文 献 综 述

一、课题的背景

嵌入式系统进入了一个新的历史发展阶段，其标志是近几年来32位MCU(微控制器)的发展。控制系统的网络化、智能化的发展趋势使得传统的8位机已不能满足目前的需求，32位机所具有的海量数据处理与开发控制能力使其逐渐成为主流应用平台^[1]。

温度是工业生产中最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。温度检测在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。采用嵌入式系统进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用^[2]。温度采集系统的开发在很大意义上提高了生产生活的需要，方便了生产中对温度的控制，有效的提高了生产质量。

随着社会发展与生产力水平的提高，温度传感器的成本不断降低，越来越多地被应用到了生产中。工业上用温度传感器监控产生环境温度，农业上使用温度和湿度传感器监测环境状况。目前温度传感器的很多应用仅限于监控温度，即保证环境温度在一个稳定的范围内，环境温度超出稳定范围的时候会触发某些措施，如报警通知人员进行处理^[3]。现有的Linux温度测量系统多是将计算机与温度传感器直接连接，这样就限制了系统测温的灵活性。温度传感器必须靠近计算机，系统部署起来限制很大。另外，由于温度传感器靠近计算机，就有因计算机工作产生的热量影响到温度测量的准确性^[4]。本课题将设计一个适合工业生产现场的测温系统，不将温度传感器直接与计算机连接，而是使用开发板驱动温度传感器，并显示在其自带的液晶显示屏上，这样就使得系统具有了很大的灵活性，在部署的时候只需要将温度传感器安装到需要测量温度的地点，就可在现场方便快速地检测温度及触发报警等。并且单片机功耗很低，成本也是可以接受的。

二、国内外现状及发展趋势

对温度进行准确的测量一直是测控领域中一个重要的研究课题。随着国内外科学技术的不断发展，温度测量技术不断提高。^[5]从测温技术的整个发展过程来看，测温技术大致可分为以下4个阶段^[6]：

1、 模拟式仪表阶段。在这个阶段，主要是利用温度模拟量进行对温度的采集， 主要包括以下几种方法：传统利用物体热胀冷缩原理的方法、利用热阻效应的方法、利用热辐射原理、利用声学原理的测量方法、微波温度检测器技术、激光温度检测技术等。

2、 数字式仪表阶段。该阶段是将数字电路和温度传感器相结合，集成在一起形成新型数字式集成温度传感器的阶段。近些年来，随着微电子技术、自动测控技术和计算机技术的发展，科研人员开发出了一系列的新型数字式集成温度测量仪表。数字式温度传感器一般由以下几个部分组成：温度传感器、数字信号处理器、A/D转换器、存储器（或寄存器）和接口电路、多路选通开关、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）。与传统模拟传感器相比，数字式传感器在分辨率、精度、可靠性、抗干扰能力以及器件小型化方面都有明显的优点，并且相关的温度控制量和输出的温度数据可以与各种微控制器配合使用。但是数字式仪表阶段的温度测量技术受半导体器件本身特性的限制，本身还存在一些不足。比如：测温范围不宽，一般为-50#8212; 150℃。另外，由于简化了硬件外围电路使得软件设计变得更为复杂。

3、 智能化温度测量仪器仪表阶段。嵌入式技术的快速发展为测量仪器仪表不断提供着新原理、新技术及新器件。同时，随着科研和生产的高速发展，又对测控技术提出了更高、更新的要求。近些年来，随着半导体、集成电路和嵌入式微处理器技术的迅速发展，大大地推动了数字化测量技术的发展，尤其是微处理器在测控技术和测控仪表中的广泛应用，使仪器仪表行业成为计算机应用的一个重要领域。^[7]这类仪表用软件来代替部分硬件的功能，使整个仪表的硬件电路大为简化，并且精度提高，功能增强，成本降低，体积减小，集测量、控制和数据处理等多功能为一体，能方便地接入计算机控制系统中。目前，智能化测量仪器仪表越来越被广泛地应用于各个生产部门，在生产过程中起着越来越举足轻重的作用。随着电子技术、通信技术、计算机技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的上述技术对现场的工业生产参数进行检测、监测是实现工业自动化的重要标志。

