（信号与信息处理专业论文）基于arm数据记录仪软件系统的研究与设计.pdf

摘要 近年来，随着嵌入式技术的快速发展和普及，数据采集记录系统在多个领 域的运用越来越广泛。在实际工程测试时，需要使用数据采集记录仪做电厂现 场振动监测，高空或井下检测，车载振动监测，桥梁悬索检测，机械设备现场 检测，隧道振动检测等。由于数据采集记录仪具有便携性，低功耗，可扩展性 强和功能强大等特点，所以它需要强大的软件系统作为支撑，并且还应具有友 好的图形用户界面，因此研究数据记录仪的软件系统具有十分重要的意义。 本课题的研究工作是基于一个具体的项目便携式数据记录仪，该项目 的目标是运用嵌入式处理器，加上外围的网络数据采集卡，设计一个集数据采 集，数据存储，实时显示波形和数据回显功能于一体的数据采集记录系统。根 据系统功能需求分析，并结合系统的硬件资源，考虑到系统的实用性和方便性， 本文做了以下工作来设计系统。 首先通过比较和方案论证，在权衡了产品性能，成本和可扩展性等各方面 因素后，设计了软件系统的架构。选择了u b o o t 作为系统的启动加载程序；将 开源的l i n u x 操作系统作为项目的核心系统；使用了开源的q t e m b e d d e d 作为整 个系统图形用户界面的开发工具。 接着在总体的软件系统架构的指导下，移植了u b o o t ；编写了硬件的设备 驱动程序且移植了l i n u x 内核；搭建了q t e m b e d d e d 的a r m 开发环境，包括基 于p c 机的x 8 6 版本和基于嵌入式开发的a r m 版本的开发环境；并制作了基于 q t 4 的根文件系统。 然后，在以上两项工作的基础上，设计了数据记录仪的图形用户界面的总 体方案。即主界面与子界面的方案。主界面实现类似于系统菜单的功能，子界 面实现系统所需的具体的功能数据采集功能，实时波形显示功能，波形回 显功能和参数设置功能。并且分别设计了各个功能模块的界面程序，最终将它 们组合起来完成了系统的功能。 最后阐述了项目开发中几个典型的问题的调试和系统关键问题的解决方 法，包括屏幕的旋转和触摸屏校正。并提出了该课题存在的一些不足之处和今 后需要迸一步研究的方向。 关键词：数据记录仪，u - b o o t ，l i n u x ，a r i d ，0 t e m b e d d e d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d p o p u l a r i t y ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s i np r a c t i c a le n g i n e e r i n gt e s t i n g ，w en e e dt ou s et h ed a t aa c q u i s i t i o nr e c o r d e rt o m a k ep o w e rp l a n to n s i t ev i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，a e r i a lo ru n d e r g r o u n d t e s t i n g ，v e h i c l e v i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，s u s p e n s i o nb r i d g e st e s t i n g ，m a c h i n e r ya n de q u i p m e n to n - s i t e i n s p e c t i o n ，t u n n e lv i b r a t i o nt e s t i n ga n ds oo n b e c a u s et h ed a t aa c q u i s i t i o nr e c o r d e r h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sp o r t a b l e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s c a l a b i l i t y ，s t r o n g a n dp o w e r f u l ，i tn e e d sak i n do fp o w e r f u lb u tc o m p a c to p e r a t i n gs y s t e mf l si t sb a s i s a n daf r i e n d l yg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ef o ru s e r sc o n v e n i e n c e t h er e s e a r c ht o p i ci sb a s e do nas p e c i f i cp r o j e c t p o r t a b l ed a t ar e c o d e r ，t h e p