（地球探测与信息技术专业论文）基于arm与linux的三维电磁采集站嵌入式控制系统.pdf

摘要 三维电磁采集站作为三维电磁勘探发展水平重要标志之一，其性 能至关重要。其中，采集站控制核心主控系统是整个仪器最为关 键的部分。因此对其开展研究具有十分重要意义。 鉴于a r m 处理器具有体积小、功耗低、性能优良且成本低等优点， l i n u x 操作系统具有可靠性高、资源丰富、开放源码、免费等特点， 本文采用以a r m 为控制核心的硬件方案使得系统具有很好的扩展性， 同时采用嵌入式l i n u x 操作系统提高了系统可靠性和灵活性，在此基 础上构建了一款功能多样的三维电磁采集站嵌入式控制系统。这两者 结合克服了传统x 8 6 与d o s w id o w s 系列操作系统在仪器功耗高、操 作系统源码没有全部开放、版权许可费用较高等方面的不足，有效地 降低了仪器功耗和成本。 本文详细地探讨了从硬件到软件平台的嵌入式三维电磁采集控 制系统构建过程。 在硬件方面，采用一个3 2 位高性能的嵌入式处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为主控制器，结合采集站的需求，扩展了多种硬件资源，包括：大 容量存储电路( 3 2 l 怊s d r a m 、8 m bn o rf l a s h 、1 g b n a n df l a s h ) ，u a r t 串口，有线网口，z i g b e e 无线通信，u s b ，温度传感器，r t c 实时钟， s p i 、1 2 c 和s s c 数据传输接口等，并给出了硬件电路的整体设计原 理和实现方法。 根据嵌入式采集站控制系统的设计要求，在该硬件系统基础上建 立了基于u - b o o t 一1 3 4 引导程序和l i n u x - 2 6 2 1 操作系统的软件开 发平台，并给出了o b o o t 和l i n u x 系统的移植步骤。同时为其移植 了u a r t 、s p i 、r t c 、u s b 、l m 7 5 温度传感器等字符设备驱动程序，并 对各个驱动程序进行相应的测试，给出了测试方式和测试结果。鉴于 l i n u x 一2 6 2 1 内核没有提供s s c 同步串行通信设备驱动，针对 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的s s c 外设接口，详细阐述了s s c 设备驱动程序 的设计过程，并给出a t 9 1 r m 9 2 0 0 与d s p 5 6 3 0 9 芯片的s s c 通信方案。 目前，该控制系统己在三维电磁采集站中得到很好的应用，并经 过现场长时间使用测试。结果表明采用3 2 位a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器与嵌 入式l i n u x 操作系统相结合，满足了三维电磁采集站对仪器功耗、可 靠性、存储能力和信号处理能力等各项技术指标的要求。 关键词：a r m ，l i n u x ，三维电磁采集站控制系统，s s c i l a bs t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d i c a t o r so ft h ed e v e l o p i n gl e v e lo f3 de m e x p l o r a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f3 de ma c q u i s i t i o ns t a t i o ni sc r i t i c a l a s t h ec o n t r o lc e n t e ri n3 de ma c q u i s i t i o ns t a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e mi st h e m o s ti m p o r t a n tp a r t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h ec o n t r o ls y s t e mi n3de m a c q u i s i t i o ns t a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nc o n s i d e r a t i o no ft h eb e n e f i t so fa r mp r o c e s s o r , s u c ha ss m a l l s c a l e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dl o wc o s t ，a n dt h eb e n e f i t so fl i n u x o ss u c ha sh i g h e rr e l i a b i l i t y , r e s o u r c er i c h n e s s ，o p e ns o u r c e ，a n dc o s tf r e e ， t h i sw o r ki m p l e m e n t e da ne m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o rw i t he m b e d d e dl i n u xo s t h eh a r d w a r ed e s i g nb a s e do n a r mh a sg o o ds c a l a b i l i t ya n dt h es o f t w a r ed e s i g nb a s e do ne m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi m p r o v e ss y s t e mr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h e i r c o m b i n a t i o ni st h eb a s i so fav e r s a t i l ec o n t r o ls y s t e m i to v e r c o m e st h e d e f i c i e n c i e si nt r a d i t i o n a lx 8 6a n dd o s w i d o w sc o m b i n a t i o n s u c ha s h i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，n o tf u l l yo p e ns o u r c e da n dh i g hc o p y r i g h tf e e a n di te f f e c t i v e l yr e d u c e sp o w e rc o n s u m p t i o na n dc o s to ft h ei n s t m m e n t t h i sa r t i c l ed i s c u s s e si n d e t a ilt h ep r o c e s sb u i l d i n ga ne m b e d d e d c o n t r o ls y s t e mi n3 de ma c q u i s i t i o ns t a t i o nf r o mh a r d w a r et os o f t w a r e p l a t f o r m t h eh a r d w a r e d e s i g ne m p l o y s t h e3 2 一b i te m b e d d e da r m m i c r o p r o c e s s o ra t 9 1r m 9 2 0 0a st h em a i nc o n t r o l l e r t om e e tt h ed e m a n d o fa c q u is i t i o ns t a t i o n ，av a r i e t yo fh a r d w a r er e s o u r c e sw e r ee x p a n d e d ， i n c l u d i n gl a r g e c a p a c i t ym e m o r i e s ( 3 2 m bs d r a m ，8 m bn o rf l a s h ， lg bn a n df l a s h ) ，u a r ti n t e r f a c e ，c a b l en e t w o r ki n t e r f a c e ，z i g b e e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，u s b ，t e m p e r a t u r es e n s o li h cc l o c k ，s p i ，1 2 c a n ds s ci n t e r f a c e t h ep a p e rd e t a i l st h eo v e r a l lh a r d w a r ed e s i g na n dt h e r e a l i z a t i o n a c c o r d i n gt o t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ee m b e d d e dc o n t r o l s y s t e m ，t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e h a r d w a r es y s t e m t h ep a p e rd e t a i l st h ee s t a b l i s h m e n to fu b o o t 1 3 4 b o o ts y s t e ma n dl i n u x 一2 6 2l o p e r a t i n gs y s t e ma n dg i v e st h ep o r t i n g s t 印s a tt h es a m et i m e ，t h ec h a r a c t e rd e v i c ed r i v e r ss u c ha su a r t , s p i ， r t c ，u s b ，l m 7 5t e m p e r a t u r es e n s o rw e r ea l s op o r t e da n dt e s t e d t h e t h e s i sd e s c r i b e st h et e s tm e t h o d sa n dt e s tr e s u l t s i nd e f a u l tt h e l i n u x 2 6 2lk e r n e ld o e sn o t p r o v i d es s c ( s y n c h r o n o u s s e r i a l c o m m u n i c a t i o n s ) d e v i c ed r i v e r t h i sw o r ki m p l e m e n t st h es s cd e v i c e d r i v e ra n ds s cc o m m u n i c a t i o nb e t w e e na t 91r m 9 2 0 0a n dd s p 5 6 3 0 9 c h i p s t 1 1 ep a p e r a l s od e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i l c u r r e n t l yt h e c o n t r o l s y s t e m w a si n t e g r a t e di n t ot h ew h o l e a c q u i s i t i o ns t a t i o na n dt e s t e d t h et e s ts h o w st h a tt h ep o w e rc o n s u m p t i o n ， r e l i a b i l i t y , s t o r a g ec a p a c i t ya n ds i g n a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sm e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a r m ，l i n u x ，3 de ma c q u i s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，s s c i v 图表目录 表1 1 五种主流电磁仪器控制系统及软件对比表5 图2 ，l 采集站的结构框图9 图2 2 系统结构图一1 1 图2 3 各功能模块的布局1 2 图2 4n o rf l a s h 接口电路l3 图2 5 低1 6 位片的s d r a m 电路图1 4 图2 6 高l6 位片的s d r a m 电路图15 图2 77 4 l v c h l 6 2 4 4 5 缓冲器电路图1 6 图2 8n a n df l a s h 电路图16 表2 1a t 9 1r m 9 2 0 0u a r t 的分配方案。l7 图2 - 9x a e e p r o 模判9 3 1 。18 图2 1 0 z i g b e e 模块与a t 9 1 r m 9 2 0 0 u a r t l 的连接电路图1 8 表2 2x b e e x b e ep r o 模块引脚名称功能1 8 图2 1 1m a x 3 2 3 2 电平转换电路2 0 图2 12u s b 接口电路图21 图2 1 31 2 c 总线接口示意图2 1 图2 1 4d s l 3 0 7 实时时钟电路图2 2 图2 15l m 7 5 温度传感器电路图2 2 图2 16l t l0 8 5 电源电路2 3 图2 17l m117 电源电路2 3 图2 一l8 复位电路图2 4 图2 1 9 a r m 板叠层设计2 4 图2 2 0s d r a m 布线的y 型分支结构2 5 图2 2 1a r m 电路板。2 6 图2 2 2a r m 电路板实物2 6 图3 1l n q u x 系统移植流程图2 8 图3 2 嵌入式l r n u x 开发环境2 9 图3 3u b o o t 启动流程3 0 图3 4l i n q j x 内核启动过程3 2 图3 5n o rf l a s h 内存分配图3 5 图3 - 6u b o o t - 1 3 4 引导系统3 8 图3 7 嵌入式l r r q u x 运行终端3 9 图4 - 1l m u x 设备驱动与软硬件系统的关系4 0 图4 2l i n u x 内核设备驱动程序移植流程图4 2 图4 3u a r t 驱动层次结构【舛1 4 3 表4 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 u a r t 设备分配表4 3 图4 4l i n u x 2 6 2 1s p i 设备驱动结构图一4 5 图4 5s p i 通信传输模式【9 5 1 4 6 图4 ，6s s c 设备驱动的程序结构5 0 图4 7 驱动模块加载流程图5 2 图4 8 驱动模块卸载流程图。5 3 图4 9d m a 缓冲区的处理方式5 4 图4 1 0r e a d 函数流程图。5 5 图4 1 li o c t l 函数流程图5 6 图5 1a r m 与d s p 的异步串口连接方式5 8 图5 2u a r t 0 串口驱动测试5 8 图5 3s p i 接口电路5 9 图5 4s p i 应用程序流程图6 0 图5 5s p i 驱动程序测试6 1 图5 - 6r t c 实时时钟驱动测试一6 2 图5 7l m 7 5 温度传感器驱动测试6 2 图5 8u s b 挂载6 3 图5 - 9a r m d s p 的通信接口6 4 图5 1 0 a r m 帧同步接收模式“ 图5 11s s c 驱动测试6 5 图6 一l 采集站样机联合调试情景6 5 图6 2s s c 接收的4 通道数据。6 6 图6 3l i n u x s e r v e r 程序运行结果一6 7 表6 1 系统功耗表6 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 在地球物理勘探中，电磁勘探是一个重要分支，其方法种类繁多、适应性强， 被广泛应用于深部构造探测、能源及矿产资源勘探、水文及工程勘察、环境及地 质灾害调查等领域u 嵋1 。众所周知，在地下地质目标、金属矿藏、油气藏或者深 部断裂构造等中，大都是三维、复合、各向异性或形态复杂的电性异常体。另外， 在常规二维电磁勘探中经常碰到电磁法体积效应的问题导致错误解释甚至探井 落空h 1 。因此，采用以面元为单位，多分量采集站为中心，多远参考、互参考， 密集布点为特征的三维电磁采集将成为提高电磁法解决复杂问题能力的必然选 择5 砌1 。 在过去近百年中，由于技术、装备和经济等方面的约束，使得三维电磁勘探 一直没有明显进展。而今，随着计算机技术、电子技术和电磁勘探的快速发展， 电磁勘探采集站也在更新换代n h 引。其中，电磁勘探采集站的主控系统逐渐从 8 1 6 位单片机发展到3 2 位嵌入式微处理器，从根据硬件设计需求编写软件发展 到采用嵌入式操作系统，使其能够统一管理系统资源，并根据用户需求提供各种 功能函数u 4 叫6 i ，实现电磁勘探采集站的数字化、智能化和网络化，为三维电磁勘 探的顺利实施打下基础。 三维电磁采集站是一套用于观测和记录天然或人工建立的交变电磁场的分 布来寻找矿产资源或解决其它地质问题的采集系统。13 | 。电磁勘探采集站控制系 统作为采集站的控制核心，其可靠性是至关重要的。一旦控制系统出现故障，系 统通信、测试、数据采集和存储等各种工作都无法进行。此外，对于需要在野外 进行长时间工作的三维电磁采集系统，降低仪器功耗是三维电磁采集站的必由之 路。因此，如何设计和实现高可靠性、低功耗的控制系统是研制三维电磁勘探采 集站的关键环节。本文基于3 2 位a r m 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统构建嵌入 式控制系统平台，并将其应用于电磁采集站的设计和开发中，将有利于提高三维 电磁采集站的智能化和自动化控制水平，更好地满足野外勘探对三维电磁采集站 在仪器功耗、可靠性、信号处理能力和实时响应能力等方面的要求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外电磁采集控制系统的现状及存在问题 随着电子技术、信号处理技术和计算机技术突飞猛进的发展，电磁勘探仪器 扣南人学硕士学位论文 第一章绪论 融合了当代先进的高新技术，向智能化和多功能发展16 1 。国外的电磁勘探仪器 征这方面尤为突出，具有代表性的是v 5 2 0 0 0 大地电磁仪n 、e h - 4 电法仪n 引、 c , d p 3 2 i i 多功能电法仪n 钉、v - 8 多功能电法系统m 翻和g m s 一0 7 综合电磁法仪陋踟 等。当前，我国用于大型电磁法勘探项目的仪器基本依赖进口，尽管如此，国内 一些大学和研究所等单位在高性能电法勘探仪器研究方面也取得了可喜进步瞵3 ， 主要有：以中国地质大学等单位研制的海底大地电测深仪潞3 、中国地质科学院 物化探研究所研制的分布式被动源电磁系统。坦3 引、以及中南大学研制的多频电法 数据采集系统m 侧等。 目前，电磁法采集控制系统的研究热点之一是仪器所采用的控制系统及软 件，因为它反映了仪器的智能化和自动化控制水平，同时也决定了仪器的功耗、 信号处理能力、实时响应能力以及人机界面的操作环境。 ( 一) 嵌入式微处理器在电磁法勘探仪器中的应用 电磁法仪器采集控制系统的核心部件是e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r u n i t ) ，又称嵌入式微处理器，负责控制、处理、运算仪器的所有数据h 们。高性 能的嵌入式微处理器对电磁勘探仪器革新起着决定性作用啪1 。功能强大的嵌入式 微处理器不仅可以对电磁采集信号进行复杂处理和控制，而且也为用户提供更好 的仪器操作环境提供了可能略们。嵌入式微处理器主要有x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等系列，而在电磁法仪器中，主要用到的嵌入式微处理器则是x 8 6 处理器和a r m 处理器： ( 1 ) 采用x 8 6 处理器的电磁法仪器 x 8 6 是i n t e l 的一种微处理器体系结构的泛称。x 8 6 经历3 0 年的发展至今， 已经积累了丰富的软硬件和周边设备的支援n 卜4 2 1 。x 8 6 产品无论是在p c 机领域 内，还是在服务器和各类嵌入式设备领域都得到了广泛应用h 2 。4 3 1 。在当今的电磁 法仪器中，x 8 6 处理器也是极受青睐，其中包括：v 5 - 2 0 0 0 大地电磁仪( 3 8 6c p u ) 。7 1 ，e h - 4 电法仪( 4 8 6c p u ) n 引，g d p - 3 2 i i 多功能电法仪( 5 8 6c p u ) n 引，v - 8 多1 j j 能电法系统( 5 8 6c p u ) 渺2 2 1 等。国内方面，中国地质科学院物化探研究所的 分钿式被动源电磁系统是以p c i 0 43 8 6 工控机为控制计算机嘧2 侧，中南大学研制 的多频电法数据采集系统也是采用i n t e l 的p e n t i u m 一删x 处理器嘲啦! 。 ( 2 ) 采用a r m 处理器的电磁法仪器 a r m 技术在短短十几年的时间内，占据了7 5 以上的3 2 位r i s c 微处理器市 场份额，a r m 处理器及技术的应用基本上已经深入到各个领域h 纠7 1 。基于a r m 处 理嚣的嵌入式系统以其设计灵活、软硬件可裁剪、性能优越、成本低等特点和优 势越来越受到设计者们所重视n 蝴1 。德国m e t r o n i x 公司最新推出的g m s - 0 7 综 合电磁法仪则是采用了以p x a 2 5 5x s c a l e 为处理器的通用嵌入式主板瞳3 。2 引。中国 2 中南大学硕士学位论文第章绪论 地质大学等单位在研制海底大地电测深仪的一期建设中，意识到以2 8 6 系列为主 控单元已不适应高效率、高集成度的技术需要，因此，通过采用a r m 7t d m i 架构 的a r m 芯片取代当前的2 8 6 系列主控单元等措施对海底大地电磁数据采集器进行 改进，仅用a r m 芯片取代原有主控单元这一项改进就降低仪器功耗约2 5 ，实现 了功耗降低的要求，提高了系统的性能汹伽。此外，中国地质大学在海底可控源 电磁观测系统的数据采集电路设计中采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器为核心，与采用兼 容于传统p c i 0 4 总线标准的处理器相比，增强了系统的扩展性，同时降低了仪器 功耗5 13 。 ( 二) 嵌入式操作系统在电磁法勘探仪器中的应用 随着系统的功能需求越来越多，在硬件系统中采用操作系统很有必要。操作 系统主要作用有：统一管理系统资源、为用户提供访问硬件的接口、调度多个应 用程序、管理文件系统等哺2 j 。在电磁勘探仪器中，主要使用的操作系统有m s - d o s 、 w i n d o w sc e 、l i n u x 和p c o s ii ： ( 1 ) 采用m s d o s 操作系统的电磁法仪器 m s d o s ，全称为m i c r o s o f td i s ko p e r a t i n gs y s t e m ，是由美国微软公司提 供的磁盘操作系统畸引。m s d o s 具有文件管理方便，外设支持良好，小巧灵活等 优点嘲。使用m s d o s 操作系统的电磁法仪器主要有：v 5 - 2 0 0 0 n 7 1 、e h 一4 呻3 、 g d p 一3 2 i i 1 9 3 等。 ( 2 ) 采用w i n d o w sc e 操作系统的电磁法仪器 w i n d o w sc e 是一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是基于掌上型 电脑类的电子设备操作系统阳3 。由于它与w i n d o w s9 5 类似，所以其图形用户界 面很容易让用户接受嵋5 1 。v - 8 多功能电法系统则是采用了这种类型的操作系统 2 0 _ 2 2 】 0 ( 3 ) 采用l i n u x 操作系统的电磁法仪器 由于l i n u x 操作系统具有成本低，可靠性高，开放源代码等显著优点，使得 它在嵌入式开发领域得到了越来越多的重视陋5 7 1 。以p x a 2 5 5x s c a l e 为处理器的 g m s 一0 7 综合电磁法仪正是使用了l i n u x 操作系统旧翻3 。 ( 4 ) 采用u c o s i i 操作系统的电磁法仪器 邮o s i i 是开放源代码、可移植、可裁减的多任务内核。它具有稳定可靠 等优点，用于与人性命攸关的安全紧要系统陪驯。中国地质大学等单位采用了该 系统对海底大地电测深仪进行改进啪3 引。 综上所述，可以看出目前所使用的电磁法采集仪器的控制系统和软件，大多 数上是在x 8 6 d o s 上开发。虽然在x 8 6 d o s 上开发的电磁勘探系统具有完善的开 发环境，便于开发调试以及操作使用简便等优点，但是，对于需要在野外进行大 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 规模应用的电磁勘探来说，主要有以下不足： ( 1 ) 一般来说，以x 8 6 处理器为控制计算机的仪器功耗大都在5 瓦以上， 开机则极大地消耗能源，不利于长时间在野外运行采集。 ( 2 ) 采用d o s 系统无图形窗口，交互能力差。目前在国内市场上热销的e h 一4 音频大地电磁仪，其数据处理仍依赖于d o s 界面下的数据采集和处理软件，不仅 使用不便，而且有效频点少、频率分布不均匀，抗干扰能力差呻1 。在国内已得到 广泛应用的v 5 2 0 0 0 大地电磁测深仪，具有功能强、轻便、勘探范围大等特点， 但是在单任务d o s 系统的运行环境下，功耗高，不支持网络，使得后期数据处理 显得相对薄弱。 w i n d o w sc e 和g c o s - i i 操作系统虽然在一定程度上满足了勘探及生产需 求，同时也出现一些不足： ( 1 ) 对于v - 8 多功能电法系统的w i n d o w sc e 操作系统，对于习惯在w i n d o w s 下开发的程序员，w i n d o w sc e 开发的便利性是很优秀的，但是其源代码没有全 部开放，难以对其进行更细致的定制；内存使用较多，使得系统相对庞大；使用 时需支付版权许可费陋羽。 ( 2 ) 中国地质大学等单位在改进的海底大地电测深仪中所使用的g c o s i i 操作系统，在用于商业目的时，必须购买其商业授权悔列。 此外，g m s 一0 7 综合电磁法仪采用p x a 2 5 5x s c a l e 的通用嵌入式主板，不是 为该仪器专门量身定制，而且只能通过u s b 接口采集数据。鉴于a r m 处理器具有 体积小、功耗低、性能优良且成本低廉等优点，与三维电磁采集站工作环境的要 求相符，而且从中国地质大学在海底大地电测深仪研制过程中采用a r m 替代2 8 6 的事例也可以看出a r m 处理器的相对优势防3 。另外，l i n u x 具有可靠性高、易 于移植、资源丰富、开放源码等特点，用户也不必为昂贵的版权费用担心。因此， 研究以基于a r m 处理器替代传统的x 8 6 处理器，并以嵌入式l i n u x 系统替代d o s 或w i n d o w s 系统，为三维电磁采集站专门定制嵌入式控制系统具有极其重要的 意义。 表卜l 给出了5 种主流电磁仪器控制系统及软件的对照关系。 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 表卜1 五种主流电磁仪器控制系统及软件对比表 系统参数 e h - 4g d p - 3 2m t u - 5 av 8a d u - 0 7 p x a 2 5 5 微处理器系统 8 0 4 8 6 c p u5 8 6c p u 3 8 6c p u 5 8 6c p u x s c a l e 永久存储器8 g b 硬盘 4 1 g b 硬盘5 1 2 c f 卡 4 g bf l a s h4 g bf 1 a s h m s d o s 和 操作系统 m s - d o sm s - d o sw i n c el i i i u x w in d o w s - 9 5 网络连接支持支持不支持支持支持 测量功能 a m t 多功能 a m t 、m t多功能a m t 、m t 1 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统一般指非p c ( 个人计算机) 系统，它是以微电子技术、控制技 术、计算机技术和通信技术为基础，以高性能微处理器为核心，扩展相应的应用 为目的，强调硬件和软件的协同性及整合性，软件及硬件可裁剪，满足特定应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专业计算机系统2 制。 “ 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即a r m 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6 7 。7 3 1 。 当前主流的嵌入式操作系统有：w i n d o w sc e 、v x w o r k s 盯 7 5 1 、g c o s i i 、l i n u x 等。但是前三者大都涉及到版权费用的问题，使得仪器成本大大提升。而开放源 代码的嵌入式l i n u x 操作系统受到了越来越多的重视一h 引。它作为仅次于 w i n d o w s 的操作系统，已经在p c 和嵌入式领域得到了广泛应用盯8 删。 ( 1 ) a r m 处理器作为三维电磁采集站控制核心的优势 相对于当今电磁采集系统采用的x 8 6 处理器功耗大、成本高，以a r m 处理器 为控制核心的仪器具有如下优势隅： 1 ) 功耗：a r m 的功耗很低协2 删。在大规模的三维电磁采集系统中，降低仪器功 耗也是改善仪器性能的必由之路。 2 ) 工作时间：a r m 可以一直开机工作，利于电磁勘探在野外长时间工作的需 求。 3 ) 工作环境：a r m 系统工作温度范围一般是2 0 摄氏度到7 0 摄氏度左右。 4 ) 发热：a r m 系统的温度一般是常温。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 5 ) 灵活性：a r m 系统可根据三维电磁采集站的需要来进行灵活配置，可以根 据需求扩展硬件资源( 如：u a r t 串1 ：3 ，有线网口，z i g b e e 无线通信，s p i 、 1 2 c 和s s c 数据传输接口等) 、系统驱动程序裁剪、系统软件的加载等等， 无论是软硬件都非常灵活，这样也会大大降低三维电磁采集控制系统的成本 和系统整体的维护成本与性能。 6 ) 价格：a r m 系统芯片价格都比较低，极大降低仪器成本。 可见，基于a r m 处理器开发出来的三维电磁采集站控制系统，体积小、低 功耗、价格低，完全能满足野外电磁勘探的使用要求，因而基于a r m 的三维电磁 采集控制系统将有着非常良好的应用前景。 ( 2 ) 嵌入式l i n u x 在三维电磁采集控制系统的优势 与国外主流电磁法仪器为d o s 程序相比，采用嵌入式l i n u x 为操作系统， 开发的软件更能够充分利用系统资源，性能更强。在三维电磁采集站控制系统中 选择嵌入式l i n u x 的理由2 1 ： 1 1 源码开放，软件资源丰富，可以免费下载、修改和使用。 2 1 内核功能强大，易于裁剪。 3 ) 支持多种网络协议，因而可根据三维电磁采集站控制系统需求，扩展有线网 口和无线网口。 4 ) 支持多种硬件设备，驱动程序资源丰富。 5 1 可定制性强，因而可为三维电磁采集控制系统专门定制相关的控制和处理功 能。 6 ) 开发环境良好。 7 ) 有众多软件开发者的支持。 8 1 价格低，可有效降低三维电磁采集站的成本。 因此，正是由于l i n u x 开放源代码、易于移植、资源丰富、免费等优势，使 得它完全能够满足三维电磁采集站对操作系统的工作要求。 1 3 研究目的和技术指标 当前，国内商品化的电法仪器有瞬变电磁仪、时间域电仪、频率域电仪、高 密度电法仪和地质雷达，主要用于工程和矿产资源勘探，探测深度一般为几百米 以内。然而，在用于大型电磁法勘探项目的仪器，基本依赖于进口4 删。然而， 进口仪器大多数是基于x 8 6 d o s 平台，仪器功耗大，且系统价格昂贵，应用成 本蒯灿。针对上述电磁勘探仪器所出现的问题以及a r m 、l i n u x 在三维电磁采 集控制系统的优势，因而基于嵌入式a r m 和l i n u x 系统开发的三维电磁采集控 制系统，将具有体积小、功耗低、功能强大、可靠性高等特点，满足三维电磁采 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 集站对处理控制能力和功耗的“苛刻”要求。 鉴于此，本研究的目的就在于：设计一个基于a r m 和嵌入式l i n u x 的低功 耗、高可靠性和可裁减的三维电磁采集控制系统，功耗为国外通用电法仪器控制 系统的1 1 0 以下，性能比4 8 6 d x 更强，主频达到2 0 0m h z ，并且拥有先进的电 源管理功能，工作时间可以更长，同时优先利用嵌入式控制系统丰富的接口资源， 实现嵌入式控制系统与测量部分最佳耦合。 三维电磁采集站嵌入式控制系统是软硬件相结合的设备，下面分为硬件技术 指标和软件指标两部分叙述： ( 1 ) a r m 嵌入式控制系统硬件的主要技术指标如下： c p u ：a r m 9 兼容 2 0 0m h z 存储器：s d r a m 3 2m b n o rf l a s h8m b n a n df l a s h1g b 1 0 w 1 0 0 m 以太网 z i g b e e 接口 d e b u g u a r t 接口 d s p 接口 g p s 接口 s p i 接口 u s b 接口 r t c 实时时钟 温度传感器 复位电路 温度范围：2 0 5 5 功耗： 冀w d l l d c u a r 接口图2 n a nf l a h 电路图 用a t 9 1 r m 9 2 0 0 包含的5 个u a r t 接口：d e b u gu a r 、u a r t o 、u a r t l 、 u a 2 和u a r t 3 ，扩展了不同功能的异步串行通信接口。 