（信号与信息处理专业论文）基于arm9的嵌入式数据采集系统设计.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 伴随着计算机和网络技术的高速发展，数据采集系统从传统电路、微机 模式发展为嵌入式系统模式，嵌入式系统在现代工业数据采集中扮演着不可 替代的重要角色。 本文研究的主要内容是利用a r m 9 系列处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 为主控制器， 设计一套嵌入式的数据采集系统。由于大多数工业环境的限制，要求采集系 统具有大容量的存储和无线转发功能。为此本文以$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心，以一 片f p g a 和一片以太网控制器c s 8 9 0 0 a 为辅助来实现系统硬件的数字部分， 模拟部分由两路a d 采集、可变增益放大器和基本放大电路组成。系统还实 现s d 卡存储功能以及各种接口如串口和j t a g 口。 在软件部分实现了l i n u x 系统在开发平台上的移植，分别从b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 内核移植和根文件系统的建立三个方面进行论述。并完成了a d 转换器、s d 卡和c s 8 9 0 0 a 在l i n u x 下的驱动设计，最后设计出数据采集、 存储和转发程序。 在系统的调试和实验过程中，能实现各部分的基本功能，但也存在一些 不足的问题，本文最后对这些不足给出了相关意见，并对系统的进一步研究 提出了一些展望。 关键词：嵌入式；数据采集；$ 3 c 2 4 1 0 a ；c s 8 9 0 0 a ；l i n u x 。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 葺| 皇皇薯_ 量_ _ 皇i i i 昌皇薯宣暑；宣；皇i mii ：- i i 岛 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e 1 1 i g h s p e e dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e ra n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sd e v e l o p e df r o mt h et r a d i t i o n a lc i r c u i t s a n dc o m p u t e rm o d e l st ot h ee m b e d d e ds y s t e mm o d e l e m b e d d e ds y s t e mp l a y sa l l i r r e p l a c e a b l er o l ei nt h em o d e m i n d u s t r i a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st ou s et h e $ 3 c 2 4 10 aw h i c hi so n eo f a r m 9p r o c e s s o rt od e s i g nas e to fe m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s i n c et h e m a j o r i t yo fi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s ，i tr e q u i r e st h ea c q u i s i t i o ns y s t e m w i t hl a r g ec a p a c i t ys t o r a g ea n dw i r e l e s sn e t w o r k s ot h i sp a p e ru s e st h e $ 3 c 2 4 10 aa st h ec o r e a s s i s t e dw i t h 锄f p g aa n dac s 8 9 0 0 at od e s i g nt h e h a r d w a r eo fs y s t e m t h ep a r to ft h ea n a l o g yh a st w oa n a l o g yc h a n n e l s ，w h i c ha r e c o m p o s e db ya d c o n v e r tc i r c u i ta n dv a r i a b l eg a i na m p l i f i e r s s y s t e ma l s o a c h i e v e ds ds t o r a g ec a r d s ，a sw e l la sv a r i o u si n t e r f a c ef u n c t i o n ss u c ha ss e r i a l a n dj t a gi n t e r f a c e i nt h ep a r to fs o f t w a r e ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e m t r a n s p l a n t e dt ot h ep l a t f o r m t h e r ep a r t sa l ed i