毕业设计(论文)-ARM红外传感器设计.doc
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1、目录引 言41 ARM处理器71.1 ARM处理器介绍71.2 ARM920T体系结构92 Linux操作系统142.1 Linux操作系统介绍142.2嵌入式Linux操作系统概述152.3 嵌入式Linux的组成162.4嵌入式系统中使用Linux的优点和缺点173 Linux虚拟机193.1 VMware简介193.2 VMware Workstation的优点204 硬件电路设计214.1 设计思路214.2 UP-Magic core硬件资源224.3 RE200B热释红外传感器254.4 放大电路设计304.5 延时电路设计325 运行结果与分析345.1编译源程序345.2 NF
2、S挂载实验目录测试36结论38致谢39参考文献40附录142附录243附录344附录445附录548摘 要近年来随着社会的进步发展,人们对身边的环境安全越来越关注。红外传感器在这个时候起到了很重要的作用。热释红外传感器主要用于探测红外特征辐射,可感知人体、小动物的热源,适合做热释红外物体运动探测,可以用于报警电路的设计中。本设计基于UP-Magic魔法师实训平台,采用了韩国三星公司生产的S3C2410的ARM9实验开发板。S3C2410处理器是一款基于ARM920T内核和AMNA总线的16/32位RISC嵌入式处理器,主要面向手持设备,以及高性价比、低功耗的应用。本设计介绍了一种热释红外传感器
3、系统的设计方案,电路组成及其组装、调试。这种被动型热释电红外报警器的应用电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中,从而实现了防盗报警功能,达到了安全防护目的。当有人体进入热释红外传感器的探测范围内,传感器将接收到探测到的热源,随后传感器将输出微弱信号,信号要经过放大、比较、延时等几个环节,最后使放光二极管发光,起到报警的作用。关键词:热释红外(PIR)传感器;运算放大器;ARM9;linuxAbstractWith the development of social progress in recent years, people have become increasingly conce
4、rned about the safety of their surroundings. Infrared radiation sensor plays a very important role in this time. PIR sensors are used for detecting the characteristic infrared radiation,percept the heat source of human body and small animals, the design of alarm circuit.The design is based on UP-Mag
5、ic magician Flats and used the ARM9 experimental development board of S3C2410 produced by Samsung. S3C2410 processor is a 16/32 bit RISC embedded processor which based on ARM920T core and AMNA bus, and mainly for handheld devices, and high cost, low-power applications.This design introduces a design
6、 plan of the PIR sensor system, circuit and its assembling, debugging. The Application Circuit of the passive PIR alarm uses the invisibility of the infrared radiation well into the alarm system, and in order to achieve the anti-theft alarm and security purposes. When the body goes into the range of
7、 PIR sensor detection, sensors will receive the detection of heat sources and then the sensor will output a weak signal. The Signal should be amplified, compared and delayed, finally light-emitting diodes emit light, played the role of police alarm.Keywords: PIR sensor; operational amplifier; ARM9;
8、linux引 言红外线是一种光线,是太阳光线中众多不可见光线中的一种具有普通光的性质,可以以光速直线传播。红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现,又称为红外热辐射(Infrared radiation)。红外线可分为三部分,即近红外线,波长为0.751.50m之间;中红外线,波长为1.506.0m之间;远红外线,波长为6.0l000m之间。随着科学技术的发展,红外线越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗、考古、天文、探测等科学领域,即使在日常生活和农业生产中也广泛应用到红外技术。如红外线取暖器、红外自动干手器、红外线报警器、远红外粮食烘干等。热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高
