（交通信息工程及控制专业论文）嵌入式远程综合数据采集系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 在企业的生产过程中，往往需要随时检测各个环节的温度、湿度、流量及压力等参 数，同时还要将这些数据传输到数据中心，以便工程技术人员了解各个设备的参数和运 转情况。传统的工作方式下，工程技术人员往往需要亲自到现场记录设备的参数，然后 再整理和记录。这种方式需要花费很多人力和时间，效率低下且容易出错。 本文研究了一种多通道的远程综合数据采集平台，可以分别采集现场的模拟量和数 字量，然后把采集到的数据通过无线网络的方式传送到后台，工程技术人员可以及时了 解现场各个设备的工作情况，并且可以通过发送命令查看生产过程的状态。 本文以a r m 9 嵌入式微处理器s 3 c 2 4 4 0 为核心，基于y c 2 4 4 0 开发板设计了数据 采集硬件电路，包括8 路模拟量输入通道，8 路开关量数字通道和8 路4 8 5 数据通道。 在a d s 集成开发环境下设计了a d 采集控制程序，开关量采集控制程序，基于m o d b u s 协议的4 8 5 数据采集控制程序以及g p r s 无线模块上网控制程序等。 基于a r m 的嵌入式数据采集与处理系统性能优越，通用性好，可扩展性强，可为 各种嵌入式应用提供一套完整的软、硬件解决方案，在工业测量与控制领域有较为广阔 的应用前景。 关键词：嵌入式；$ 3 c 2 4 4 0 ；数据采集；g p r s 大连交通大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，i t sn e c e s s a r yt od e t e c t t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , f l o wa n d p r e s s u r ep a r a m e t e r sa ta n yt i m e i tp i c k su pt h et e s t i n gd a t aa n ds e n d st h e mt od a t ac e n t e rs o t h a te n g i n e e r sc o u l du n d e r s t a n dt h e p a r a m e t e r sa n ds i t u a t i o no fv a r i o u se q u i p m e n t s e n g i n e e r sh a v et og ot ot h ed e s t i n a t i o nb yt h e m s e l v e st or e c o r dp a r a m e t e r si nt r a d i t i o n a lw a y s i tt a k e sal o to ft i m ea n de f f o r t s i t si n e f f i c i e n ta n de a s yt om a k em i s t a k e s t h es u b j e c tf o c u s e so i lam u l t i c h a n n e li n t e g r a t e dp l a t f o r mf o rr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n i t c a nc o l l e c tv a r i o u sc h a n n e l so fa n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a la n ds e n dt h ed a t at ob a c k g r o u n d t h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k e n g i n e e r s c a nu n d e r s t a n dt h es i t u a t i o no fv a r i o u so n s i t e e q u i p m e n t s t h e yc a nc h e c kt h es t a t u sb ys e n d i n go r d e r s t h es u b j e c tb a s e so ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0a n dy c 2 4 4 0d e v e l o p m e n t b o a r dt od e s i g nd a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r e ，i n c l u d i n g8a n a l o gi n p u tc h a n n e l s ，8 - w a ys w i t c h e d d i g i t a lc h a n n e l sa n d4 8 5d a t ac h a n n e l s ic o m p l e t e da da c q u i s i t i o ns o f t w a r e s w i t c hc o n t r o l s o f t w a r e ，4 8 5d