r o j e c t sg o a li st ou s ea r mt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y ， c o u p l e d 、 ，i t ht h ee x t e r n a ln e t w o r kd a t aa c q u i s i t i o nc a r d t od e v e l o pap r o d u c tw h i c h h a st h ef u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，r e a l - t i m ed i s p l a ya n dd a t ae c h o w a v ef u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n d i n t e g r a t i o no fh a r d w a r er e s o u r c e s c o u p l e dw i t ht h ec o m m u n i c a t i o na n dc o o r d i n a t i o n w i t ht h ec u s t o m e ra n dh a r d w a r ee n g i n e e r ，ih a v ed o n et h ef o l l o w i n gj o b st od e s i g n t h ep r o d u c t f i r s t l y ，t h ep r o j e c tw a sd e m o n s t r a t e db yc o m p a r i n ga n dw e i g h i n gt h ep r o d u c t s p e r f o r m a n c e ，c o s t ，a n ds c a l a b i l i t yo fa l lt h ef a c t o r s ，t h e nw e v ed e c i d e dt h es o f t w a r e s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rt h ep r o d u c t i nc o n s i d e r a t i o no ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ， c h o s i n gu - b o o ta st h eb o o t l o a d e ro ft h es y s t e m ，u s i n go p e ns o u r c eo p e r a t i n gs y s t e m l i n u xa so s ，a n du s i n gt h eq t e m b e d d e d so p e ns o u r c ee d i t i o na st h eg u i s d e v e l o p i n gt 0 0 1 s e c o n d l y ，b yf o l l o w i n gt h es y s t e m ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt h ew o r kw eh a v e d o n ei nt h ef i r s tp a r t ，w ep o r t e dt h eu - b o o tt ot h eb o a r d ；d e v e l o p e dt h ed e v i c ed r i v e r p r o g r a mf o rt h es y s t e ma n dp o r t e dt h el i n u xk e r n e lt ot h eh a r d w a r e ；t h e nb u i l tt h e q td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb o t hf o rt h ep ca n df o r t h ea r mb o a r d f i n a l l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep r o b l e mt h a tw ee n c o u n t e r e di nt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s ，s u c ha st h es c r e e nr o t a t i o na n dt h et o u c hs c r e e nc a l i b r a t i o n ，t h ep a p e ra l s o p r o v i d e st h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e m s a n dt h e np o i n t so u tt h ep r o b l e m si nt h ep r o j e c t t h a tw en e e dt om a k eo u ta n di nw h i c h w a y t oi m p r o v et h ep r o d u c t sq u a l i t y k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o nr e c o d e r , u b o o t ，l i n u x ，a r m ，q t e m b e d d e d i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它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 的说明并表示了谢意。 签名：盔：! ：蛆占期： 学位论文使用授权书 弘 龟毛沙 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 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和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：彦，j 、娟导师( 签名) ：_ 斌意移日期：m r 加 武汉理丁人学硕七学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章引言 由于嵌入式技术的快速发展和普及，数据采集记录系统在多个领域的运用 越来越广泛。在生产过程中，非常需要随时随地检测各生产环节的温度、湿度、 流量及压力等参数。同时，还需要记录采集所得到的数据，以便进行比较分析 和得出结论，从而调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益以 及提高产品的质量、降低成本并为社会和企业创造价值。在科学研究中，可利 用数据采集记录系统对应用数据进行采集记录，从而获得大量的动态信息，是 辅助科学研究的重要手段之一l l j 。在实际工程测试时，需要使用数据采集记录系 统做电厂现场振动监测，高空或井下检测，车载振动监测，桥梁悬索检测，机 械设备现场检测，隧道振动检测等工作，保证工程的顺利进行同时确保工程的 安全性以保障人民的生命财产安全【2 】。因此，研究和设计数据记录仪的软件系统， 使它具有高可靠性和通用性，较好的易用性具有重要的意义。 本课题为横向课题，为北京波普世纪科技发展有限公司的便携式数据记录 仪项目的一部分。该项目的构成为：以s a m s u n g 的a r m 处理器s 3 c 2 4 4 0 a 为核心系统，搭载核心板底板提供的各种接口，并结合了该公司研制的w s - n 系列的网络数据采集卡而构成的。在嵌入式l i n u x 和嵌入式q t 技术的支撑下， 实现了目标系统的总体设计，并完成了底层系统的构建和应用程序的总体设计。 本课题采用的是a r m 核心板加底板的系统实现方式，此种实现方式易于扩 展功能和移植到其它的基于a r m 系统的应用中【3 j ，且不用重新开发系统的底层 程序。因为系统启动加载程序b o o t l o a d e r ，l i n u x 内核及相关驱动开发都己完成， 而且还可以很方便地移植到新的a r m 系统中，前提是使用类似的核心板。此种 实现方式的优点是：对于平台性的嵌入式系统的构建等底层工作不需要再考虑， 可以将所有的精力都放到应用程序的开发上，减少了开发所花的时间并节约产 品的开发成本和提高产品的回报率。 1 2 国内外发展现状 目前，在嵌入式计算机技术的飞速发展和普及的前提下，加上数据采集 武汉理i ：人学硕士学位论文 技术的进步，同时市场对于数据采集记录的需求的增加，使得数据采集记录系 统得到了非常广泛的应用，因此国内外许多科研单位和技术公司都在积极研制 数据采集产品，以得到更多的市场份额。就行业的状况来看，国外的数据采集 数据记录系统的研制已经相当地成熟，而且种类繁多，性能也很好，功能也很 强大【4 j 。例如数据采集行业的巨头n i( 美国国家仪器) 公司所生产的n i c o m p a c t d a q 型数据采集卡，是一种基于u s b 协议的简单易用并且功能齐全的 数据采集卡。它可以使用简单的u s b 连接方式工作并测量各种数据。该种类型 数据采集卡小巧且性能高。该数据采集卡动态信号时能够达5 0k s s t 5 l 的速率， 其性i i i i 常强大，不过该款产品需要和计算机配合以显示采集的得到的数据而 且价格比较昂贵。在国内，也有比较多的科研机构及公司从事数据采集仪的研 制，国内的市场上也出现了各种型号的数据记录仪。比如江苏东华测试技术有 限公司在2 0 0 9 年生产的d h 5 9 2 5 型动态信号测试分析系统就是一款不错的采集 议，它采用的是工控型嵌入式计算机p c i 0 4 解决方案，软件系统为d o s 系统， 具有1 0 4 英寸触摸屏，1 6 通道的输入，采样频率每通道为5 1 2 k h z t 引，模数转换 器精度为1 6 b i t ，重量为6 k g ，虽然功能较强可是体积也比较大。