9、灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化,并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路。本文以热释电红外线传感器RE200B为例,介绍它在报警电路中的应用。随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗、报警方面得到了广泛的应用。在电子防盗、人体探测等领域,被动式热释电红外线传感器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点受到广大用户和专
10、业人士的欢迎。近20年来,低成本的热释探测工艺日趋成熟,性能逐渐完善,在照明控制、入侵警、火灾报警、自动水阀、自动门开关以及其它家用电器等领域中都得到了广泛的应用,成为目前性能价格最优的红外传感器的代表,在民用领域占有极其重要的地位。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件热释红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制
11、作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点:(1)不需要用红外线或电磁波等发射源。(2)灵敏度高、控制范围大。(3)隐蔽性好,可流动安装。释电红外传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便,尤其可以进行非接触式测量使其主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断。在民用产品中,其广泛应用于各类入侵报警器、自动开关(人体感应灯)、非接触测温、火焰报警器等自动化设施中。国内热释传感器的市场才刚刚打开,而国内除你塞拉传感器公司生产双元热释传感器及相关的应用产品外,其他技术含量小高的产
12、品及在家电领域的应用开发至今很少有人涉足。面对急剧增加的红外市场,国内传感器行业界应给予足够关注,尽量开发出高起点的热释红外传感器。进年来,国外一些热释传感器在军民用领域的应用又有很多新的进展。近年来,价格低廉的双元传感器在家用安全系统和照明系统中的需求急剧增加,高可靠的四元和多元探测器被大量应用于各种场所的防盗报警和安全保障系统,这种多元传感器在火灾、烟雾探测等领域的应用也越来越广泛。今后,在地质勘测、卫星遥感、环境保护、工业生产工业控制以及自动门、自动水阀、灯光控制方面的应用将会大量增加。红外测温仪在钢铁工业、机械加工工业、动力和电力工业、电子工业、铁路运输、纺织、塑料、玻璃以及食品加工工
13、业中的应用范围极宽,热释传感器在这些领域的市场潜力巨大。美国目前仅耳孔式温度计的生产需求就已超过了100万只,且呈逐年上升趋势,预计这种快速、精确、方便的非接触体温计将会取代传统接触式体温计。目前,热释UFPA是红外成像领域最引人注目的热点之一。该器件在欧美本土的销售价格约为1万美元随着技术进步和规模生产,器件性能会有大幅度提高,而价格有望降到1000美元以内。在民用领域如夜视、消防、工艺控制、机器人、搜索于救援、边境巡逻、车辆防撞、警戒和医疗诊断等方面已经显示出良好的市场潜力,美国每年就有10万具以上消防头盔的需求;国外汽车制作商已经在未来型汽车上安装了热像仪进行夜、雾观察或威胁报警系统;未
14、来只能化的各种家用电器也为这种廉价红外成像器件提供了广阔的用武之地。1 ARM处理器1.1 ARM处理器介绍ARM既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。目前ARM微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。1.1.1 ARM的体系结构ARM的设计实现了非常小但高性能的结构。ARM处理器的简单使ARM的内核非常小,这样使器件的功耗也非常低。ARM是精简指令集计算机(RISC),因为它集成了非常典型的RISC结构特征:(1)一个大的、统一的寄存器文件。(2)加载存储结构,数据处理的操作只针对寄存器的内容,
15、而不直接对存储器进行操。(3)简单的寻址模式,所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定。(4)统一和固定长度的指令域,简化了指令的译码。此外,ARM体系结构还提供:(1)每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位器进行控制,以实现对ALU和移位器的最大利用。(2)地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化。(3)所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。1.1.2 ARM微处理器的应用领域到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。(1)工
16、业控制领域:作为32位的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位16位微控制器提出了挑战。(2)无线通讯领域:目前已有超过85的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。(3)网络应用:随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。(4)消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用