s c u s s e d ：b o o t l o a d e rt r a n s p l a n t , l i n u xk e r n e lt r a n s p l a n ta n dr o o tf i l es y s t e me s t a b l i s h m e n t i th a sa l s oc o m p l e t e d t h ed r i v e r so fa dc o n v e r t e r , s dc a r da n dc s 8 9 0 0 au n d e rl i n u xs y s t e m f i n a l l y , i td e s i g n st h ed a t aa c q u i s i t i o n , s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o np r o c e d u r e s i i lt l l ep r o c e s so fd e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t ，i tc a na c h i e v et h eb a s i c f u n c t i o n so ft h ev a r i o u sp a r t s ，b u tt h e r ea r ea l s os o m es h o r t a g ep r o b l e m s f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e ss o m ev i e w sa b o u tt h ed e f i c i e n c i e s ，a n dp r o p o s e sp r o s p e c t st ot h e f u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o n ；$ 3 c 2 4 10 a ；c s 8 9 0 0 a ；l i n u x 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) 日期：加d g 年 ，垄毖 弓月7 日 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 伴随着计算机技术的迅速发展，工业数据采集与控制系统已由传统的测 控电路发展为由微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组 成的现代数据采集与控制系统。但是以微型计算机为核心平台的数据采集和 控制系统也逐渐暴露出许多缺陷：工业环境一般条件恶劣，而微型计算机的 防尘、防震等功能较差；体积大，不易携带使用；扩展性差、成本高等。 因此，以嵌入式系统为平台的数据采集系统就应运而生了，嵌入式数据 采集系统具有以下特点： ( 1 ) 可靠性高。嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、 扩展卡相比，具有防震、防尘优点：程序固化在f l a s h r o m 中，不易破坏； 硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。 ( 2 ) 体积小。由于高端微型处理器甚至s o c 的应用，嵌入式系统的体 积不断减小，直接影响数据采集与控制系统的体积，从而形成便携式系统， 携带和使用非常方便。 ( 3 ) 易扩展、功能强。嵌入式数据采集与控制系统很容易扩展出输入 输出( i o ) 接口，实现各种功能。 ( 4 ) 开发周期短、成本低。嵌入式系统开发的数据采集与控制系统，周 期短、成本低，具有微机工业控制系统无法比拟的优势。 随着后p c 时代的到来，现代工业数据采集系统已经从传统电路、微机 模式走进了嵌入式系统模式，嵌入式系统在工业数据采集系统中起着不可替 代的作用。 在许多数据采集环境中，我们无法对采集系统进行现场控制，这就需要 我们把需要的数据采集并存储于如s d ( s e c u r ed i g i t a l ) 卡、c f ( c o m p a c t d i g i t a l ) 卡中。随着无线通信技术的发展，远距离大数据量的数据传输己成 为可能，这样把先进的无线通信技术应用到工业采集控制系统上，可以对系 统进行实时的监控。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 1 2 嵌入式系统概述 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型 机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则给现 代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式系统的快速发展和应用的 日益广泛也极大的丰富、延伸了嵌入式系统的概念。 1 2 1 嵌入式系统的定义 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统 的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。根据电气工程师协会( i e e e ) 的定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设 备。