a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r eb a s e do nm o d b u sp r o t o c o la sw e l la sn e t w o r k c o n t r o ls o f t w a r eo fg p r sw i r e l e s sm o d u l ei na d se n v i r o n m e n t t h ea r m - b a s e de m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a ss t r o n gp e r f o r m a n c e v e r s a t i l i t y , s c a l a b i l i t y i tc a l lp r o v i d eaf u l lo fe m b e d d e da p p l i c a t i o n si n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i t h a sab r i g h tf u t u r ei nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；s 3 c 2 4 4 0 ：d a t a a c q u i s i t i o n ：g p r s i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：弓寥吗 日期：抄矿 年j 2 月f 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太羹塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通态堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：弓显嵋 日期：w 年i1 月工f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：锹 日期： 2 8 年f 月工f 日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论弟一早 珀t 匕 1 1 数据采集技术 随着计算机技术的发展和普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备。在生产过程 控制和科学研究等领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而，外部世 界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，要将这些信息送入计算机进行处 理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过 程就是数据采集i lj 。 当今信息时代，仪器仪表是实现数据采集的重要工具，它能实现信息的获得、转化、 存取和处理，是信息化技术的一项重要内容。在工农业生产和人类实践活动中，通过仪 器仪表采集数据对工业流程所起到的监测和控制作用越来越大，人们对仪器仪表的依赖 也越来越强。仪器仪表采集数据的精度和速度在很大程度上反映出一个国家的生产力的 发展和科学技术的现代化水平。工业流程中对信息的检测主要是获取设备工作过程中的 参数，并根据参数数据监控和调节装置，以便了解各个设备的运行状态。根据需求的不 同，需要检测的数据也有所不同，一般来说，工业生产过程中需要监测温度、湿度、压 力、流量等参数。 采集技术的网络化是数据采集技术发展的另一个标志性的技术，随着科学技术的飞 速发展，要求测试和处理的信息量愈来愈大、速度愈来愈快。而且，测试对象的空间位 置十分分散，测试任务复杂，测试系统庞大，需要大量测试基本的单元，测试系统中各 测试点之间以及测试点与中央管理计算机之间的信息交换量越来越大，它们之间的配合 也愈来愈密切，因此，提出了测试现场化、远程化、网络化的要求。 由此可见，研究工业流程中的现场数据采集技术和网络技术，可以有效提高生产管 理的自动化水平，对于提高我国企业的劳动生产率和推动社会经济发展具有重要意义。 1 2 嵌入式系统 嵌入式系统被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，其中嵌入式微控制器的品种和数量最多，并 且己经在家庭和工业的各个领域得到了应用。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和 软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的 性能，这样才能在具体应用面前更具有竞争力【2 j 1 3 j 。 嵌入式c p u 具有与通用型c p u 不同的特征，那就是，它不一定使用功能更强大的微处 大连交通人学一i ：学硕十学位论文 理器来取代早期的微处理器，诸如银行所用的p o s 机等产品，只要符合该特定应用即 可，因此嵌入式系统的设计人员有着更广泛的选择范围，可以根据产品的功能、特点、 价格等因素选择合适的微处理器产品。