又如北京波谱 世纪科技发展有限公司生产于2 0 0 9 年开发的w s 一5 9 2 6 型便携信号数据采集记录 仪，也是基于嵌入式工控计算机p c i 0 4 而丌发的，其操作系统也是d o s 操作系 统，运用b o r l a n d 公司的t u r b oc 开发整个系统的应用程序。它具有8 通道输入， 1 6 b i t 分辨率，电压量程正负1 0 伏，最高采样频率为8 0 k h z t7 1 ，电池能持续供电 5 小时左右，外形尺寸( c m ) 为3 0 x 2 0 x 8 ，和江苏东华的d h 5 9 2 5 型动态信号测 试分析系统的体积都比较大。不过屏幕尺寸比d h 5 9 2 5 小，为3 5 寸l c d ，输入 方式为键盘输入。经过对国内外现有数据采集行业产品的性能、功能的了解和 分析，得到数据记录仪产品的概况如下： 首先，国外的数据采集产品种类丰富，采集精度高、采样速度快、功能较 全，但价格较为昂贵，功能强大的数据采集仪一般需要配合p c 机以实现其强大 的功能1 8 l 。软件系统的构成方面，国外如美国的数据采集仪器都是配合p c 机软 件如n i 的l a b v i e w 开发软件来实现的，具有很强的分析功能，不过其便利性不 够好。 其次，国内数据采集仪的体积较大、操作界面不够人性化，而且操作较为 复杂。对于体积较小的数据采集仪来说，其功能又比较单一而且针对性太强导 致不够通用，因而应用范围狭窄，市场反应不好。其软件系统的构成比较落后， 没有应用最新的嵌入式软件技术实现，因此功能单一且操作界面不够人性化。 2 武汉理l ：人学硕士学位论文 最后，国内的数据采集仪与国外的相比在采集精度上和速度上有一定的距 离，在采集软件的开发上也存在较大差距【9 1 ，但是价格上有比较大的优势，对于 精度和速度要求不高的场合，国内的数据采集记录仪的竞争力比国外的强。 1 3 本课题主要工作 本文在分析了数据记录仪的总体需求后，划分了系统的功能模块，并设计 了系统的总体实现方案，采用l i n u x 系统和q t 4 作为系统的核心。在实现的过程 中，编译安装并调试了q t 的开发环境，构建了数据记录仪的l i n u x 系统，完成 了交互程序的设计，并详细说明了构建整个系统过程中调试内核和q t 程序的过 程。 1 3 1 构建系统开发平台 系统采用r e d h a t9 0 作为宿主机开发系统，建立基本的开发环境，安装交叉 编译工具链，安装和配置n f s 网络文件系统以及t f t p 服务以方便调试，安装 和配置主机的t f t p 服务用于u b o o t 下载u l m a g e 到a r m 板内存中，也是为了 加快开发进度；编译并安装用于界面程序设计的q t x 1 1 和q t e m b e d d e d 。其中 包括用于x 8 6 体系的q t x l1 - o p e n s o u r c e s r c 4 3 5 ，该版本的q t 提供了开发的相 关工具如q v f b 等，可以加快开发进度。然后编译安装并调试了针对a r m 的q t e 工具链。最终的可执行程序是由q t e 的库文件和交叉编译器协同生成的。 1 3 2 构建数据记录仪l i n u x 系统 为了将系统引导起来，首先移植了u b o o t ，使它能够初始化硬件并调用操 作系统。为了方便移植和调试l i n u x 内核，在移植u b o o t 时加入了网卡驱动， 使u b o o t 能够支持t f t p 传输，使得u b o o t 能够利用主机的t f t p 服务将内核 镜像文件直接读取到目标系统的内存中启动，省去了烧写内核到n a n df l a s h 的 步骤。接着就是l i n u x 内核的移植工作和与硬件相关的驱动程序的编写和移植工 作。最后制作了内核要用到的文件系统。因为应用程序必须存放在文件系统中 才能被操作系统执行，制作文件系统时需要将交叉编译的q t e 的库文件也加到 目标根文件系统当中。 武汉理j 二人学硕士学位论文 1 3 3 记录仪的交互程序设计 交互程序的设计部分将系统划分为五个界面，这五个界面由一个主界面和 四个子界面所组成。主界面为进入子界面提供接口，在系统中使用虚拟按钮作 为主界面和子界面的接口。当点击触摸屏上的按键后就调用相应的处理函数进 入子界面继续子界面功能的操作。四个子界面分别为可以设置采集相关参数的 数据采集界面；实时显示网采卡所采集数据的波形显示界面；用于回显采集界 面中采集得到数据的波形回显界面；以及用于设置采集清零和系统时间等参数 的参数设置界面。在完成了主界面和子界面的程序设计之后，为了在设置参数 的时候更加快捷和方便，添加了虚拟数字键盘的功能，用于设定采集界面中的 采样时间，避免了采用增量操作的低效率，提高了系统的实用性。 1 3 4 系统调试分析 在系统调试分析章节中，首先分析了内核加载后无法启动的原因并提出了 解决的方法。接着把构建l i n u x 系统过程中出现的典型的内核恐慌现象分成了三 类，并对此三类内核恐慌的具体的表现形式做了较为详细的叙述，在结合了具 体的操作系统环境和所使用的工具链的情况下对该三种内核恐慌做了具体分析 并提出了解决的方法。然后阐述了怎样制作正确可用的补丁文件，而且针对系 统设计中的关键问题屏幕旋转和触摸屏校j 下做了相应的研究并提供了实现 l c d 旋转和t o u c h s c r e e n 校正的方法。 1 4 论文的组织结构 本文在阅读研究了国内外有关嵌入式开发的书籍之后，综合了用户需求和 目标系统的功能需求，设计了一个基于a r m 和l i n u x 的数据记录仪的软件系统。 论文的主要内容为： ( 1 ) 介绍了课题来源和意义，分析了数据记录仪的发展现状，并对课题的主 要研究工作做了个归纳性的介绍。 ( 2 ) 对客户需求做了总结和分析，并做了系统功能分析，在此基础之上给出 了系统方案论证并最终确定了系统的实现方案。硬件平台以a r m 处理器为核 心，使用u b o o t 作为系统的启动加载程序，以开源的l i n u x 操作系统作为整个 4 武汉理丁大学硕十学位论文 系统的核心，运用丌源的q t e m b e d d e d 开发系统的应用程序。 ( 3 ) 构建了数据记录仪硬件与应用程序的接口l i n u x 操作系统。移植了 u b o o t 和l i n u x 内核，并移植了l c d 驱动和n a n df l a s h 驱动程序以及编写了模 数转换器的驱动程序，最后制作了支持q t 4 的根文件系统。 ( 4 ) 首先构建并调试了开发q t 程序的平台，包括针对宿主机的x 8 6 体系的 平台和针对目标系统a r m 体系的开发平台，对于构建q t 4 开发平台过程中所遇 到的问题做了分析并给出了解决的方法。然后为数据记录仪系统增加了实用的 软键盘功能用于实现采样时间参数的设置。最后设计了数据记录仪界面构成的 总体方案，完成了主界面程序和各个子界面程序的设计工作，并且组合了各个 模块从而实现了比较完整的系统交互功能。 ( 5 ) 首先分析了内核加载后无法启动的原因并提出了解决的方法。接着给出 了三种典型的内核恐慌现象的解决方法。然后阐述了怎样制作正确可用的补丁 文件。最后给出了系统设计中的关键问题屏幕旋转和触摸屏校正的方法。 ( 6 ) 总结，对本课题所做的研究工作做了一个比较简要的回顾，并对课题的 完成情况做了概要性总结，分析了系统的不足之处，提出了改进的方向和意见。 武汉理r = 人学硕十学位论文 第2 章系统功能需求分析 2 1 系统的需求分析 由于数据记录仪是一款嵌入式产品，而且嵌入式系统是针对具体的产品来 开发的，因此在系统丌发初期需要做需求分析，以弄清楚所要开发产品的需要 具有怎样的功能和产品所需要达到怎样的性能标准。有了产品的功能需求和性 能标准作为参照就可以确定设计任务和目标并且还可以在有需要时调整系统功 能和设计。 2 1 1 系统总体设计目标 本课题依托于北京波普世纪科技发展有限公司的数据记录仪项目。客户对 于该产品的要求为：能够比较方便地采集实际的工程数据并记录，具有图形用 户界面，操作比较方便，系统能够使用电池供电并工作8 小时左右。为了更清 楚分析用户的需求，现列表如表2 一l 所示。 表2 1 需求分析表格 项目描述 名称 便携式数据采集记录仪 使用户能够比较方便地采集实际t 程测试的数据并且记录而不需要计 目的 算机的参与。仪器搭载相应的采集卡就能实现相应的采集功能，比如说 搭载振动测试传感器就能实现对振动数据的采集 输入振动检测所得到的数据 输出l c d 显示屏，p c 机直接读取s d 卡 能够实时显示采集号采集得剑的振动波形；能够实时存储采集卡采集得 功能 到的振动波形剑s d 存储每；能够通过网口设置采集膏的相关采集参数 系统能够流畅运行；在显示和采集过程中，对图形用户界面的操作要能 性能 及时响应 功耗采用1 2 v 大容量锂电池供电能达8 个小时 6 武汉理上人学硕七学位论文 2 1 2 系统功能模块划分 通过2 1 1 中的需求分析可以将便携数据记录仪的功能分为数据采集，参数 设置，波形回显，实时显示波形等功能，下面针对各种功能做具体的阐述。 ( 1 ) 数据采集功能。产品的名称为便携数据记录仪，但是要实现数据的记录 功能首先得要有有数据的采集功能【j 0 1 。数据采集的硬件部分采用数据采集卡成 品，为客户公司所开发的w s n 系列的网络采集卡。该部分的功能实现需要要 利用网口和网络采集卡通信，发送命令控制采集卡的丌始采集与停止。 ( 2 ) 参数测量功能。网络采集卡并没有处理采集所得到的数据，所以a r m 必须处理采集的到的数据。参数测量部分主要以采集得到并放入系统s d r a m 中 的数据为处理对象，通过各种方法计算出所采集信号的周期，频率，幅值等参 数【1 。 ( 3 ) 波形回显功能。数据记录仪所需要实现的另一个功能就是波形的显示功 能，能够将采集存入s d 卡中的数据读取并显示，让用户对采集得到数据的波形 有一个总体的把握。 ( 4 ) 波形显示功能。数据记录仪在非采集数据时应该能够实时显示外部输入 的波形，有一个简单的实时波形显示功能以供用户观察波形，使用户对波形的 的情况有大致的了解。 ( 5 ) 参数设置功能。除了采集界面中需要设置比较详细的采集参数外，还需 要设置与采集相关的参数和系统的参数。如设冠系统时问，设置采集的方式等， 是否采集清零，是否数据标定。 2 1 3 功能需求 设计一款产品或者开展一个项目必须要有明确的需求，对于本课题设计的 便携式数据记录仪而言，需要知道数据记录仪应该具有怎样的功能，有什么特 点，而这些功能和特点不仅决定了数据记录仪最终以什么样的形态出现【l 羽，而 且还对项目开发初期的芯片选型，硬件设计，操作系统选型，g u i 平台的选择， 项目规划以及整个开发过程都具有重要的指导性意义【l 3 1 。 结合2 1 2 中的功能模块划分，得出数据记录仪的功能需求分析如表2 2 所 示。该表对系统的硬件和软件所需的功能都做了相应的分析。 7 武汉理工人学硕士学位论文 表2 2 功能需求分析表 项目 说明 w s - n 系列网络数据采集譬，采样频率可达1 0 0 k h z 。采集砖a d 信号采集设备 转换器的位数为1 6 位 输出设备3 5 寸n e c 彩色l c d ，分辨率为2 4 0 x 3 2 0 输入设备触摸屏 程序存储器 n a n df l a s h ，容餐为6 4 m 州件存储器 n o rf l a s h ，容量至少为1 m 数据存储器s d r a m ，容量为6 4 m 数据存储介质s d 旨 系统调试接口j t a g ，引脚为2 0 针：通用异步串口 主频2 0 5 m h z 及其以上，具有u a r t 通用异步串口，l c d 控制器 嵌入式处理器 和触摸屏接口，s d ，m m c 控制器，n a n d 和n o rf l a s h 控制器等 启动加载程序支持网络调试功能 嵌入式操作系统有较优越的实时性，容易移植，可以剪裁，并且体积较小 嵌入式文件系统支持n a n df l a s h 并且有较好的读写性能 2 2 软件总体结构设计 数据记录仪需要很容易地扩展功能，能够结合不同的数据采集卡实现不同 的数据采集功能，如搭配具有振动传感器的采集卡就可以采集振动数据，与具 有压力传感器的采集卡结合就能够采集压力参数，而各种采集卡的数据传输的 方式又有多种，如基于u s b 数据传输的采集卡和基于网络数据传输的采集卡， 为了使产品具有较好的适应性以方便后续开发，系统应该具有操作系统的支持。 为了方便用户使用，图形用户接口也是必须的。 在2 1 节的需求分析的前提下，结合了数据记录仪软件必须模块化以便于扩 展的特点，将数据记录仪的软件构成设计成如图2 1 所示。将系统划分为三个 大的部分：最底层为硬件电路部分，为软件系统运行的基础；中间层为封装硬 件细节和为应用程序运行提供支持的软件系统部分；最上层为实现系统应用功 能的应用软件部分。中间层的软件平台部分又包括了负责初始化硬件的启动加 载程序和对硬件实现封装的操作系统及相应的驱动程序，这一层是应用程序运 行的基石【l 4 。 8 武汉理工人学硕十学位论文 2 3 开发平台的选择 图2 1 数据记录仪总体结构 根据2 2 节的分析和图2 1 的系统结构图所示，系统的构成方式已经十分清 晰，现在需要对各个部分的实现给出具体的解决方案，这个方案需要综合考虑 用户需求以及功能需求分析所得出的结论，还需要权衡开发周期和开发难度， 以及开发的成本等各种因素。 根据国内外现状的研究得知，市场上有一部分数据采集仪的硬件部分基于 嵌入式工控机p c i 0 4 开发的，而相应的软件系统是以d o s 操作系统为核心，采 用b o r l a n d 公司的t u r b oc 开发整个系统的界面和应用程序。在第l 章里介绍的 东华的d h 5 9 2 5 型动态信号测试分析系统采用的就是该架构，北京波谱的 w s 5 9 2 6 型数据记录仪也是该架构。产品的软件系统的实现采用d o s 和c 语言 开发有许多不足之处，现列举一下四点。缺点一：d o s 是单用户、单线程的操 作系统，每次只支持一个程序的运行，因此记录仪的应用程序不能开辟两个线 程来分别实现波形显示和参数计算，使得系统响应速度降低了。缺点二：因为 在d o s 操作系统中运行的程序允许直接读取或写入数据到端口或内存，所以应 用程序很容易破坏操作系统数据，给系统的安全性埋下了隐患。缺点三：不使 用g u i 平台而采用纯c 语言开发的交互程序不够美观且开发效率低下。缺点四： 9 武汉理上人学硕士学位论文 使用c 语言编写的程序在系统很庞大的时候，如果要加入新的功能就需要做比 较大的改动，增加了开发难度。 2 3 1 平台选型 嵌入式处理器是数据记录仪中最为核心的部分。数据记录仪的处理器应该 具有四个特点，如表2 3 所示。 表2 3 处理器应该具备的四个特点 特点描述 为运行操作系统关键代码和用户代码提供强有力的措施以避 存储区保护功能强 免用户区代码的执行破坏操作系统关键代码而导致系统崩溃 对实时性和多任务有很强的支持能力，能够完成多任务并有较 实时性和多任务功能强 快的中断响应速度 数据记录仪为移动设备，采用电池供电，对于功耗的要求比较 处理器功耗低 高，冈此处理器的功耗必须很低 可以加快硬件开发的速度而且还能保证所开发出来的硬件具 外同控制器多 有较高的稳定性能1 1 6 】 使用嵌入式工控机p c i 0 4 不需要自己做底层的开发，p c i 0 4 的供应商已经 做好了底层的开发。