这个定义是从应用方面考虑的，国内一般定义为：以应用为中心，以计 算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统口1 。 1 2 2 嵌入式系统的特点 从上文对嵌入式系统所作的定义可以得出嵌入式系统几个重要特征p 1 ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的专用性很强，其 中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般需要针对硬件进行系统的移植。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和 系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 ( 2 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时 也利于实现系统安全。 ( 3 ) 高实时性嵌入式操作系统。这是嵌入式软件的基本要求，而且软件 要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 嵌入式软件开发走向标准化。为了合理地调度多任务、利用系统资 源，用户必须自行选配r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 开发平台，这样 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 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。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常 也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进 行开发。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机 作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1 2 3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软 件等几大部分组成1 4 1 。 1 嵌入式系统硬件 典型嵌入式系统的硬件基本组成如图2 1 所示，其中嵌入式处理器是嵌 入式系统的核心部件，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器与 图2 1 典型嵌入式系统基本组成硬件 通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它 通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌 入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式处理器 可分为下面几类p 1 。 ( 1 ) 低端的微控制器( m c u ) ：俗称单片机，最大特点是单片化，体积 大大减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。比较有代表性的通用系列 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 和众多的删芯片等。 ( 2 ) 中高端的嵌入式微处理器( e m p u ) ：其基础是通用计算机中的c p u ， 具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高的优点，而且一般在工作温度、抗 电磁干扰及可靠性等方面都做了加强。嵌入式处理器目前主要有 a n a l8 6 8 8 p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 和a r m 系列等。 ( 3 ) 通信领域d s p 处理器( d s p ) ：因为系统结构和指令的特殊设计， d s p 适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。嵌入式 d s p 处理器比较有代表性的产品是t m s 3 2 0 系列和d s p 5 0 0 0 、d s p 6 0 0 0 系列。 ( 4 ) 高度集成的片上系统( s o c ) ：s o c 在一个硅片上实现一个更为复 杂的系统。s o c 可以分为通用和专用两类，通用系列包括t f i c a r e 、m c o r e 、 某些a r m 系列器件等，专用s o c 一般用于某个或某类系统中，不为一般用 户所知。 除了嵌入式处理器以外还有用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功 能的其他部件。根据外围部件的功能可以分为三类嘲： 存储器：静态易失性存储器( 删s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和 非易失性存储器( f l a s h ) 。 接口：应用最广泛的包括并口、r s 2 3 2 设备接口、i r d a 红外接口、s p i 串行外围设备接口、i i c 总线接口、u s b 通用串行总线接口、e t h e r n e t 网口等。 人机交互：l c d 、键盘和触摸屏等人机交互设备。 2 嵌入式系统软件 如图2 2 所示，嵌入式软件系统分为操作系统和应用软件两大部分【丌。 