从某种程度上讲，嵌入式系统通常是面向特定应 用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计 的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够将通用c p u 中许多 由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而更有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能 力大大增强，跟网络的藕合也越来越紧密5 1 。 与传统的通用计算机相比，通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口，应用 程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统 则不同，应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行【6 】。但是为了合理地调度多任 务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配开发平台，这 样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。可见，对于 完成特定的功能，嵌入式系统完全可以替代通用计算机，并且在实时性方面做得更好。 1 3 课题研究背景 远程数据采集技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结果。 早期的远程数据采集技术是非实时，非在线采集方式，现代的远程采集技术是实时在线 的方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种传感器 等设备，可以远隔千里就可以随时了解现场的情况，对现场的情况实时进行监督和数据 分析。远程数据采集的模式是与通信技术的发展密不可分的，伴随着通信技术的发展， 出现了三种采集的方式。 ( 1 ) 人工远程采集 这种方式是通过人工对现场参数及现场情况进行记录，然后带回总控室由工程师进 行分析。这就包含了太多的人为因素，无法实现实时的采集，在许多的弊端，这是比较 原始的方式。 ( 2 ) 有线网络远程采集 有线网络远程采集是现代远程采集的模式，将现场各个采样点通过通信线连成网。 根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这种方式也是现在广为使用的方式， 如现场总线。其最显著特点是现场的采样设备将各种传感器获取的设备状态信息转变为 数字信号后，通过网络传送给远程监控系统。远程监控工程师再利用计算机和现代数字 信号处理技术对收到的数字信号进行分析处理，对现场的情况进行评估，最后得出结论。 由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空f b j 影响，因此可以实现真正意义上的 2 第一章绪论 实时在线远程监控和采集。但是这种方式在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各 数据点之间的距离越远，网络的建设费用就会越高。 ( 3 ) 无线网络远程采集 无线网络远程数据采集又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用公网 g s m 。第一种方式由于是自己进行网络构建，包括传输设备，中继站，传输协议制定， 工作量将是惊人的。第二种用g s m 网络实现，这类采集系统的通信方式是依托遍布全 球的g s m 网，它的最大特点是打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游的 监控采集。这类方式主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e r n e t 进行通信，g p r s 技术传 输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的采集系统，实时性强，安全可靠。利用g p r s 进行远程采集，即避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有 网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并且完全利 用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断发展，构筑在 g p r s 网上的远程无线采集系统必将与移动通信技术的发展同步，具有非常广阔的前景。 1 4 本文完成的工作 本文围绕嵌入式远程数据综合采集系统的设计做了很多工作，包括g p r s 移动通信 的原理，g p r s 通信模块的控制使用，a d 数模转换，模拟量采集技术、脉冲量采集技 术、4 8 5 通信协议，以及掌握基于a r m 9 平台的开发技术、包括s 3 c 2 4 4 0 处理器，a d s 工具，b a n y a n 工具等。 在掌握上述技术和工具之后，完成嵌入式远程综合数据采集器的设计。本文的重点 是整个系统的设计方案、硬件电路和软件程序设计。 本文的主要工作集中在以下几个方面： 第一章：简单介绍课题涉及到的几个关键技术，包括嵌入式系统、采集与处理技术，针 对目前数据采集现状做了简要分析，提出本文需要完成的工作。 第二章：介绍g p r s 网络。 第三章：根据需求，提出嵌入式远程综合数据采集器的硬件设计。 