该方式能够加快开发进度，但是开发出的系统会具有比较 大的尺寸和功耗，不适合便携设备。而高级精简指令集微处理器a r m 具有耗电 低，功能强和成本低等特点，并且s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 被广泛用于设 计手持设备，p o s 机，数字多媒体播放器和工控设备等，它具有高性能，低价 格和低功耗等优点7 1o $ 3 c 2 4 4 0 a 内部具有丰富的功能单元和接口：内存管理单 元m m u ，支持s t n 型和t f t 型的l c d 控制器，n a n df l a s h 控制器，s d m m c 卡控制器，支持从n a n df l a s h 通过“垫脚石”引导系统，3 个通用异步收发器 u a r t ，8 通道1 0 位模数转换器和触摸屏接口等i1 3 】。其主频可以达到4 0 5 m h z ， 完全可以满足数据记录仪对系统控制和数据处理的要求。基于该款处理器众多 的外设资源和高性价比，最终选择$ 3 c 2 4 4 0 a 作为本课题的核心处理器。 2 3 2 引导加载程序的选择 目标系统加电后首先会执行固件中的程序，该程序就是引导加载程序。尽 管引导加载程序只运行非常短的时间，但是它对于嵌入式系统来说却非常重要。 嵌入式系统中的引导加载的作用和p c 机中的基本输入输出系统的作用是一样重 l o 武汉理j ：人学硕士学位论文 要的【l 引，它的主要任务就是初始化处理器和相关的硬件设备，传递参数给操作 系统内核，最后将操作系统内核装载到内存中运行。至此，引导加载程序的任 务就全部完成了。在嵌入式领域里面比较常见的引导加载程序有通用启动加载 程序u b o o t ，v i v i ，r e d b o o t 等等。 ( 1 ) u b o o t 特性分析 u b o o t 是的中文名称为通用引导加载程序，是一个遵循g p l 条款的开放源 码项目。通用引导加载程序u b o o t 的源码目录、编译形式与l i n u x 内核很相似。 u b o o t 支持很多的嵌入式操作系统引导，而且还支持许多种p c 机的操作系统。 u b o o t 还支持许许多多的处理器。所以，u b o o t 被称为通用的引导加载程序。 u b o o t 不仅支持多种操作系统和种类繁多的各类处理器，而且具有丰富的命令 并且具有强大的网络功能1 2 们，支持t f t p 协议下载内核并通过网络启动系统， u b o o t 既支持从n o r 启动也支持从n a n d 启动。 ( 2 ) v i v i 和s u p e r v i v i 特性分析 v i v i 是由韩国m i z i 公司原创的，开放源代码的，功能比较简易的且小巧的 启动加载程序。目前v i v i 已经基本停止发展，韩国m i z i 公司不再维护。v i v i 主 要适用于三星$ 3 c 2 4 x x 系列a r m 芯片，用以启动l i n u x 系统，支持串口下载 等常用简易功能【2 。在v i v i 的基础之上，广州友善之臂计算机科学技术有限公 司做了一些改进产生了s u p e r v i v i ，s u p e r v i v i 不提供源代码，它在v i v i 功能的基 础上，增加了自动识别并启动l i n u x ，w i n c e ，u c o s 等不同嵌入式操作系统的 功能，也增加了烧写c r a m f s ，y a f f s 等文件系统的功能，支持基于d n w 工 具的u s b 下载功能，也支持将程序下载到内存中运行。 ( 3 ) r e d b o o t 特性分析 r e d b o o t 是红帽子公司开发的一款启动加载程序，能独立独立运行在嵌 入式系统上，它的功能比较强大而且移植性好。r e d b o o t 允许通过串口和网 口为嵌入式设备下载可执行应用程序，它提供了能与g n u 项目提供的g d b 相配合调试嵌入式应用程序的机制1 2 2 1 ，以此来方便开发，它还提供了命令 交互模式使开发人员可以烧写闪存镜像并配置r e d b o o t 。r e d b o o t 的网络功 能比较强大，可以方便开发，不过它不如u b o o t 流行，因此相关的参考资 料不多。 上面列举并分析了三种启动加载程序的特点，现在将它们作比较以确定使 用哪款作为系统的启动装载程序。将u b o o t 和v i v i 相比较，u b o o t 具有强大的 网络功能，方便调试，有利于加快项目开发的进度，而且u b o o t 一直有人维护， 武汉理一r 人学硕士学位论文 而v i v i 没有；u b o o t 与r e d b o o t 相比，两者都具有很强大的网络支持，但u b o o t 更为流行，能够获取更多的资料，会使项目更为顺利的进行。虽然s u p e r v i v i 的 功能也很强大，但是它为广州友善之臂计算机科技有限公司所维护而且不提供 源代码。由于引导加载程序很强的硬件依赖性，且本系统的硬件平台和该公司 的产品不可能完全一样，所以不能在项目中使用此款b o o t l o a d e r 。经过对比各款 引导加载程序的优缺点并综合u 。