1、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 0n 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
2、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, a a devicefor me酗uringscatteringnuxf南mleave8inthepl明eofincidence.c∞sideringgemral畸蚴dexp明si. lightdistributionofleafbase we
3、 on new deviceformeasurillgscattering as ARM and斗C,0S一Ⅱisbmugllt out. ARMis a pmces∞r real—tiIne LPC2136is useditshardcore,flDmwhich was extended on keyboard、LCD、motor、USB,etc.Then,斗C,OS一Ⅱwhich thehardware.The preemptivemultitaskingoperatingsystemtransplanted to drivers《systemha
4、rdware are d%i印ed. Ba舱d on 扯C/OS一Ⅱ,multitask Key was designedaccording requirementsoftlleproject. 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
5、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
6、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
7、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。 灞情登陆:黼ⅣwJa疼嘣黼躲魄ca礴 或来电垂滴:们∞昏瞎鹅{镧
8、49,84镧麟。甥戮g《鬈麴 匿煎妥薹重蓟雯塑垂旦圉 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
9、 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)C210
10、0.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・6
11、4LcMl28645zK,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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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)
17、 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
18、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,
19、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
20、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LPC2
21、13x,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(19
22、80一),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。 Biogr
23、aphy: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
24、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 Meteorol晒caIBure肌,】!【i’柚Sh彻耐 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
25、 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 ‘ 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 L
26、ei, 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:






