（通信与信息系统专业论文）嵌入式气象数据采集系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着气象事业的快速发展，人们对于信息的需求无论从量还是质上都正发 生着深刻变化。为了适应社会需求，我国的自动气象观测技术得到了快速发展。 但与此同时，在其关键技术气象数据采集器的研究方面，远远落后于外国 发达国家。 针对我国急需研制出新一代高精度、高灵活性数据采集器的现状，本文结 合嵌入式p c o s i i 操作系统的开发，对基于a r m 7 的气象数据采集系统进行研 究与构建，为利用嵌入式方法开发气象数据采集系统提供了一种参考。本文主 要进行的工作包括以下几个方面： 1 搭建了系统硬件平台的总体框架，完成了系统的数据采集部分、主控制部 分和数据传输接口部分芯片选型，给出了各部分模块与处理器芯片( s 3 c 4 4 b o x ) 的电路连接方案。本设计采用了带有微处理器的u s b 接口芯片( a t 4 3 u s b 3 7 0 ) 主端控制器，该芯片无需系统处理器干预就能处理u s b 主控活动，能让系统资 源的消耗降至最低，大大减少了系统开发的工作量。 2 分析了嵌入式实时操作系统p c o s i i 的特点，并修改了其与处理器相关 部分的源代码，达到符合a r m 7 芯片( s 3 c 4 4 b o x ) 的配置要求，实现了i l c o s i i 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植。对系统各任务的优先级和消息队列进行了设置，作 为应用该系统的准备。 3 建立了系统软件部分的总体框架，给出了数据采集器系统初始化和四种气 象数据采集编程方案，编写了u s b 接口和串口的驱动函数，并建立了一套简单 的f a t l 6 格式的文件系统以实现对数据的存储。 该系统充分利用了a r m 微处理器( s 3 c 4 4 b o x ) 高性能、低功耗、低成本的 优势以及u s b 芯片( a t 4 3 u s b 3 7 0 ) 智能、节省资源的方便，发挥了l a c o s i i 可 移植性好、开发成本低的优点，为自动气象站的数据采集提供了一个经济实用 的解决方案。 关键词：气象数据采集、嵌入式系统、s 3 c 4 4 b o x 、i t c o s i i 、u s b 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m e t e o r o l o g y t i l en e e d so fp e o p l ef o ri n f o r m a t i o n i nq u a n t i t ya n dq u a l i t yc h a n g e sp r o f o u n d l y i no r d e rt oa d a p tt ot h en e e d so fs o c i e t y , t h ea u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yo fo u i c o u n t r yh a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l y b u ta tt h es a m et i m e ，t h ek e yt e c h n o l o g y r e s e a r c ho ft h e m e t e o r o l o g i c a l d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，w a sal o n gl a gt of o r e i g nd e v e l o p e d c o u n t r i e s 。 i nv i e wo ft h eu r g e n tn e e dt od e v e l o pan e w g e n e r a t i o no fh i g h - p r e c i s i o n ，h i g h l y f l e x i b l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fp c o s i ie m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dc o n s t r u c tm e t e o r o l o g i c a ld a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do na r m 7 ，p r o v i d ear e f e r e n c et od e v e l o pm e t e o r o l o g i c a l d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb ye m b e d d e dm e t h o d i nt h i sp a p e r , t h ew o r kc a