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备 一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间 通信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。目前常见 的嵌入式操作系统有：l i n u x 、w i n d o w s c e 、v x w o r k s 、u c o s i i 等。 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式 硬件平台，能完成用户预期任务的计算机软件p 1 。用户的任务可能有时间和 精度的要求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场 合下不需要专门的操作系统。由于嵌入式应用对成本十分敏感，因此，为减 少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 资源消耗，尽可能地优化。 软件结构 硬件结构 图2 2 典型嵌入式系统基本组成软件 1 3 数据采集系统概述 1 3 1 数据采集技术的概念 数据采集与控制技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采 集、存储、处理以及控制等问题。它是以传感器信号的测量与处理，以微型 计算机等高技术为基础形成的- f 7 综合应用技术，随着计算机技术在工业监 测、控制和管理等方面的广泛应用，数据采集和控制技术就成为这些实际应 用系统的一个重要组成部分嗍0 1 。数据采集与控制技术的硬件主要包括传感 器、采集器、转换器、显示器、致动器和计算机等。软件主要包括通用软件 和测控软件等。它们可以根据实际任务的需要组成不同用途不同规模的测控 自动化系统。这种系统可为农业、工业、国防和科学技术实现现代化做出重 要贡献。 1 3 2 数据采集系统的发展趋势与应用 数据采集与控制系统己经在实现自动化过程中发挥了重大作用。例如， 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在工业自动化中通过采用数据采集系统从各种被测控的工业现场信号源中采 集有关信号，经过调理和转换，使之成为计算机能够接收的数字信号，并由 其进行计算、处理和分析后再转换成能够执行各种控制任务的驱动信号，发 送给有关伺服致动机构和致动器，从而实现整个工业过程的控制任务。任何 一种现代工业过程都可以采用这种系统来实现自动化，因而其作用和经济效 益是巨大的。 目前，数据采集与控制系统正朝着两种趋势发展：一种是分散式控制系 统，它正朝着小型化和直接面向现场的方向发展，同时它标志着工控网络时 代的到来；另一种是分布式系统，它采用高性能处理器或多处理器协同处理 以达到高性能、高可靠性【。为了迎合这些趋势，高端嵌入式微处理器和嵌 入式实时操作系统便成了工控业界的热点。其中核心部件3 2 位嵌入式处理器 在国外己经得到广泛的运用。然而，这些嵌入式处理器由于开发成本十分高， 所以在国内工控领域的应用才刚刚起步。随着近年来国家加大一些重点项目 的投入，特别是在电力系统、铁路系统等方面，a r m 处理器已经开始应用 在高性能高可靠性的专用设备上。相信随着高端微处理器自身的成本和开发 调试成本的进一步降低，其应用将会变得很广泛。 1 3 3 基于嵌入式的数据采集系统的意义 在由单片机和微型计算机组成的工业数据采集和控制系统中，计算机与 计算机、计算机与单片机之间经常需要进行数据交换。由于许多数据采集系 统都是针对自己特定的应用领域而建立的，因此，数据采集与控制系统的应 用范围就受到很大的限制。 而本文基于嵌入式系统a r m 9 2 0 t 平台的设计方法，能够使数据采集与 控制系统的应用范围进一步扩大，具有较高的通用性，并且在采用实时操作 系统后，部分功能的改变只需要添加或删除相关的任务代码，不必对整个系 统进行大的改动，在系统的实时性和可靠性方面也具备了很强的优势。凭借 嵌入式处理器卓越的数据采集与控制能力，在工业领域必然有着更为广阔的 应用空间。 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 4 本论文研究的主要工作 本文的研究方向是基于a r m 9 的嵌入式数据采集系统，该系统完成数据 的采集、存储和发送。主要研究内容包括以下几个方面： 第l 章绪论，主要介绍课题的研究背景和意义，并对嵌入式系统的概念、 特点及组成作了阐述，同时对采用嵌入式进行数据采集的优点作了阐述。 第2 章主要从系统要实现的功能出发，对系统的主控制器和嵌入式操作 系统的选型作了介绍，最后从硬件和软件两方面对系统进行了方案设计。 第3 章是系统的硬件设计，本章论述了系统硬件的各个部分，包括模拟 部分a d 的设计，数字部分详细说明了a r m 和f p g a 以及外围电路的设计， 对各部分的功能详加论述。 第4 章是嵌入式操作系统的移植，本章详细论述u b o o t 、l i n u x 内核以 及根文件系统在本采集系统中的移植。 第5 章是系统的驱动程序和应用软件的设计，对a d 转换器、可变增益 电荷放大器、s d 卡以及c s 8 9 0 0 a 在l i n u x 系统下的驱动程序设计进行论述。 同时也论述了数据采集、存储和转发程序的设计。 第六章是系统的调试和验证部分。 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章系统方案设计 本嵌入式系统需要完成的功能是采集两路数据，并完成数据存储和转发 功能。并且要求系统对前端信号有实时增益控制的功能。通过对设计要求的 理解。拟出数据采集系统的性能指标和要实现的功能： ( 1 ) a d 分辨率：1 6 b i t ； ( 2 ) 2 路模拟输入通道； ( 3 ) 单通道最高采样频率：1 0 0 k b p s ； ( 4 ) 串口通信和r s 4 8 5 通信； ( 5 ) 嵌入式操作系统的支持： ( 6 ) 实现数据存储和转发功能。 2 1 主控制器的选型 一个系统的主控制器的选择非常重要，这关系到系统设计的成功与否。 选择好系统的主控制器要考虑诸多方面的因素，如主控制器的开发难易度、 外围资源是否丰富以及外围资源能否充分地被系统所利用、功耗是否能满足 系统的需要、控制能力是否强、处理能力是否能满足系统的要求、片源问题 以及价格问题等等，这些因素在设计一个系统之前都应该充分地进行调研、 论证和评估，以得出最佳的设计方梨坦1 。 当前可供选择作为主控处理器的处理器芯片种类很多，有单片机、d s p 芯片、a r m 芯片和f p g a ( 现场可编程阵列) 芯片等。这些芯片在诸多方面 各有其侧重点，这要根据系统的需要进行合理地选择。单片机的控制功能比 较强，具有较多外围控制器，但主频较低，计算能力弱，一般适用于任务比 较单一没有太复杂的计算的控制应用场合。d s p 芯片一般用于做数字信号处 理算法的专用芯片，运算能力较强，主频较高，但控制能力一般要弱一些。 a r m 芯片处理能力比较强，控制能力强，功耗较低，但计算能力一般较弱。 f p g a 芯片也可以用来作为主控处理器，f p g a 芯片是一种可编程的逻辑芯 片，它的外围控制器可根据系统的需要来进行定制，可以使用现成的i p 核或 自己编制，运用起来比较灵活，但开发难度比较大、开发周期一般较长。单 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 片机、d s p 芯片和a r m 芯片都是专用集成电路芯片的一种，都有自己的开 发工具、仿真工具、操作系统和应用方面的支持，开发起来难度一般不是很 大，在很多系统中得到了广泛的应用。有时在一个系统中只使用一种专用集 成电路芯片不能完成系统的需要，这时一般采用以上几种类型芯片的组合， 取各自的长处来共同完成系统的功能。根据多次方案论证和考察，本系统决 定采用的主控制器是韩国s a m s u n g 公司a r m 9 处理器中的$ 3 c 2 4 1 0 a 。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。既是一个公司的名字，也是 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司成立于1 9 9 0 年，是知识产权供应商，本身并不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴 公司来生产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供 应商，a r m 公司在世界上的合作伙伴超过1 0 0 个，其中包括半导体工业的 著名公司，从而使其具有大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保 证了基于a r m 处理器核的设计可以很快投入市场m 1 4 1 。a r m 处理器核已有 六个系列的产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o e 、s e c u r c o r e 以及最新 的a r m l l 系列。进一步的产品来自于合作伙伴，例如：i n t e lx s c a l e 微体系 结构和s t r o n g a r m 产品。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 是4 个通用处 理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积 的需求。 a r m 家族的所有成员都共享同一个基本指令集即3 2 位a r m 指令集， 同时不同的产品又可以有不同的扩展指令集，这些扩展指令集包括：1 6 位 t h u m b 指令集、d s p 扩展指令集、s i m d 扩展指令集和j a z e l l e 扩展指令集。 a r m 指令集是基本指令集，它包括数据传输、数据处理、流程转向、协处 理器指令。可以看到，a r m 指令集对于一般的工业控制应用绰绰有余，而 其3 2 位r i s c 的特性使得其性能远比一般的8 1 6 位单片机强大的多，因此也 能用在比较复杂的控制领域，如手机内部的控制单元。t h u m b 扩展指令集是 a r m 指令集的一个子集，而且被压缩成了1 6 位。现在面市的a r m 产品都 支持t h u m b 指令集，它己经成为a r m 核的标准扩展指令集习们。 现在，a r m 微处理器及技术的应用已经深入到工业控制、无线通讯、 网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等各个领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。$ 3 c 2 4 1 0 a 是基于a r m 9 核心的处理器，a r m 9 系列微处 9 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 理器在高性能和低功耗特性方面都提供了最佳的性能。 2 2 嵌入式操作系统选型 从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了百余种嵌入式操作系统，比较流行的有： w i n d o w s c e ，v x w o r k s ，n u c l e u s ，p a l m o s 等，但是开源并且免费的的嵌入 式操作系统只有u c o s i i 和l i n u x n 7 1 。 ( 1 ) w i n d o w s c e w m d o w s c e 是微软公司推出的一种3 2 位多任务操作系统，凭借微软深 厚的技术实力和广泛的市场号召力，w i n d o w s c e 成功应用于资源受限的小型 手持设备及个人信息管理设备。它包含了i n t e r a c te x p l o r e r 的版本，可以和 i n t e r a c t 实现连接、同步交换信息。 ( 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司推出的一个嵌入式实时操作系统。它以 其良好的可靠性和强实时性被广泛应用于军事、通信、航空、航天等高技术 领域中。目前v x w o r k s 是市场占有率最高的实时操作系统，并且被认为是最 优秀的操作系统，同时其价格也是最昂贵的。 ( 3 ) n u c l e u s n u c l e u s 是美国a t i 公司推出的一个嵌入式实时多任务操作系统。其9 5 的代码是由c 语言编写，非常便于移植并能支持大多数类型的处理器，采用 软件组件的方式，各个组件很容易被替换和复用。 ( 4 ) p a l mo s p a l mo s 由美国3 c o r n 推出，己经成为全球最受欢迎的掌上电脑和智能 电话操作系统之一。世界上每三台掌上电脑中有两台运行p a l mo s 软件。它 有开放的操作系统应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需要的应 用程序。 ( 5 ) u c o s i i u c o s i i 是一种抢占式、多任务、移植性非常强、免费公开源代码的嵌 入式实时操作系统。自诞生以来，己经在多个领域得到了广泛应用。它小巧 且移植方便，实时性好，适合工业控制领域使用。而且免费开放源代码，相 比其他商业实时嵌入式操作系统来说成本很低，非常适合开发实用简约的嵌 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 入式控制程序。然而，u c o s i i 操作系统中并没有集成t c p i p 协议栈，因而 无法适应嵌入式设备网络化的需要，必须使用外挂的t c p 1 p 协议栈或者根据 硬件平台和实际应用重新设计并实现新的协议栈。 而本文选用的嵌入式l i n u x 是指对标准的l i n u x 经过适当裁剪后，能够 固化到只有几m b 的小容量存储芯片中，适用于特定嵌入式应用场合的专用 l i n u x 操作系统。当前，嵌入式l i n u x 的研究与开发是操作系统领域的一个 热点。l i n u x 之所以如此成功，与其优良的特性是分不开的p 引。 ( 1 ) 广泛的硬件支持 能够支持多种体系结构的c p u ，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、a l p h a 、 s p a r c 等。目前，l i n u x 已经被成功移植到数十种硬件平台上，几乎支持所 有流行的c p u 。 ( 2 ) 源码开放，软件资源丰富 l i n u x 是开源的操作系统，它使用户获得了最大的自由度。l i n u x 上的软 件资源非常丰富，每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到。 ( 3 ) 内核性能高效，工作稳定 l i n u x 的内核非常稳定。它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其是在 网络服务器领域，得到了大量事实的验证。同时独特的模块设计，使得l i n u x 内核小巧灵活，易于裁减，很适合嵌入式系统的应用。 ( 4 ) 完善的网络通讯，文件管理机制 l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，支持所有标准的网络协议，并 且很容易移植到嵌入式系统中。另外，l i n u x 还支持多种文件系统和图形系 统。 ( 5 ) 大量外围硬件设备支持 l i n u x 的硬件驱动已经非常丰富，支持各种主流硬件设备和最新硬件技 术。 ( 6 ) 良好开发工具包 嵌入式l i n u x 为用户提供了一套非常优秀的完整开发工具链，有十几种 集成开发环境，能够很方便地实现从操作系统内核到用户态应用程序各个级 别的调试。并且大部分开发环境都是免费的，大大降低了开发费用。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 2 3 系统各功能模块定义 ( 1 ) 电源模块 电源模块主要负责向数据采集装置的各个模块直接或间接的提供电源， 并保证足够的可靠性。 ( 2 ) a d 采集模块 a d 采集模块可同时采集两路模拟信号，每一路都带有可变增益放大电 路，可实现对幅度不确定模拟电信号的采集。 ( 3 ) f p g a 模块 实现两路f i f o 作为采集数据的缓冲，控制a d 的时序。 ( 4 ) r s - 4 8 5 通信模块 r s 4 8 5 通信模块主要负责远程数据采集时与p c 机的通信。 ( 5 ) s d 卡模块 完成采集数据存储于s d 卡中。 ( 6 ) s 3 c 2 4 1 0 a 模块 完成对a d 模块模拟信号采集的定时处理，还要对采样的数据进行存储、 上传到上位机处等。定时查询键盘是否有键按下，判断、处理键盘输入的命 令信息。把数据采集系统的一些运行状态信息、数据信息以及串口和r s 4 8 5 通信成功信息进行显示。远程数据采集时，通过r s 4 8 5 通信模块把采集的 数据发送给p c 机，并确认发送成功。 2 4 本章小结 本章主要主要从系统设计要求出发。给出了本嵌入式的采集系统的设计 方案，对主控制器和嵌入式操作系统进行了选型，并定义了系统的主要功能 模块。 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第3 章嵌入式采集系统的硬件设计 3 1 系统的整体架构 本系统是基于两路信号量的数据采集，考虑到需采集的信号在各个时刻 的大小范围是不确定的，所以需要实时监视信号的大小，并能对信号进行可 变增益控制。系统需要支持以太网等多种通讯接口，以便系统与上位机进行 高速高效的数据传输，系统还具有移动存储功能，基于现场的实际工况，需 要系统在正常工作的情况下，能够将数据通过移动存储器保存起来，以便在 其它设备上进行数据分析。 采集系统的硬件结构框图如图3 1 所示。本系统分为模拟部分和数字部 图3 1 采集系统的硬件结构框图 分，模拟部分主要由数字式可变增益控制器和a d 组成，至于前端调理电路， 不在本文讨论范围之内。数字部分是由一片f p g a 、一片a r m 9 、s d 卡、串 口和网络控制器组成的硬件平台。 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 3 2 模拟部分电路设计 由于对前端信号的调理不在本文讨论范围之内，所以模拟部分的功能较 为简单，主要是完成对传感器传输来的信号经过可变增益放大器进行放大， 然后通过a d 进行采集。本系统设计为两路信号同步采集，信号频率在 2 0 h z 一1 0 k h z 。每个通道的采样率为1 0 0 k h z ，这是根据采样定理而设定的【1 9 1 。 3 2 1 模拟电源设计 由于本系统是由电池供电的，考虑到模拟通道低噪声的要求，模拟电源 和数字电源分开，各用一组电池供电，模拟电池组提供+ 8 v 和8 v 的电压为 可变增益电荷放大器供电，其余还需要+ 5 v 电源通过芯片降压来得到。 电源芯片采用t i 公司的t p s 7 1 x x 系列中的t p s 7 1 5 0 ，该芯片可以把+ s v 的降压输出为+ 5 v ，如图3 2 所示为芯片的典型接法社川。 图3 2t p s 7 1 5 0 的典型应用电路 3 2 2 可变增益电荷放大器 本系统要采集的数据的幅度是不确定的，波动范围比较大。而接收机的 终端设备一般只能处理幅度变化不大的信号，信号过强或过弱或忽大忽小都 会使终端设备失效。因此，必须设置一个幅度调节系统，来保证接收机输出 信号幅度的平稳性。增益控制系统就是一个自动幅度调节系统，其基本作用 是，当输入信号的幅度在很大的范围内变化时，严格的控制放大器的增益， 使其输出信号的幅度保持不变或者有很小的变化。也就是说，增益控制系统 1 4 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 是一个动态范围压缩系统。 对于增益控制系统的一般要求如下： ( 1 ) 保证接收机不出现饱和截止失真： ( 2 ) 保证接收机具有足够的动态范围，输出电压变化在允许范围内； ( 3 ) 在调节增益的过程中不显著恶化输入信噪比； ( 4 ) 在调节增益的过程中保持受控放大器的频率特性不变； ( 5 ) 在调节增益的过程中不使输入信号的有用调制规律失真； ( 6 ) 尽可能的抑制不希望的输入起伏； ( 7 ) 对瞬变的输入信号尽快的发生正常的增益调节作用； ( 8 ) 工作的稳定性和可靠性高： ( 9 ) 具有最小的控制功率消耗。 本系统采用的是数字式可变电荷放大器( 模块式器件) ，为双列直插式， 其i n 为输入地，i n + 为输入正，另1 2 脚插座定义如表3 1 ： 表3 1 电荷放大器的管脚说明 l ：5 v 的地2 ：5 v 电源3 ：增益34 ：增益2 5 ：增益16 ：增益07 ：8 v8 ：正负8 v 的地 9 ：+ 8 v 1 0 ：正负8 v 的地1 1 ：输出地1 2 ：输出正 具体增益的倍数由3 、4 、5 、6 四个管脚控制，表3 2 是对应的放大倍数。 ( 控制电平：0 = 0 v 、l = 5 v ) 表3 2 电荷放大器的编码说明 编码电荷增益 增益3增益2增益l增益0 m v p c o 0o0 o 0 1 oo0l0 1 oolol o0ll1 0 o 1l1 1 0 0 10111 0 0 0 硬件设计时，因a r m 的i o 口的输出电压为3 3 v ，可直接将放大器与 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 f p g a 相连，在f p g a 内部将其于a r m 的i o 口相连，软件编程时刻可通过 设定管脚的值来控制放大倍数。 3 2 3 集成运放 在进行放大器电路设计时，选择集成运放需要考虑到多方面的因素，主 要包括增益带宽积、输入阻抗、噪声特性、失调电流、失调电压和温漂等等。 在对多家公司运放相关资料进行阅读和分析后以及芯片货源的考虑，本文选 用了t i 公司的t h s 4 0 3 l ，t h s 4 0 3 1 的主要性能指标如下： 电源电压：单电源供电为9 v 0 3 3 v ，双电源供电为4 5 v - + 1 6 5 v ； 低噪声：输入噪声电压密度为1 6 n v h z ； 输入噪声电流密度为1 2 p a , 厄； 单位增益带宽：4 m h z 。 