基于PXA310平臺(tái)的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2016-12-01
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在工業(yè)控制和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，傳感器對(duì)于工業(yè)控制和生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控作用不言而喻。傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)控系統(tǒng)大都采用單片機(jī)控制，其監(jiān)控的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性不太令人滿(mǎn)意。本文尋找到一套切實(shí)可行的傳感器設(shè)計(jì)方案，其利用溫濕度傳感器芯片，基于PXA310硬件平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)，能有效監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫濕度變化。在周?chē)h(huán)境發(fā)生變化，不能滿(mǎn)足工作要求時(shí)，可以獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并提出預(yù)警，提高生產(chǎn)和工作環(huán)境檢測(cè)的可靠性及實(shí)時(shí)性。
2 溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)
比較了一些傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)方案后，選用SHT10芯片為嵌入式溫濕度傳感器的核心部件。它外圍電路簡(jiǎn)便，相比其他傳感器芯片(DS18B20)有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。
STH10 每秒可進(jìn)行3 次溫濕度測(cè)量，數(shù)據(jù)精度14 bit并且工作穩(wěn)定。其測(cè)量采用CMOSens 專(zhuān)利，所以在測(cè)量效率和精度上要好于DS18B20.DS18B20 采用單總線(xiàn)控制方案(1-wire)，大約每秒測(cè)量一次，9 位數(shù)字式溫度數(shù)據(jù);只提供溫度測(cè)量。其在生產(chǎn)環(huán)境檢測(cè)要求嚴(yán)格時(shí)，就顯得精度和功能有些不足。
2.1 sht10 簡(jiǎn)介
SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定數(shù)字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，他們與一個(gè)14 位A/D 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。其通過(guò)標(biāo)定得到校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在芯片OTP 內(nèi)存中，并利用兩線(xiàn)制串行接口與內(nèi)部電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。
2.2 SHT10 工作原理
SHT10 芯片電源3.3V .傳感器上電后，等待11ms 來(lái)完成"休眠"狀態(tài)。通信復(fù)位和啟動(dòng)傳輸命令后，發(fā)送一組測(cè)量命令(00000101表示相對(duì)濕度RH,00000011表示溫度T)，控制器要等待測(cè)量結(jié)束。這個(gè)過(guò)程需要大約11/55/210ms ,分別對(duì)應(yīng)8/12/14bit 測(cè)量。SHT10 通過(guò)下拉DATA 至低電平，表示測(cè)量結(jié)束?？刂破饔|發(fā)SCK 時(shí)鐘前，必須等待這個(gè)"數(shù)據(jù)備妥"信號(hào)才能將測(cè)量數(shù)據(jù)正確讀入。
測(cè)量和通訊結(jié)束后，SHT10 自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。數(shù)據(jù)傳送采用兩線(xiàn)制串行接口(與I2C 接口不兼容)。
2.3 SHT10 電路原理圖
SHT10 采用LCC 封裝，其DATA 和SCK 引腳分別連接到PXA310 的GPIO78 和GPIO79.PXA310通過(guò)模擬時(shí)序方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍溫濕度傳感器的控制和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。由于SHT10 對(duì)于溫濕度靈敏度很高，在系統(tǒng)集成時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱源(如MCU、LCD等)，否則測(cè)量結(jié)果會(huì)有所偏離;為SHT10 布線(xiàn)時(shí)，周?chē)鷳?yīng)盡量鋪地減少周?chē)骷?duì)其的干擾。SHT10 電路原理圖如圖1 所示。
▲圖1 SHT10 電路原理圖
3 Linux溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)控制的傳感器設(shè)備中，單片機(jī)通常是單線(xiàn)程運(yùn)行。在進(jìn)行溫濕度測(cè)量時(shí)，單片機(jī)需要等待測(cè)試結(jié)果返回，其方法阻礙了其他測(cè)試和操作的同步執(zhí)行。
在嵌入式Linux 系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序?qū)y(cè)試任務(wù)送入任務(wù)隊(duì)列，交出CPU 控制權(quán)，繼而進(jìn)行其他實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行，待內(nèi)核空閑再進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列完成傳感器的測(cè)量，以此提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率和實(shí)時(shí)性。
3.1 Linux 溫濕度傳感器設(shè)備加載
溫濕度傳感器使用Linux 內(nèi)核的Miscdevice 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)將設(shè)備注冊(cè)到內(nèi)核。
Miscdevice 是字符設(shè)備，其主設(shè)備號(hào)為10,設(shè)備及設(shè)備接口函數(shù)定義如下所示。
驅(qū)動(dòng)程序加載設(shè)備時(shí)將調(diào)用內(nèi)核的注冊(cè)函數(shù)。在Linux2.4 和2.6 內(nèi)核中，幾乎所有Linux 驅(qū)動(dòng)程序都依靠如下函數(shù)加載模塊。
驅(qū)動(dòng)程序初始化完成后，上層應(yīng)用程序可以調(diào)用sht10_fops 中的sht10_read 函數(shù)進(jìn)行溫濕度的讀取操作。
3.2 Linux 溫濕度傳感器設(shè)備操作
進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取前，首先要在驅(qū)動(dòng)程序中開(kāi)辟4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，用于存放溫度和濕度測(cè)量值。這里定義全局變量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為unsigned char buf[4].
讀取SHT10 溫濕度數(shù)據(jù)前，需要進(jìn)行端口初始化和SHT10 復(fù)位操作，然后將任務(wù)送于任務(wù)隊(duì)列并阻塞線(xiàn)程，當(dāng)任務(wù)完成返回后再喚醒線(xiàn)程，將讀到數(shù)據(jù)傳遞給上層應(yīng)用程序做進(jìn)一步處理。程序流程圖和實(shí)現(xiàn)函數(shù)如圖2 所示。
評(píng)論