r r i e do u ti n c l u d e t h ef o l l o w i n gf a c t s ： 1 b u i l tt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fh a r d w a r ep l a t f o r m ，c o m p l e t e dt h ec h i p s e l e c t i o no ft h ed a t ac o l l e c t i o np a r t 、t h em a i nc o n t r o lp a r ta n dd a t ai n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o np a r t ，g i v et h ep r o g r a mo fv a r i o u sc i r c u i tp a r t sc o n n e c t i n gt ot h e p r o c e s s o rc h i pm o d u l e ( s 3 c 4 4 b o x ) i nt h eu s bi n t e r f a c em o d u l e ，t h ed e s i g nu s e sa u s bi n t e r f a c e 、i t ham i c r o p r o c e s s o rc h i p ( a t 4 3 u s b 3 7 0 ) m a i nt e r m i n a lc o n t r o l l e r , t h ec h i pw i l lb ea b l et od e a lw i t hu s bh o s ta c t i v i t i e sw i t h o u tt h es y s t e mp r o c e s s o r i n t e r v e n t i o n ，w h i c ha l l o w st h ec o n s u m p t i o no fs y s t e mr e s o u r c e st om i n i m u m ，g r e a t l y r e d u c e dt h ew o r k l o a do fs y s t e md e v e l o p m e n t 2 a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi _ t c o s - i i e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ，a n dm o d i f yt h es o u r c ec o d ea s s o c i a t e dw i t ht h ep r o c e s s o rt om e e tt h ea r m 7 c h i p ( s 3 c 4 4 b o x ) c o n f i g u r a t i o nr e q u i r e m e n t sr e a l i z et h et r a n s p l a n t i n gi _ t c o s i it o s 3 c 4 4 b o x t h ep a p e rd e f i n e dt h et a s kp r i o r i t y , m e s s a g eq u e u eo ft h es y s t e ma st h e p r e p a r a t i o no ft h es y s t e ma p p l i c a t i o n 3 e s t a b l i s h e dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fs o f t w a r ep o r t i o n ，g a v et h ep r o g r a m m i n g o ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi n i t i a l i z a t i o na n df o u rm e t e o r o l o g i c a ld a t aa c q u i s i t i o n , i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p i l et h ed r i v e ro f t h eu s bi n t e r f a c ef u n c t i o na n ds e r i a lp o r tf u n c t i o na n de s t a b l i s h a ￥艇16f i l es y s t e mi no r d e rt oa c h i e v et h es t o r a g eo fd a t a t h es y s t e mt a k e sa d v a n t a g eh i g h - p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r , l o w c o s ta d v a n t a g e o fa i mm i c r o p r o c e s s o r ( s 3 c 4 4 b o x ) a n dt h e c o n v e n i e n c es a v i n gr e s o u r c e s 、 i n t e l l i g e n c eo fu s bc h i p ( a t 4 3 u s b 3 7 0 ) ，b a s e d o nt h ea d v a n t a g e so ft h ep o r t a b i l i t y , a n dl o w - c o s td e v e l o p m e n to ft t c o s i ip r o v i d e sa ne c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l s o l u t i o nf o rt h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nd a t ac o l l e c t i o n k e yw o r d s ：m e t e o r o l o g i c a ld a t aa c q u i s i t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，s 3 c 4 4 b o x ， i t c o s i i ，u s b i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。 研究生( 签名) ：牡日期：j 塑社 学位论文使用授权书 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) ! 尊逍乏 导师( 签名) ： 、日期尘毕l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着气象事业的快速发展，人们对于信息的需求无论从量还是质上都正发 生着深刻变化。原有的主要依靠人工进行操作和读数的气象观测方式，不仅劳 动效率低，而且各项参数均需人工记录和汇总，工作量大，容易出错，已满足 不了现有的气象观测要求。同时，信息技术、电子技术和计算机技术的迅猛发 展和广泛应用，为气象观测自动化提供有力的技术支持。在这种大环境下，尽 快实现气象监测技术的更新和设备的换代，朝监测仪器电子化、测试方法自动 化、数据传输网络化的方向发展已成为必然的趋势。于是自动气象观测系统孕 育而生。 自动气象观测系统，从狭义上是指自动气象站，从广义上是指自动气象站 网。自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传 输的气象站吐自动气象站网由一个中心站、若干个自动气象站通过有线或无线 通信电路和组网软件组成。 按提供数据的时效性，自动气象站可分成实时自动气象站和非实时自动气 象站两类。根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人自动站 和无人自动站u j 。 自动气象站由硬件和系统软件组成，硬件包括传感器、采集器、通讯接口、 系统电源、计算机等，系统软件有采集软件和地面测报业务软件。为了实现组 网和远程监控，还须配置远程监控软件，将自动气象站与中心站联接形成自动 气象观测系统。 自动气象站的工作原理：随着气象要素值的变化，自动气象站各传感器感 应气象参数产生的电信号也发生变化，电信号被c p u 实时控制的数据采集器所 采集，经过数据处理，实现工程量到要素量的转换，得出各个气象要素值，并 按一定的格式存储在采集器中【3 l 。经过处理的气象要素数据按规定的格式编排， 实现各种气象报告的编发，形成各种气象记录报表和气象数据文件。根据自动 站设计要求，资料可经发送装置用有线或无线方式传给用户，或存贮在介质上 武汉理工大学硕士学位论文 由用户定期回收。 自动气象站具有以下功能：自动观测各气象要素、编制和存储各类气象报 告和观测数据文件、建立气象观测数据库、实现气象观测报告和观测数据文件 的自动传输、调用、实时控制及对系统运行的状态的远程监控。 自动气象站主要用于气象部门所属地面观测站，还可以用于环境检测、民 航、海运、军事、农林、水文、盐场、大型厂矿、大型运动设施等需要气象要 素测量及实时气象数据采集处理的场合。 1 2 课题的研究意义 步入二十一世纪，人类进入了一个全新的电子信息化时代。随着我国改革 开放的发展，经济日益繁荣，人们对于信息的需求，无论从量还是质上都正发 生着深刻的变革。就气象信息来言，以往只有农业等与其切身利益密切相关的 部门关注，然而现在，不仅气象、环保、机场、海洋水文、军事、仓储、科学 研究等各个业务部门都对气象信息提出了需求，而且对气象资料的要求也完全 突破了原先气象台站所提供的业务内容：数值预报人员希望增加台站的密度； 航空部门希望在航空港设置随时可以实时显示气象条件的观测系统，其中有些 内容还是他们所需要的专门项目，例如跑道能见度、风切变强度等；农业部门 为了指导农业生产，也希望加强一些项目的观测，例如土壤湿度、光照等；至 于为科学研究项目组织的观测，其观测内容就更为特殊。