b o o t 开放源代码，有较高的可靠性和稳定性， 支持网络下载内核并通过网络启动系统，具有丰富的设备驱动源码，以及具有 丰富的命令并且具有强大的网络功能等诸多优点，最终选择u b o o t 作为系统的 启动加载程序。为了更直观地了解各款b o o t l o a d e r 的特点，将以上分析对比制成 表格，如表2 4 所示。 表2 - 4 各款b o o t l o a d e r 特点对照表 名称操作系统支持网络调试开源性维护状态资料串口传输 不支持开源基本停止较丰富支持v l v ll i n u x s u p e r v i v i l i n u x ，w i n c e不支持不开源维护中较少支持 r e d b o o t l i n u x ，w i n c e支持开源维护中不多支持 u - b o o t l i n u x ，w i n c e ， 支持开源维护中丰富支持 v x w o r k s 等 2 3 3 操作系统选型 由于数据记录仪所实现的功能比较复杂，若不使用操作系统而编写裸机程 序实现功能会加长开发周期，而且使得程序不容易扩展。所以需要有一款操作 系统来管理系统的硬件资源以及为应用软件的运行提供环境。因此选择一款合 适数据记录仪的操作系统显得尤为重要。需要考虑操作系统本身是否提供开发 工具，操作系统向硬件接口移植的难度，操作系统对内存的要求以及操作系统 的可剪裁性等问题，还有一点比较重要的是要考虑操作系统的使用费用问题， 务必要控制产品的成本以提升市场竞争力。目前市场上比较常见的嵌入式操作 系统有以下几款： ( 1 ) v x w o r k s 特性分析 v x w o r k s 是由美国风河公司设计的一款嵌入式实时操作系统。v x w o r k s 的 优点挺多，比如高性能的内核以及友好的用户开发环境等。由于它的设计优秀 并且加上风河公司的强大实力和对该款系统的支持，使得该款系统在嵌入式实 武汉理丁大学硕+ 学位论文 时操作系统领域的地位不可忽视【23 | 。v x w o r k s 在很多对性能和实时性要求都很 高的领域中得到了广泛的应用，不过其价格的昂贵使得很多要求不太苛刻的应 用与之绝缘。 ( 2 ) w i n d o w sc e 特性分析 此款操作系统为微软所设计，w i n d o w s c e 是针对移动应用的一款嵌入式操 作系统，它是一个基于掌上型电脑类的电子设备3 2 位的嵌入式操作系统。相对 来说，开发w i n d o w s c e 的应用程序比较简单，因为微软提供了方便的集成开发 环境和开发工具1 2 4 1 ，这样就使得对于操作系统的定制、裁减和交叉编译等都变 得相对简单。和v x w o r k s 一样，w i n d o w s c e 也是需要付高额的版权使用费的。 ( 3 ) g c o s i i 特性分析 g c o si i 是一款开源的操作系统，它免费公开其代码，但是它的性能却不 因为开源而做的不好。它的结构小巧并且具有可剥夺实时内核，是真正意义上 的实时操作系统。也是专门为嵌入式计系统设计的，除了与c p u 硬件相关部分 是用汇编语言编写的以外，其它的绝大部分代码都是用c 语言编写的【25 1 。不过 严格说来，l a c o s 1 1 只是一个实时操作系统内核，它只是包含了一个操作系统 所必需的基本功能，对于基本的输入输出功能和文件系统以及网络的功能需要 由用户根据需要加以实现。嵌入式实时操作系统p c o s i i 虽然是开源的，不过 如果要将它使用到商业领域还是需要支付相应的版权费以获取商业许可证。 ( 4 ) 嵌入式l i n u x 特性分析 嵌入式l i n u x 实际上就是l i n u x ，只不过它裁剪了p c 机上不需要的功能， 从而使得体积更小速度也更快。它开放源代码，具有强大的网络功能，具有一 整套工具链，并且支持多种硬件1 2 6 1 。因为它的开放源代码和免费特点，使得它 不需要花钱购买商业许可证，所以省下了购买商业许可证的费用。而且对于嵌 入式l i n u x 的开发可以得到许多遍布全球的众多l i n u x 爱好者的支持，所以嵌入 式l i n u x 对于本系统来说是一个不错的候选方案。 现在将四种操作系统作比较以确定最终的方案。l i n u x 和w i n d o w s c e 相比， 开放源代码，而且完全免费，a w 提供的开发工具链不仅齐全而且免费，在节 约成本这一点上要比w i n d o w s c e 更具优势。网络表现方面也比其他三款操作系 统强，因为l i n u x 起源于互联网。a c o s i i 虽然也开放源代码，但是将它用在商 业上还是需要付版权费的，和w i n d o w s c e 一样不利于产品的成本控制。v x w o r k s 既不开放源代码也需要购买商业版权，而且本系统对于实时性的要求不苛刻， 所以将它排除。比较下来w i n d o w s c e 具有开发和移植较容易的优点，但同时具 武汉理r 火学硕十学位论文 有高昂的版权费用的缺点；l i n u x 开放源代码并且有众多社区支持，l i n u x 支持 各种架构的处理器，比较易于移植；g c