第四章：根据硬件设计，完成相应控制程序的编写，并给出相关流程图。 本章小结 本章简单介绍了数据采集的关键技术，目前应用比较广泛的采集技术。对上述技术 分析后，提出本课题需要构建的数据采集系统。本章还提出本课题需要完成的工作。 大连交通大学1 ：学硕十学位论文 第二章g p r s 系统概述 2 1g p r s 介绍 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是第2 5 代移动 通信系统，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁。g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部件 而构成的无线数据传输系统。它的基本功能是在移动终端和i n t e m e t 网络的路由器之间 传输分组数据。 g p r s 是g s mp h a s e2 + z j i 入的非常重要的内容之一，与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力。利用g p r s 进行数据传输具有“永远在线”、“按 流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换等优点【7 】【引。 ( 1 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、 快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 2 ) 高速传输 传输速率高，数据传输速度可达到5 7 6 k b i t s ，最高可达到1 1 5k b i t s 一1 7 0 k b i t s 是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度 的十几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b i t s ，完全可以满足用户应用需 求。 ( 3 ) 快捷登陆 接入时间短，g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。 h ) 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”，或叫“永远在线”，即用户随时与网络保持联系， 即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。 ( 5 ) 按流量计费 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线，计费方式是 按照用户接受和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也是不收 费的。 ( 6 ) 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收。数据业务和语音业务的切换有两 种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 4 第二章g p r s 系统概述 2 2g p r s 移动通信系统 2 2 1g p r s 网络组成单元 g p r s 系统中新引入的网络单元可分为无线部分和数据部分两大类。其中，p c u 属 于无线管理部分，s g s n 属于无线管理和数据管理公用部分，g g s n 则完全属于数据管 理部分。其他一些辅助单元虽然在g p r s 系统中未给出定义，但在数据网络中必不可少， 如域名解析服务器d n s ，动态地址分配服务器d h c p ，网络时间协议服务器n t p 等等1 9 j 。 p c u 和b s c 协同作用，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射，数 据包的拆封和确认，无线数据信道的分配等。p c u 可作为模块单元插入b s c ，或者作 为独立于b s c 的单元存在。s g s n 通过g b 接口提供与无线分组控制器p c u 的连接， 进行移动数据的管理，如用户身份识别，加密，压缩等；通过研接口与h l r 相连，进 行用户数据库的访问及接入控制；通过g n 接口与g g s n 相连，提供i p 数据包到无线 单元的传输通路和协议变换等功能；s g s n 还可以提供与m s c 的g s 接口连接，以及与 s m s c 的g d 接口连接，用以支持数据业务和电路业务的协同工作和短信收发等。g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数据网之间的传输通路，进行 移动用户与外部数据网之间的数据传输。g g s n 起到路由器的作用，它与其它相关网络 单元如p i x ，d n s ，d h s p 等设备协同实现数据业务的接入和传送等功能。g g s n 与s g s n 之间的接口为g n 接口，采用g t p 协议类型；g g s n 与外部数据网之间的接口为g i 接 口，采用i p 协议类型。如图2 1 所示，描述了g p r s 系统的结构。 螭 图2 1g p r s 网络结构图 f i g 2 1g p r sn e t w o r ks t r u c t u r e 白 怠 大连交通大学t 学硕十学何论文 2 2 2 网络运行处理 g p r s 系统通过各网络单元相互作用，完成协议处理和呼叫等功能l l0 1 。在g p r s 系 统中，最常用也是最基本的系统功能包括用户附着和激活p d p 上下文。移动用户在进 行数据传送时，首先需要进行网络附着，就是位置和身份登记，然后通过p d p 激活请 求信息中请网络接入，系统根据接入申请信息中的a p n 信息进行处理，通过d h c p 服 务器进行用户地址分配和身份认证等，最终使合法用户得到i p 地址。在用户附着过程 中，主要涉及无线系统，如p c u 、s g s n 、m s c 和h l r 等业务单元，与数据单元无关。 在激活p d p 上下文过程中，涉及数据单元与无线单元的配合，如p c u 、s g s n 、g g s n 、 d n s 服务器和d h c p 服务器。如图2 2 所示，描述了移动台的附着过程。 位置信息请求 入用户数据一 用户数捌确认 位置信息嘲应 h l r 图2 2 移动台附着示意图 f i g 2 2f i g u r eo f m o b i l ep l a t f o r m 移动台m s 通过附着过程登陆g p r s 网络，从而能够进行位置区的更新，以发起数 据传送和接收过程。m s 在附着过程中，通过p c u 进行接入控制和信道分配，通过s g s n 和h l r 进行鉴权管理，并从h l r 中获得用户签约信息，最终在m s h l s 与s g s n 内部 形成有关用户的移动管理信息。m s 在未进行附着之前脱离g p r s 网络，处于空闲状态， 不能进行任何数据业务操作。附着之后用户得到临时身份识别号，并在m s 与s g s n 之 间建立起逻辑链路，可以进行p d p 上下文激活过程，进行i p 地址的申请。如图2 3 所 示描述了p d p 报文的激活过程。 p d p 分组数据协议上下文包含与某个接入网络a p n 相关的地址映射路由信息。移 动用户通过激活p d p 上下文得到动态地址并可随时通过g p r s 接入特定数据网络。m s 发送p d p 上下文激活请求信息到s g s n ，s g s n 根据a p n 判断可接入性，并通过d n s 等到相应的g g s n 地址，再通过g n 接口转发p d p 激活请求信息到g g s n ，由g g s n 6 第二章g p r s 系统概述 控制进行动态地址分配的接入认证。如果a p n 接入允许，m s 与s g s n ，s g s n 与g g s n 之间q o s 协商通过后分配i p 地址给m s ，并在m s 与相应的s g s n 和g g s n 之间建立 p d p 上下文信息。 b s s 擞活p d p 上卜文请求 激活p d p j 二卜文接收 1d n sl 通过a p 广 信息技搿| g g s n 批五。 发送刨留d p 下蟊卉求竹豇 发送创l 蛰d p 上下文栩应信息 动态 地址分配 明特嘲 图2 3p d p 激活示意图 f i g 2 3f i g u r eo fp d pa c t i v a t i o n 2 2 3 网络通信协议 g p r s 通信协议体现了无线和网络相结合的特御j 。其中既包含类似局域网技术中 的逻辑链路控制l l c 子层和媒体接入控制m a c 子层，又包含r l c 和b s s g p 等新引入 的特定协议。各种网络单元所包含的协议层次有所不同，如p c u 协议体系与无线接入 相关；g g s n 中协议体系与数据应用相关；s g s n 协议体系则涉及两个方面，它既要连 接p c u 进行无线系统和用户管理，又要连接g g s n 进行数据单元的传送。s g s n 与p c u 侧的g b 接口上采用帧中继协议，与g g s n 侧的c m 接口上则采用t c p i p 协议。s g s n 中协议底层部分与无线管理相关，高层部分则与数据管理相关i l2 1 。如图2 4 所示，描述 了g p r s 系统的协议栈。 s n 【k p鬟i 1 ) c p g 耵； 册 l (u 上l r d p t c t j 。 j d 蛩n c 譬 r l l剐“ b s 蚰r 卜一 船s g p m p 卜一 i 仉i p m k l 20 0um cm c k d * 广r 一k d 孙 g s mr j 。( s m r r l i b l 、卜 l l kl i h _l l u - if ,m m s鲻删渊 图2 4g p r s 系统的协议栈图 f i g 2 4p r o t o c o ls t a c ko fg p r ss y s t e m 大连交通大学下学硕十学位论文 2 3g p r s 的应用 以g p r s 为基础的无线数据系统有很广泛的应用，g p r s 网主要为用户提供突发性 的数据业务，g p r s 可以分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向应用两种 1 3 1 1 1 4 o 对于横向应用，g p r s 可以提供网上冲浪、e m a i l 、文件传输、数据库查询、增强 型短消息等业务。 对于纵向应用，g p r s 可提供以下几类应用： ( 1 ) 运输业：车辆及智能调度； ( 2 ) 金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等； ( 3 ) p t m 业务可以完美的支持股市动态、天气预报、交通信息的实时发布； ( 4 ) 公共安全业：随时随地接入远程数据库； ( 5 ) 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和报警，远程 操作； ( 6 ) 提供v p n ( 虚拟专用网) 业务，使企业员工能够随时随地与总部保持联系，降 低公司建设自己的广域网的费用。 本章小结 本章介绍了g p r s 通信系统，并详细分析了g p r s 通信系统的原理和系统结构，介 绍了g p r s 的应用等内容。为后续章节系统模型的提出奠定了理论基础。 8 第三章远程综台数据采集系统硬件设计 第三章远程综合数据采集系统硬件设计 3 1 开发板总体结构 本设计基于y c 2 4 4 0 开发板进行，y c 2 4 4 0 是一款基于a r m 9 的高性能、低功耗开 发板，适用于手持设备，便携终端等。y c 2 4 4 0 开发板分为核心板和底板两个部分通 过1 6 8 插座连接。核心板由$ b c 2 4 4 0 、电源与复位电路、时钟电路、6 4 m 的s d r a m 数 据存储器、6 4 m 的n a n df l a s h 程序存储器构成一个最小系统。底板由一些基本的外设 和接口组成，主要包括：n o r f l a s h 、j t a g 接口、u a r t 接口、u s b 接口、以太网( e t h e m e t ) 接r l 、l c d 接口以及外部总线接口e b i ( e 啦釉a l m l s i 】口l c r 蠡o e ) 等。开发板实物圈3 1 所示： 、“ 图3 1 开发扳实物图 f k3i 姆m o f d e v e l o p m e n t b o a r d 开发板主要硬件资源如下： ( 1 ) $ 3 c 2 4 4 0 a ：3 2 b h a r m 9 2 0 t 内核，标称工作频率4 0 0 m h z ( 2 ) 系统时钟：内部p l l 产生4 0 0 i v i h zc p u 内核工作频率，外部总线频率 1 0 f f - 1 3 3 m h z ( 3 ) 1 0 m h z 卧太网控制器 ( 4 ) 1 通道5 线制串口，2 通道3 线制串口 ( 5 ) 1 通道u s b i 1 主机接口，可接u s b h u b ，扩充多个u s b 主口 ( 6 ) l 通道u s b l l 设备接口 大连交通人学t 学硕十学位论文 ( 7 ) s d m m c 卡接口 ( 8 ) 音频输入输出接口 ( 9 ) 专用复位电路 ( 1 0 ) r t c 实时时钟及大容量后备锂电池 ( 1 1 ) 标准2 0 p i nj t a g 调试接口 ( 1 2 ) 4 只自定义功能l e d 指示灯 ( 1 3 ) 电源指示灯 ( 1 4 ) 6 只自定义按键，用户可以组合为“上”“下”“左”“右”“确认”“取消”6 个常见功 能键 ( 1 5 ) 电源开关 ( 1 6 ) 复位按键 ( 1 7 ) s p i 接口 ( 18 ) 标准配置6 4 m b y t e sn a n d f l a s h ( 1 9 ) 标准配置6 4 m b t y e ss d r a m 本设计基于y c 2 4 4 0 开发板完成8 通道4 - 2 0 m a 模拟量采集，8 通道数字量采集， 及4 8 5 数据采集，并通过g p r s 无线模块将采集到的数据以无线的方式传送到远程数据 中心。系统总体功能框图3 2 如下： 圈曰圈圈囤 g f 瑕s 翘f 二经头 囝围圆圈 图3 2 系统总体功能框图 f i g 3 2f i g u r eo fw h o l ef u n c t i o n 3 2c p u 、时钟电源管理和i o 口管理 远p ， 佐拟 中心 3 2 1a r m $ 3 c 2 4 4 0 嵌入式处理器 本文基于a r m 9 开发板进行数据采集电路的硬件设计，开发板的核心是s a m s u n g 公司的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 1 1 5 】。这是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位嵌入式r i s c j o 鼢图 圣三兰丝堡堑坌塞篓垂篓垂垒堡竺篓盐 微处理器，七频可达4 0 0 m l - i z ，主要面向手持式设备及高性价比、低功耗的应用。 a r m 9 2 0 t 内核使用了5 级流水线，由a r m 9 t d m i 、存储管理单元f m e m o r y m a n a g e m e n tu n i tm m u ) 和高速缓存二部分组成。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高 速缓存由独立的1 6 k j 3 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a p j v l 9 2 0 t 有两个内部协处 理器c p l 4 和c p l 5 ，c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制。处理 器内部结构组成如图3 3 所示。 