17、。(5)成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。1.2 ARM920T体系结构1.2.1 ARM920T系统结构分析ARM920T采用5级流水线,其结构图如图1-1所示,具有分开的指令和数据存储器,5级流水线具体如下:取值从指令存储器取指令译码读取寄存器操作数执行产生ALU运算结果或产生存储器地址仿存访问数据存储器回写完成结果写寄存器(1)取指:从存储器中取出指令,并将其放在指令流水线。(2)译码:对指令进行译码。(3)执行:把一个操作数
18、移位,产生ALU的结果。(4)仿存:如果需要,则访问数据存储器;否则ALU的结果只是简单地缓冲1个时钟周期,以便所有的指令具有同样的流水线流程。(5)回写:将指令产生的结果回写到寄存器,包括任何从存储器中读取的数据。ARM920T处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式,即采用了指令缓存(I-Cache)和数据缓存(D-Cache)。这样可以把指令访问和数据访问单独安排l级流水线。1.2.2 ARM920T的工作状态从编程的角度看,ARM920T微处理器的工作状态一般有两种:(1)ARM状态,此时处理器执行32位的、字对齐的ARM指令;(2)Thumb状态,此时处理器执行16位的、半
19、字对齐的Thumb指令。ARM指令集和Thumb指令集均有切换处理器状态的指令,在程序的执行过程中,微处理器可以随时在两种工作状态之间切换,并且,处理器的工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但ARM微处理器在开始执行代码时,应该处于ARM状态。当操作数寄存器的状态位(位0)为1时,可以采用执行BX指令的方法,使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态。此外,当处理器处于Thumb状态时发生异常(如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等),当异常处理返回时,自动切换回Thumb状态。当操作数寄存器的状态位为0时,执行BX指令可以使微处理器从Thumb状态切换到A
20、RM状态。此外,在处理器进行异常处理时,将PC指针放入异常模式链接寄存器中,并从异常向量地址开始执行程序,也可以使处理器切换到ARM状态。1.2.3 ARM920T体系结构的存储器格式ARM920T体系结构将存储器看做是从零她址开始的字节的线性组合。从0字节到3字节放置第1个存储的字数据,从第4个字节到第7个字节放置第2个存储的字数据。依次排列。作为32位的微处理器,ARM920T体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。ARM920T体系结构可以用两种方法存储字数据,分别称为大端格式和小端格式。大端格式中字数据的高字节存储在低地址中,而字数据的低字节则存放在高地址中,如图2-3所示。与大端存储格
21、式相反,在小端存储格式中,低地址中存放的是字数据的低字节,高地址存放的是字数据的高字节。如图2-4所示。1.2.3 ARM920T处理器模式ARM920T支持7种运行模式,分别为:(1)用户模式(usr),ARM处理器正常的程序执行状态;(2)快速中断模式(fiq),用于高速数据传输或通道处理;(3)外部中断模式(irq),用于通用的中断处理;(4)管理模式(svc),操作系统使用的保护模式;(5)数据访问终止模式(abt),当数据或指令预取终止时进入该模式,可用于虚拟存储及存储保护;(6)系统模式(sys),运行具有特权的操作系统任务:(7)未定义指令中止模式(und),当未定义的指令执行时
22、进入该模式,可用于支持硬件协处理器的软件仿真。ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变,也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下,当处理器运行在用户模式下时,某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外,其余的6种模式称为特权模式;其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式,常用于处理中断或异常,以及访问受保护的系统资源等情况。2 Linux操作系统2.1 Linux操作系统介绍Linux从1991年问世到现在,短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一,不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争,在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速
23、发展。Linux是从Unix发展而来,所以具有Unix的优良特点,如可靠性、稳定性以及强大的网络功能,强大的数据库支持能力以和良好的开放性等。Linux可支持X86、PowerPC、ARM等多种体系结构,几乎可以运行在所有流行的CPU上,并且已经被移植到多种硬件平台。Linux最大的优势就是免费和开源。任何人都可以从网上免费得到它的最新源码,修改扩展后供自己使用,并且所有的代码都是透明可见的。Linux对硬件的管理采用一个统一的框架进行,同时硬件平台的改动与上层应用无关。图1是Linux系统的软件层次结构图。该图每一层模块都屏蔽了其下各层的具体细节,上层模块不需要知道其以下各模块的实现方法,只
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