图3 3 为t h s 4 0 3 1 的连接方式。 ， _ ， 。p 一6 _ - 。日。 一 “，一，_h 一 一一，口? 一 。： 一 二r6 ：一一 。 图3 3t h s 4 0 3 1 的连接方式 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 2 4 放大电路 放大电路类型的选用很有讲究，放大电路的构成方式有基本的单端输入 和差动比例放大电路两种。电路设计中如果合理的设计和使用反馈，便可以 达到减少非线性失真、抑制干扰、扩展通频带、增加输入阻抗和减少输入阻 抗。由于正反馈放大电路的不稳定性所以很少采用，大多数采用负反馈放大 电路，因为在电路中通过引入负反馈可以减少非线性失真、抑制干扰、扩展 通频带等等优点旺。本系统放大电路的设计采用负反馈放大电路的结构形式。 放大电路结构如图3 4 所示： 融 3 2 5 电压抬升电路 图3 4 负反馈放大电路 经过放大、滤波和单端到双端转换后的输出信号是双极性的，而差分a d 转换器的每个输入信号却是单极性的，且它们的共模电压为2 0 v 。因此，有 必要对模拟接收机的输出信号进行电压抬升，以满足a d 输入信号的要求。 本系统采用图3 5 所示的电压抬升电路，直流电压2 0 v 经过一电阻直接 加到放大器的反向输入端，这样输出的信号实际上是原输出信号被抬升了 2 0 v ，然后信号直接进入到a d 的输入匹配网络。从图3 5 可以看出此电压 抬升电路比较简单，但很实用，减少了电路规模，达到了电压抬升的目的。 图3 5 中2 0 v 的直流电压是由美国t i 公司的电压参考芯片r e f 3 0 2 0 提 供的，r e f 3 0 2 0 是t i 公司的高精度、低噪声参考电压源系列芯片r e f 3 0 x x 中的一种。1 脚接+ 5 v 直流电源，2 脚输出2 o v 的稳定直流电压。为保证输 出电压的稳定，在输入输出管脚上各接o 1 u f 的去藕电容。 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图3 5 电压抬升电路 3 2 6 d 接口电路 对采集系统来说，a j d 的选型很重要。首先根据前端信号的频率的要求， a d 的采样率要大于1 0 0 k s p s ，位数要求是1 6 位低功耗的a d 转换器。根 据电路设计的方便，决定采用并行a d ，虽然使得电路板的连线布局变的复 杂，但相对使系统性能的到提高，程序设计的到简化，无需串并转换。 经过反复论证和比较，综合考虑以上因素，本系统选用了美国t i 公司的 a d s 8 3 7 1 作为a d 转换器，构成两路a d 采集通道，每路有自己的独立的 a d 转换器。a d s 8 3 7 1 是一款逐次逼近型并行1 6 b i t 的a d 转换芯片，其主 要的技术指标如下1 ： ( 1 ) 单电源供电+ 5 v 供电； ( 2 ) 最高采样率为7 5 0 k s p s ； ( 3 ) 模拟输入端采用单极性输入，电压范围为0 v 4 0 9 6 v ； ( 4 ) 低噪声性能：6 0 u v ( 有效值) ； ( 5 ) 两种工作模式：单端模式和差分模式； ( 6 ) 功耗：1 3 0 m w ( 在7 5 0 k s p s 时) 。 图3 6 为a d s 8 3 7 1 的结构图。 1 8 哈尔滨t 稗人学硕+ 学位论文 l n i n r e f i n a d $ 8 3 7 1 r e f 3 0 x x 系列 图3 6 a d s 8 3 7 1 内部结构图 b y t e 1 6 ，8 b i t p a r a l l e ld a t a o u t p u tb u s 需外接参考电压，参考电压为4 0 9 6 v ，本文采用t i 公司的 参考电源芯片中的r e f 3 0 4 0 。其典型应用电路如图3 7 所示。 图3 7a d s 8 3 7 1 典型应用电路 因为a d s 8 3 7 1 为单极性输入，而经前段放大后的信号为双极性，故要变 信号双极性为单极性，以满足a d 的输入要求，这就是上一节讲的电压抬升 1 9 玎 而鲥 砀叫至胁 哈尔滨丁稃大学硕十学侍论文 电路，具体接法如图3 8 所示。 v t i c 、i ! 薯。 图3 8a d s 8 3 7 1 的双极性输入 图3 9 显示了当n r d 与n c s 接地时，a d 的转换时序图，b u s y 所给出的信 号可以作为采集数据的读信号。两片a d s 8 3 7 1 的控制线和数据线直接接到 f p g a ，完成数据采集。 i _ - t - _ _ - _ - _ 叫 ii ；盐3 丝业! - l m 芴 t 嚣。e il ：； 骱。耳# 二丰二二j b u s y iii 厂1 1 li ii f i 图3 9n r d 与n c s 接地时a d 转换时序图 3 3 数字部分电路设计 数字部分主要完成对a d 采集的控制、放大器增益码的控制、采集数据 的读取、存储和转发。数字部分功能的实现主要由一片a r m 、一片f p g a 和一片以太网控制器来完成，a r m 起主控作用，由它分别完成对f p g a 和 以太网控制器的控制。下面本文将根据功能逐一论述各个子部分。 3 3 1 主控制器 前文第二章对几种嵌入式处理器的特点和功能作了比较，并通过考察选 2 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 用