例3 3 $ 3 c 2 4 4 0 处理器内部结构方框图 f i g3 3b l o c k d i a g r a mo f s 3 c 2 4 4 0 c p u i n s i d e m c m m $ 3 c 2 4 4 0 内部采用了a r m 公司的新型总线体系结构a m b a ( a d v a n e e d m i c r o c o n t m l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) ，包括系统总线a h b ( a d v a n c e dh i 【g hp e r f o r m a n c eb u s l 和外围总线a p b ( a d v a n c e dp e f i p h e r a lb u s ) ，二者通过桥接器( b r i 衄e ) 与d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s 控制嚣连接，如圉3 4 所示。 一嚣一tjo 仁j 焉i f “= ? ? 鼍；二二磊一 ：! ：f ，# ：= 竺二! j ( = 7 ：“：= ! j k - ：，日一# 一j w 肾 、e 一 = _ 嚣盛。 。：，一； - - z 一。：互釜l 蚓3 4 $ 3 c 2 4 4 0 处理器内部总线体系结构 f i g3 4b l bs y s t e mo f s 3 c 2 4 4 0 c p u # 一。 琴喜 大连交通大学丁学硕+ 学位论文 $ 3 c 2 4 4 0 的片上资源十分丰富，其集成功能主要包括： 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器，支持s t n ( s u p e r t w i s t e dn e m a t i c ) ，t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 型带触摸 屏( t o u c hs c r e e np a n e l ，t s p ) 的液晶显示屏； 4 通道的d m a ( 带外部请求管脚) ； 3 通道的u a r t ，2 通道的s p i ( s e r i a lp e f i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围接口) ； 1 通道的多主机1 2 c ( i n t e r - i c ) 总线，1 通道的1 2 s ( i n t e r - i cs o u n d ) 总线控制器； s d ( s e c u r ed i g i t a lc a r d ) 主机、多媒体卡( m u l t i m e d i ac a r dm m c ) 接口； 2 通道的u s b 主机接口和l 通道的u s b 设备接口； 4 通道的p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l m i o n ) 定时器和一个内部定时器； 看门狗( w a t c h d o g ) 定时器； 1 3 0 位通用i o 端h ( g p i o ) ，6 0 个外部中断源； 电源管理：支持正常、漫速、空闲和掉电4 种模式； 8 通道的l o 位a d c 和触摸屏接口：$ 3 c 2 4 4 0 内部集成了8 通道1 0 位c m o s 模数 转换器，最大转换速率为5 0 0 k s p s ，支持片上采样保持功能；触摸屏接口提供4 个位置 开关信号( n x p o n ，n y p o n ，x m o n ，y m o n ) 和2 个模拟输入端( a r n 5 ，a i n 7 ) ，包括外 部晶体管控制逻辑单元和a d c 接口逻辑单元，并产生相应的中断信号： 带日历功能的r t c ( r e a lt i m ec l o c k ，实时时钟) ； 带p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 的片上时钟发生器。 3 2 2 时钟和电源管理 时钟和电源管理模块包括3 部分：时钟控制、u s b 控制和电源控制l i 引。 $ 3 c 2 4 4 0 中的时钟控制逻辑能够产生c p u 所需的f c l k 时钟信号、a h b 总线外围设备 所需的h c l k 时钟信号，以及a p b 总线外围设备所需的p c l k 时钟信号。$ 3 c 2 4 4 0 有 两个锁相环( p l l ，p h a s el o c k e dl o o p s ) ：一个用于f c l k 、h c l k 和p c l k ，另一个专 门用于u s b 模块( 4 8 m h z ) 。时钟控制逻辑可以在不需要p l l 的情况下产生慢速时钟， 并且可以通过软件来控制时钟与每个外围模块是连接还是断开，从而降低功耗。 对于电源逻辑控制，$ 3 c 2 4 4 0 具有多种电源管理方案，从而是每个给定的任务都具 有最优的功耗。$ 3 c 2 4 4 0 中的电源管理模块可以激活4 种模式：正常模式、慢速模式、 空闲模式和掉电模式。 ( 1 ) 正常模式：在这种模式下，电源管理模块为c p u 和$ 3 c 2 4 4 0 中的所有外围设备都 提供时钟。由于所有外围设备都处于打开状态，因此功耗达到最大。用户可以通过软件 第三章远稃综合数据采集系统硬什设计 控制外围设备的操作。例如：如果不需要定时器，那么用户可以断开定时器的时钟以降 低功耗。 ( 2 ) 慢速模式：又称无p l l 模式。与正常模式不同的是，在慢速模式下，使用外部时 钟( x t l p l l 或e x t c l k ) 直接作为$ 3 c 2 4 4 0 总的f c l k ，而不使用p l l 。