不仅如此，各个业务 部门还对气象数据的实时性提出了很高的要求。要满足上述各种需求，已绝非 增加观测台站以及扩展原台站的观测项目所能满足。 随着国家社会经济的迅速发展，各级政府、各行各业在决策时更需要利用 气象信息趋利弊害。我国幅员辽阔，地形十分复杂，地貌多样，地势起伏大， 山地、平原、丘陵和高原林立。由于受地理位置和复杂多样的地形条件的影响， 全国气候差异明显，气象灾害频发，并呈现出多样性和突发性的特点。现有站 点，站点之间的间距大，观测时次也不够密集，而重大天气灾害主要发生在中 小尺度的天气系统中，一般尺度为十到十几公里，这就使灾害性天气( 特别是 暴雨、冰雹、大风等) 的监测存在很大的难度。为了弥补站点之间的尺度和增 加监测频次，满足人们对高时空、高密度地面信息的需要，加快建设我国地面 观测遥测自动化的发展已迫在眉睫。 2 武汉理工大学硕士学位论文 因此，如何改造现有的监测手段，用性价比高、施工维护方便、操作简明 直观、自动化程度高的新系统替换老一代产品，是各种不同用户共同的需求和 愿望；地面气象站网的观测、资料传输和存储的自动化已经提到议事日程上。 而科学技术的发展，特别是感测技术、电子技术、计算机技术和通信技术的日 新月异，则为此开辟了一条崭新的道路。 1 3 国内外研究现状 随着多种电测气象传感器的定型，各种自动气象站、气候站、气象数据采 集处理系统、电子气象仪等得到了发展。国产自动气象观测系统已形成了有线、 无线和电话网传输的主要模式；能够自动储存一个月以上正点数据的自动气候 站也已研制成功；卫星数据中继传输的研究工作已经取得了进展。估计在2 0 1 0 年以前，我国可以在所有气象台站普及自动气象观测系统，同时在条件艰苦、 人类难于生存的地区布放大量的无人自动气象站或气候站，并实现卫星数据传 输。自动气象观测技术在国内已基本成熟。 但在自动气象站关键技术气象数据采集系统的研究方面，我国的研究 工作远远落后于外国发达国家。数据采集系统作为自动气象站的核心，其主要 功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输，它的测量精度、稳定性、 可靠性和灵活性直接决定着整机性能。随着科技的进步，数据采集系统的数据 采集部分朝着强实时、多参数、高精度方向发展；数据存储部分朝着大容量、 微型化、便携式方向发展；数据传输技术朝着多通讯方式( 有线、无线) 、远距 离数据传输方向发展1 4 。 国外的气象采集系统早在七、八十年代已投入生产，九十年代都已实现产 品的更新换代。美国h a n d a r 公司、c a m p b e l ls c i e n t i f i c 公司、芬兰v a i l a s a 公司、 澳大利亚d a t ae l e c t r o n i c s 公司出品的数据采集系统都具有十分优异的性能：系 统具有强大的灵活性和重配置性；系统多采用串行总线技术，输出接口功能多 样化；系统具有软件配置功能，使系统的实时性和微机使用效率得到很大改善； 系统具有大存贮容量；系统多配置常用的参数运算程序以及采用线性和多项式 逼近等方式进行线性订正或工程量转换，从而简化程序的编制；系统具有较强 的自校功能、自诊断功能。 从上世纪四十年代中期至今，伴随着计算机、电子信息技术的迅速发展， 3 武汉理工大学硕士学位论文 人类在科技上有了长足的进步，许多国家在气象领域早已实现了现代化的改造。 以美国和加拿大为例，从7 0 年代末、8 0 年代初开始建立非联邦自动气象站 ( a w s ) 和自动气象站网以来，其数量发展迅速( 已拥有8 3 1 个固定站和1 5 0 多个非固定站) ，资料应用广泛( 农业、公众服务等) 。在数据采集方面，业已 实现了气象数据的实时化和网络化传输，为国民经济的发展和各个业务部门的 决策提供了十分有用和广泛的帮助。 目前国内已有天津气象仪器厂、江苏无线电技术研究所、中国气象局气科 院等几家单位开始研制自动气象观测系统，且有部分系统投入试运行。但是作 为一个模块化设计、可灵活组态的数据采集系统还未见产品。在国内现有的自 动气象观测系统中，大部分都使用国外的数据采集系统，例如：北京华创公司 产的c a w s 6 0 0 系列自动气象站和长春气象仪器研究所产的气象观测系统都使 用澳大利亚d a t ae l e c t r o n i c s 公司产d a t a t a k e r 系列采集器；北京维天信公司的 x y z 0 6 型地面遥测气象仪使用芬兰v a i s a l a 公司的m i l o s 5 2 0 数据采集器。也有 一些观测系统使用自制的数据采集器，但这些采集系统功能相对单一，缺乏灵 活性和重配置性，只能满足特定场合的数据采集要求。 1 4 论文工作内容及章节安排 本课题是结合嵌入式g c o s i i 操作系统的开发，构建一个基于a r m 微处 理器和嵌入式实时操作系统i - t c o s i i 的气象数据采集系统，主要工作包括以下 两个方面： 1 硬件电路设计方面，完成了总体框架的搭建和各部分电路的芯片选型及 相互之间的连接。 2 软件设计方面，完成了i - t c o s i i 到s 3 c 4 4 b o x 上的移植；对系统各任 务的优先级、消息队列进行了定义；编写了u s b 接口和串口的驱动函数；编写 了数据采集任务、数据存储任务和数据传输三大系统任务的相关程序。 本论文共分四章，各章内容安排如下： 第一章阐述了课题的研究背景、国内外研究概况、课题的工作内容和研究 意义，给出了论文的组织结构。 第二章是系统的硬件设计部分，介绍了气象数据采集电路、主控制电路、 数据传输接口电路及各部分的电路的工作原理。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章是系统的软件设计部分，主要探讨了嵌入式操作系统肛c o s i i 在 a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 上的移植过程；并且给出了系统的启动程序、各部分 的驱动程序、四大任务及文件系统的实现。最后给出了本系统的数据结果及功 能分析。 第四章为总结与展望，对本文的研究内容进行了总结，并指出了工作的不 足和进一步研究的方向。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统的硬件设计 本系统的硬件电路包括：气象数据采集电路、主控制电路、数据传输接口 电路、电源转换电路。本章将对各部分电路的设计思想和方法进行逐一的阐述。 对硬件设计来说，首要的是嵌入式芯片的选择。在众多的嵌入式微处理器中， 我们选择a r m 7 t d m i 核的s 3 c 4 4 b o x 作为系统的硬件核心，因其具有处理速度 快、功耗低、价格低廉等优点。 2 1 硬件平台总体设计 整个硬件系统包括：气象数据采集电路( 包括风向、风速、气温、雨量四 种采集电路) 、主控制电路( 包括a r m 微处理器及其外围的f l a s h 和s d 删) 、 数据传输接口电路( u s b 2 0 接口、1 0 m 以太网接口) 、电源转换电路和数据存 储部分( u 盘) 。 系统的硬件框图如图2 1 所示： u s b 叫嚣 - j 、 ，、主控芯片 i 羹羹耄嚣 ila t 4 3 u s b 3 7 0 心 c p u 以太网 i f l a s h i 。卜、 接口芯片 $ 3 c 4 4 8 0 x l 玎l 8 0 1 9 a s k s d r a m 电源 一 转换 电路 图2 1 系统硬件框图 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 气象数据采集电路 本系统的气象数据采集电路包括降雨量采集、风速采集、风向采集和气温 采集四个模块，它们与系统处理器( s 3 c 4 4 b o x ) 之间通过1 2 c 总线交换数据、 接受控制指令。 2 2 1 降雨量采集模块 降雨量数据通过雨量传感器得到，雨量传感器俗称雨量筒，因其外形是防 腐防锈合金制成的筒状。桶内部构造自上而下主要包括：承水器，翻斗，磁钢 干簧管计数组件等。工作过程是，漏斗状承水器汇集雨水，雨水在自重力作用 下从承水器下方小孔流出，流经翻斗时，带动翻斗在一定范围内翻动，而位于 翻斗轴上方的磁钢在每一次翻动时，吸合干簧开关一次，由此开关送出通断信 号。 将外部电平加于干簧开关，则其通断转化为高低电平转换，由于雨水流速 固定，翻斗转速转化为磁钢的切线线速度也较为平均，干簧管的吸合时间一般 在1 - 3 m s 之间，因此雨量传感器的输出信号可以看作是一组数字脉冲，雨量的 计算可以转化为对数字脉冲的计数。 根据我国气象部门一般采用的降雨强度标准，大雨的定义为1 2 小时内雨量 为1 5 1 3 0 m m ，局部强降雨每小时可超过3 0 m m ，传感器的每次触发为o 1 m m 降雨，即时将降雨强度扩大一个数量级，转化成脉冲频率尚不足1 h z 。 降雨量脉冲频率很低，而且降雨量采集周期较长，典型最小周期为1 分钟， 因此采集计数功能的数据寄存器( 寄存变量) 的存储空间要求较低，可以通过1 2 c 总线扩展外部计数器来实现。 由于系统通过1 2 c 总线扩展，这里采用的是p c f 8 5 7 4 芯片扩展出8 位i o 口。 p c f 8 5 7 4 是p h i l i p s 公司推出的一款带1 2 c 总线，具有c m o s 电路。该器件包 含一个8 位准双向口和一个1 2 c 总线接口【5 】【6 】。计数芯片选择的是三态输出的8 位二进制计数器7 4 h c 5 9 0 ，计数范围0 2 5 5 t r l 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 雨量采集电路 硬件连接如图2 2 ，雨量传感器的接线柱分别连至r a i na 和r a i nb 输入， 降雨时两引脚间短路，在单稳态触发器7 4 h c 2 2 1 ，的a 引脚产生电平下降沿， 从而在夺输出1 0 m s 宽度的负脉冲。 2 2 2 风速采集模块 风速传感器的工作原理是利用一个低惯性的风杯部件作为感应器件。风感 应部件随风旋转并带动风速码盘进行光电扫描，输出相应的电脉冲信号。 一些关键技术指标： 测量范围： 分辨率： 0 3 - 6 0 m s 0 0 5 r n s 启动风速：不大于0 3 r n s 精确度：风速续1 0 0 m s 时，0 3 r n s 输出信号：0 1 2 2 1 h z 工作电压：d c1 2 v 考虑到风速的脉冲输出频率范围相对高于雨量脉冲频率，而且风速的采集 周期较短( 典型周期为1 3 秒) ，对实时性有一定要求。采用内部计数器计数方式 较为合理，响应速度和精度有保证，也易于实现。 风速传感器脉冲输出信号最大电压值为1 2 v ，跟计数器件的t t l 电平不匹 配可行解决方法是，在输入端加上一片2 g h 3 0 2 光电祸合器，实现电平匹配以 及前端信号的光电隔离。在输出t t l 电平脉冲后串接7 4 h c l 4 施密特触发器， 以实现抗干扰、滤波去抖动。风速采集电路参见图2 3 ： 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 风向采集模块 j f 图2 - 3 风速采集电路 风向传感器的工作原理是利用一个低惯性的风向标部件作为感应部件，风 向标部件随风旋转，带动转轴下端的光电风向码盘转动，此码盘按8 位格雷码 编码进行光电扫描输出脉冲信号。 一些关键技术指标： 测量范围：0 。3 6 0 。 测量误差：3 。 分辨率：2 5 。 灵敏度：最小风速0 3 m s 风向输出：8 位格雷码，高电平1 2 v ，低电平l v 工作电压：d c1 2 v 风向数据采集信号输入端跟风速信号采集时所用的隔离措施类似，只是由 原来的一路输入变为现在的8 位并行输入。图2 4 为风向采集电路，中间是一系 列光电隔离组件，它也是通过扩展的p c f 8 5 7 4 芯片连接到1 2 c 总线。 图2 4 风向采集电路 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 气温采集模块 气温采集模块我们选择的芯片是d s l 6 2 4 ，该芯片集成了温度传感器， d s l 6 2 4 是美国d a l l a s 公司生产的集成了测量系统和存储器于一体的芯片。数 字接口电路简单，与1 2 c 总线兼容，且可以使用一片控制器控制多达8 片的 d s l 6 2 4 。其数字温度输出达1 3 位，精度为0 0 3 1 2 5 。d s l 6 2 4 可工作在最低 2 7 v 电压下，适用于低功耗应用系统。d s l 6 2 4 基本特性： 无需外围元件即可测量温度 测量范围为5 5 + 1 2 5 ，精度为0 0 3 1 2 5 测量温度的结果以1 3 位数字量( 两字节传输) 给出 测量温度的典型转换时间为1 秒 集成了2 5 6 字节的e e p r o m 非易性存储器 数据的读出和写入通过1 2 c 总线串行接口完成 d s l 6 2 4 典型应用连接如图2 5 ： 五瓦卜乒 s c la a o a 2 - 目 n ca l 卜爿 g n d 卜叫 图2 5d s l 6 2 4 应用电路 d s l 6 2 4 在测量温度时使用了独有的在线温度测量技术。它通过在一个由对 温度高度敏感的振荡器决定的计数周期内对温度低敏感的振荡器时钟脉冲的计 数值的计算来测量温度。d s l 6 2 4 在计数器中预置了一个初值，它相当于5 5 。 如果计数周期结束之前计数器达到0 ，已预置了此初值的温度寄存器中的数字就 会增加，从而表明温度高于5 5 。 与此同时，计数器斜坡累加电路被重新预置一个值，然后计数器重新对时 钟计数，直到计数值为0 。 通过改变增加的每1 内的计数器的计数，斜坡累加电路可以补偿振荡器的 非线性误差，以提高精度，任意温度下计数器的值和每一斜坡累加电路的值对 应的计数次数须为已知。d s l 6 2 4 通过这些计算可以得到0 0 3 1 2 5 的精度。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 主控制电路设计 主控制单元是整个数据采集器的核心单元，它的设计的好坏将直接影响到 整个系统的正常工作。所以这部分的电路设计是关键。数据采集系统中采用的 微处理器s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司生产的基于a r m 7 t d m i 的1 6 3 2 位高速处 理器，芯片内部集成a d 转换器、l c d 控制器、u a r t 口、存储管理器、实时 时钟等实用的外围器件，大大减少了电路板的设计，很适合产品的开发和以后 的功能扩展。该单元包括a r m 微处理器及其外围的f l a s h 和s d r a m ，f l a s h 用于存储系统程序，s d 洲作程序运行空间、数据及堆栈区。下面分块介绍： 2 3 1a r m 7 核微处理器s 3 c 4 4 b o x a r m 公司是全球领先的1 6 位3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计供应商， 该公司自己不生产芯片，只设计内核。a r m 处理器具有三大特点：体积小、低 功耗、低成本和高性能l s j 。a r m 处理器目前有5 个系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、 a r m l 0 和s e c u r c o r e 。