刊论文]-科学通报 (04
2. 胡志强;何东健;梁三林 基于ARM田间信息采集系统设计和实现[期刊论文]-微计算机信息 (2-23. 劳彩莲;李保国;郭焱;严泰来 一个用于叶片散射光分布测定新型装置及性能评价[期刊论文]-农业工程学报(09
4. Jean J.Labrosse;邵贝贝 ?COS-II源码公开实时嵌入式系统 5. 周立功 深入浅出ARM7---LPC213X/214X 6. 周立功 ARM微控制器基础和实战
本文链接：