在这种模式下， 功耗大小仅依赖于外部时钟的频率，与p l l 功耗无关。 ( 3 ) 空闲模式：在这种模式下，电源管理模块只断开c p u 内核的时钟( f c l k ) ，但仍 为所有其他外围设备提供时钟。空闲模式降低了c p u 内核产生的功耗。任何中断请求 可以在空闲模式下唤醒c p u 。 ( 4 ) 掉电模式：在这种模式下，电源管理模块断开内部电源。因此，c p u 和唤醒逻辑 以外的内部逻辑都不会产生功耗。激活掉电模式需要两个独立的电源，一个电源为唤醒 逻辑供电；另一个为包括c p u 在内的其他内部逻辑供电，并且这个电源开关可以控制。 在掉电模式下，为c p u 和内部逻辑供电的第二个电源将关闭。通过e i n t 1 5 ：o 或r t c 报警中断可以实现从掉电模式唤醒。 电源管理部分采用了2 个芯片，分别是a m s l 0 8 4 c m 3 3 和a m s l 0 8 5 c d 。整个开 发板使用5 v 电源供电，由第一级电压转换芯片a m s l 0 8 4 c m 3 3 转换成3 3 v ，供核心 板上的s d 洲，n a n df l a s h 以及c p u 的接口和外设使用。底板上的l e d 指示灯显示 3 3 v 电源是否正常工作。核心板上3 3 v 电压再通过a m s l 0 8 5 c d 转换，输出1 3 v 电压 供c p u 内核使用。电源电路图如下图3 5 所示： 。l 一- m 一，。l 。 晰罗一d。 鼍 d 5 o m ， o m u 八习0 寿 3 啊x o 2， 瓠h m 2 c d c s v一一 金 m “ c 帕_之 艘 1 c ，i 一 i 瞳；一【! | o l 一 - i ，。i = h：= c ， 1 m n 0h l1o j d 图3 5 电源管理图 f i g 3 5f i g u r eo fp o w e r m a n a g e m e n t 3 2 3 $ 3 c 2 4 4 0 通用f o 接口 $ 3 c 2 4 4 0 共有1 3 0 个多功能复用输入输出口，分为9 组，即p o r ta p o r tj 。9 组 i o 口按照其位数的不同，可分为： 1 个2 5 位输出口( p o r t a ) ； 1 个8 位、9 位、1 1 位、1 3 位f o 口( p o r tf 、p o r th 、p o r tb 和p o r tj ) ； 大连交通大学 ：学硕十学侮论文 4 个1 6 位i o1 5 1 ( p o r t c 、p o r t d 、p o r t e 和p o r t g ) 。 为了满足不同系统设计的需求，可以很容易的通过软件对这些i o 口进行配置。每 个引脚的功能必须在启动主程序之前进行定义。如果一个引脚没有复用功能，那么它可 以配置为i o 口。p o r t a 除了用作功能口，只作为输出口使用；其余的p o r tb p o r t j 都可以作为i o 口使用。 在$ 3 c 2 4 4 0 中，大部分引脚都是复用的，所以需要对每一个引脚定义其功能。为 了使用i o 口，首先也要定义引脚的功能。配置这些端口，是通过设置一系列寄存器来 实现的。与配置i o 口相关的寄存器包括：端口控制寄存器( g p a c o n g p j c o n ) ，端 口数据寄存器( g p a d a b g p j d a t ) 、端口上拉寄存器( g p b u p g p 几m ) 、杂项控制寄存 器以及外部中断控制寄存器( e x t n t n ) 等。 如果将端口配置为输出口，数据可以写入到端口数据寄存器的相应位中：如果将端口配 置为输入口，则可以从端口数据寄存器的相应位中读出数据。 端口上拉寄存器用于控制每组端口的上拉电阻位是禁止还是使能。如果相应位设置 为0 ，则表示该引脚的上拉电阻使能；为1 ，则表示上拉电阻禁止。如果使能了端口上 拉寄存器，则不论引脚配置为哪种功能，上拉电阻都会起作用。杂项控制寄存器用于控 制数据端口的上拉电阻、高阻状态、u s bp a d 和c l k o u t 的选择。 3 3 存贮管理 3 3 1f l a s h 存储电路 f l a s h 存储电路采用s a m s u n g 的k 9 f 1 2 0 8 程序存储器芯片，容量为6 4 m ，8b i t 数据宽度，工作电压为2 7 3 6 v ，带有硬件数据保护功能，支持上电自动引导，块擦写 时间为2m s ，数据存储时间可达1 0 年以上。n a n df l a s h 主要用于操作系统内核、文件 系统以及应用程序的固化存储。主要的引脚有：1 0 0 1 0 7 ：数据输入输出引脚；c l e 命 令使能引脚：a l e 地址使能引脚；砸芯片使能脚；冠读使能；露写使能；r b 读 取或忙状态输出【1 。7 1 ，如图3 6 。 3 3 2s d r a m 接口电路 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大 高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行 空间、数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完 成系统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，