a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位内核，最适合应用 于对价位和功耗要求较高的系统，其中，a r m 7 t d m i 内核是a r m 7 处理器系列 成员之一，是目前应用最广泛的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。a r m 作为嵌 入式微处理器的代表，完美继承和发挥了嵌入式系统体积小、能耗低、成本低 的优势。这些优势使a r m 注定成为最适宜个人移动便携设备开发的平台【9 儿1 0 】。 基于a r m 7 内核的s 3 c 4 4 b o x ，是s a m s u n g 公司基于1 6 3 2 位的砌s c 架构、 为手持设备和一般类型的应用提供高性价比和高性能的解决方案。它的低功耗 和出色的静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的场合。它采用a r m 7 t d m i 内核，为降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供丰富的内置资源，包括：8 k b 高速缓存、 f p e d o s d r a m 控制器、内部s r a m 、l c d 控制器、2 通道u a r t 、4 通道d m a 、 带p w m 功能的5 通道定时器、r t c 、8 通道的1 0 位a d c 、1 2 c 总线接1 2 1 、i 2 s 音频总线接口、同步s i o 接口、7 1 个通用的i o 接口以及8 通道的外部中断源 等其他常用外围接1 2 1 l l l j l l 2 】。 s 3 c 4 4 8 0 x 的杰出特性是它的内部c p u 核，由a r m 公司设计的a r m 7 t d m i 的r i s c 处理器，频率高达6 6 m h z ，它具有强大的指令集；集成了t h u m b 代码 压缩器，在最大化代码密度的同时，保持了3 2 位指令的性能；基于j t a g 的片 武汉理工大学硕士学位论文 上集成i c e 调试；支持3 2 位硬件乘法器；采用新型的总线结构 1 3 1 1 4 】。 基于以上所述，本课题采用基于a r m 7 内核的s 3 c 4 4 b o x 微处理器为核心 进行设计，实现气象数据的采集。一方面实现了既定功能，一方面又可以很方 便的拓展其功能，或移植于其它物理架构相似的成品便携系统上。在深度开发 及代码可重用度上有很大优势。 2 3 2f l a s h 和s d 洲模块及与s 3 c 4 4 b o x 的连接 1 f l a s h 在f l a s h 里存储的是系统运行的程序。f l a s h 选用的芯片是h v 2 9 l v l 6 0 ， 单片容量为2 m b ，它具有1 6 位数据宽度，可以以8 位字节模式或1 6 位字节模 式数据宽度的工作方式工作。工作电压为2 7 3 6 伏。 本系统中，s 3 c 4 4 b o x 工作于3 2 位数据总线模式，h v 2 9 l v l 6 0 与s 3 c 4 4 b o x 的连接比较简单，只需要采用标准总线接口进行交互，并将其c e # 、o e # 和w e # 与s 3 c 4 4 b o x 的相应管脚相连即可，由于程序代码置于f l a s h 中，映射到系统 的b a n k 0 位置，所以将s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 接到f l a s h 的c e # 端【1 5 l 【1 6 l ，其具 体连接方法如图2 - 6 所示： s 3 c 4 4 b d xh 、，2 9 iv l6 0 图2 - 6s 3 c 4 4 b o x 与h v 2 9 l v l 6 0 连接框图 2 s d ra m s d r a m 作程序运行空间、数据及堆栈区。系统启动时，c p u 首先从复位 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 地址o x o 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 洲中，以提高系统的运行速度。s 3 c 4 4 b o x 芯片内具有独立的s d r a m 刷 新控制逻辑【9 】。 为充分发挥3 2 位c p u 的处理能力，在本系统选用了两片8 m b ( 4 组1 6 mb i t ) 的f l a s h 芯片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 。它支持自动刷新，工作电压3 3 v ，工作频率最 大1 3 3 m h z t i t 】。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 与s 3 c 4 4 b o x 的连接如图2 7 所示： 图2 7s 3 c 4 4 b o x 与h y 5 7 v 6 416 2 0 的连接框图 2 4 数据传输接口电路设计 在本系统中选用a t m e l 公司的a t 4 3 u s b 3 7 0 全速u s b 主机外设( 功能) 芯 片，它能够将复杂的u s b 问题屏蔽掉。