4、 网络化测温系统阶段。随着分布式自动测控系统技术的不断发展，测温系统正在向着网络化、微型化的方向发展。网络化测温系统阶段是将自动测试技术、虚拟仪器技术和计算机通信技术融为一体，实现了网络化测温。网络化测温系统的最大特点就是远程测控，使得测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需的信息。^[8]免去了测试人员必须到现场对所需要测量的对象进行测量的麻烦，提高测试效率，并且可以实现资源的共享。

尽管随着智能化温度测量仪器仪表阶段的迅速发展，市场上出现了越来越多的针对温度测量的检测仪器，而且其制作的工艺水平和测量的精度、稳定性上都在不断地提高，但是想要得到宽量程、高精度的温度采集，价格都十分昂贵^[9]。所以，本系统设计就是针对以上问题，运用较常规的温度传感器以及价格适中的电子元件构成高性能测温系统，该系统开发周期较短，且系统具有较好的通用性和可移植性。

目前，国内外对温度测量的发展趋势主要分为两个方面：一是充分地利用资源处理技术，广泛地将嵌入式系统运用于工业监控领域，发展数字化、集成化和自动化的温度传感器，是目前测温领域的一大发展方向^[10]；二是探索新的敏感机理，寻求新型温度敏感元件是高精度温度测量的另一个发展方向^[11]。

三、课题的前景及意义

在本设计中，使用温度传感器采集到的温度不仅用于监控，还可以将温度数据记录起来，形成温度的历史记录。这些历史记录可以借由一些统计方法有针对性地进行分析，得出一些有用的结果。

如今，Linux操作系统越来越多的受到了电脑用户的欢迎，因为它可以提供跨平台的硬件支持，并且有丰富的软件支持以及完善的网络功能。同时，Linux系统是一个真正的多用户多任务的操作系统，具有很好的安全性和稳定性。^[12]我们系统所采用的ARM处理器，具有高性能、低功耗和低价格的特点，ARM具有丰富的可选择的芯片，基于ARM核的处理器型号有好几百种，用户可以根据自身应用需求，从性能、功能等方面考察，选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。并且，ARM具有广泛的第三方支持，用户采取ARM开发产品，可以加快开发速度，缩短产品上市的时间^[13]。

本系统采用嵌入式芯片来做控制核心，具有运行速度快，实时性强，容易实现通用接口扩展等优点^[14]。在软件上利用Linux操作系统，使开发更容易，也能充分利用Linux操作系统强大的功能。系统可靠性高，成本低廉，可扩展性强，具有一定的实用性^[15]。

此温度采集系统设计电路简单，方便实用，显示数据实时，准确。在此系统的基础上，也可通过改进，可以加入更多的检测信号，比如湿度，光照度等，实现其他功能的数据采集功能或者进一步完善，实现更强大的工业控制系统^[16]。整个系统除了在传输显示的优势之外，所采集的信息量也多样化，用途也就更加广泛。

参考文献：

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[16]马辉,崔世聪.基于ARM的嵌入式Linux操作系统移植.《工程技术(全文版)》2016,10,27,00263-00263.

本课题需解决的问题：

选择合适的温度传感器，了解开发板硬件结构及Linux操作系统，实现温度数据的采集以及存储管理，然后将数据经通信模块发送至液晶屏上。

拟采用的研究途径：

1、查找资料，观看学习视频，学习Linux操作系统，掌握其建立、配置、基本指令等。

2、了解开发板结构和各功能模块，学习掌握Linux操作系统在ARM上的移植。

3、学习使用emwin图形库，完成液晶显示界面的设置。

4、查阅相关资料，研究学习开发板的硬件电路原理图，使用Altium Designer完成硬件电路图的绘制。

5、分析比较，根据大多数工业现场要求的测温范围及精度选择合适的温度传感器应用于该系统。

6、编写应用层程序。使用Keil5软件进行编程，在网上和书上查看编好的程序进行学习，通过不断地调试改正程序出现的错误。

7、烧录程序至开发板，进行软硬件联合调试，测试、调试并优化程序，不断地改进最终实现任务书中要求的功能。

课题具体框架见下：