的分配方案如表2 - i ： 1 6 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式采集站控制系统设计 表2 - 1a t 9 1 r m 9 2 0 0u a r t 的分配方案 u a r t 接口功能 d e b u gu a r t用于软件调试与系统开发 u a r t o接d s p ，并引出s c k o 时钟信号 u a r t l完成与z i g b e e 的通信 u a r t 2与电源板相连，监控电源板的电池电量 与g p s 系统的串口相连，从中提取g p s 导航 u a r t 3 信息 ( 1 ) u a r t o 用于与d s p 板中d s p 5 6 3 0 9 的串行接口s c i 通信，实现d s p 程序的上传，并 监控d s p 5 6 3 0 9 的工作状态。而d s p 5 6 3 0 9 的s c i 需要由a t 9 1 r m 9 2 0 0 提供r x d o 、 t x d o 和s c k o 时钟信号三线完成串行通信功能，s c k o 向d s p 的串口提供时钟信号。 ( 2 ) u a r t l ( z i g b e e 模块) z i g b e e 模块通过u a r t 接口直接与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的u a r t l 接口相连，硬件接 口简单实用。z i g b e e 来源于蜜蜂的八字舞，是一种近距离、低功耗、低数据速 率、低成本的无线通信技术，一般可以嵌入各种设备。本系统采用d i g i 公司的 x b e e p r oo e mr f 无线射频模块( 如图2 1 0 所示) ，满足了低成本、低功耗、无 线网状网传感器网络的独特需求。该模块易于使用，功耗极低。x b e e - p r oo e mr f 无线射频模块具有如下特点啪1 ： i s m2 4g h z 工作频率 5 0 m w ( + 1 7d b m ) 功率输出 户内城市距离1 0 0 米，户多 1 - 无线可视距离1 6 公里 u f l 或r p s m a 无线射频传感器，表贴天线或鞭状天线 工业级宽温( 4 0 一8 5 ) 已经通过美国、加拿大、澳大利亚和欧盟的认证 支持先进的网状网网络和低功耗模式 z i g b e e 模块与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的u a r t l 的连接关系如图2 - 11 所示，x b e e x b e e p r o 模块引脚名称功能如表2 2 。 1 7 中南人学硕士学位论文第一二章嵌入式采集站控制系统设计 3 e o 雯 图2 - 9x b e e p r o 模块【9 3 图2 7z i g b e e 模块与a t 9 1 r m 9 2 0 0u a r t l 的连接电路图 表2 - 2x b e e x b e ep r o 模块引脚名称功能 窭， f 节面， = 立， 引脚号引脚名称 引脚描述 1v c c 模块电源，2 8v - - - 3 4v 2 d o u t数据输出，与c p u 的u a r t 接收端r x 相连 3di n数据输入，与c p u 的u a r t 发送端t x 相连 4d 1 0 8 数字输出 5r e s e t模块复位，通常与处理器的复位端相连 6p w m o 瓜s s i输出p w m 输出o 接收信号强度指示 7p w m l输出p w m 输出1 8r e s e r v e d 保留 9d t r输入数据终端就绪信号 1 0g n d地 1 1a d 4模拟信号输入4 1 2c t s清除发送流程控制信号 1 30 n s l e e p模块状态指示 1 4v r e f转换器的基准电压输入 15a d 5模拟信号输入5 1 6r t s请求发送流程控制信号 1 7a d 3模拟输入信号3 18 a d 2模拟输入信号2 1 9a d l模拟输入信号1 2 0a d 0模拟输入信号0 1 8 中南大学硕士学位论文第二章嵌入式采集站控制系统设计 ( 3 ) u a r t 2 通过u a r t 2 接口的r x d 2 和t x d 2 管脚与电源板的串口相连，用于监控采集站 供给电池电量以及控制电源的开关状态，其中电源包括：模拟数字电源、磁探 头电源、g p s 电源等。其串口通信协议为： s p w r _ c t r ，x x = o 电源全关 x = i 模拟电源开 x = 2 磁探头电源开 x = 3 模拟电源+ 磁探头电源开 x ：4g p s