a r 4 3 u s b 3 7 0 符合u s b 2 0 协议，具有 双模式功能，主要用于嵌入式系统的设计。它具有内置的u s b 主机堆栈、系统 接口驱动器、通用系统处理器接口等，而且具有主机，设备( 功能) 切换功能。 a t 4 3 u s b 3 7 0 实现u s b 主机接口、配置下行u s b 设备、管理u s b 总线电源等 功能；r t l 8 0 1 9 a s 作为系统扩展的以太网接口芯片，可用于气象数据的上传。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1u s b 接口电路设计 u s b 接口电路主要完成u s b 芯片与c p u 的连接。这一节先介绍u s b 芯片 a 1 r 4 3 u s b 3 7 0 的特征和组成，然后是接口的具体实现。 a t 4 3 u s b 3 7 0 是a t m e l 公司生产的一款符合u s b 2 0 协议、的主机设备( 功 能) u s b 芯片，主要用于嵌入式系统的设计。它是一款内置了u s b 主机堆栈， 具有系统接口控制器和直接内存存取( d m a ) 系统的3 2 位通用系统处理芯片， 而且具有主机设备( 功能) 切换功能【l 引。 芯片内部集成有一个u s b 收发器、一个串行接口引擎( s i e ) 、一个s i e 控 制器和一个帧开始( s o f ) 产生模块、2 k 字节的f i f o 和d m a 控制器。 图2 - 8 是a t 4 3 u s b 3 7 0 原理组成框图。它由u s b 控制器( u s b c ) 、控制和 状态寄存器、系统接口控制器( s i c ) 、u s b 收发器、串行接口引擎( s i e ) 、串 行接口引擎控制器、系统处理器接口、f i f o 和d m a 九个部分组成【1 9 】。 d + d 图2 8a r 4 3 u s b 3 7 0 原理组成框图 a t 4 3 u s b 3 7 0 具有3 2 位数据总线，可以跟s 3 c 4 4 b o x 直接相连。数据线、 地址线、片选、读写、中断、请求、应答依次连接就可以了，a t 4 3 u s b 3 7 0 与 s 3 c 4 4 b o x 的连接如图2 - 9 所示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 s 3 c 4 4 8 0 x a t 4 3 u s b 3 7 0 d 3 1 ：o ld 【3 1 ：0 】 a 9 ：2 】a 【7 ：0 】 r l g c s 2c sn n o eo en n 、嚼e 0w en n x d a c k od a c kn n d r e q 0d r f _ dn g p e os e l b c t g p e lp r o g e 粗卜r r u、1 ro u t g p e 2 酣瓜i n g p e 3m o r e g p e 4r e a d y g p e 5d o n e g p e 6b u s y n w tw a r rn 图2 - 9s 3 c 4 4 b o x 与a t 4 3 u s b 3 7 0 的连接框图 2 4 2 以太网接口电路设计 以太网( e t h e m e t ) 和t c p i p 协议是目前使用最广泛的一种通信协议，高速、 可靠、分层以及可扩充的特性使其在各个领域中的应用越来越灵活。s 3 c 4 4 b o x 没有通用的网络接口，因此本系统采用r e a l t e ks e m i c o n d u c t o r 公司的1 0 m 以太 网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 。 s 3 c 4 4 b o x 具有3 2 位外部数据总线，但由于r t l 8 0 1 9 a s 最高只支持1 6 位， 因此只需将r t l 8 0 1 9 a s 的1 6 位数据线与s 3 c 4 4 b o x 的低1 6 位数据线相连即可。 虽然s 3 c 4 4 b o x 的地址总线包含2 5 位，r t l 8 0 1 9 a s 也具有2 0 位地址线，但考 虑到r t l s 0 1 9 a s 内部仅有3 2 个寄存器1 2 0 l ，只需要5 个地址线就足够了，因此 直接把r t l s 019 a s 的高位地址线接地，而将其低五位s a 0 s a 4 与s 3 c 4 4 b o x 的a 0 a 4 相连。r t l 8 0 1 9 a s 采用s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 4 作为选通信号，即将 r t l 8 0 1 9 a s 的地址空间映射到s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 4 上，r t l 8 0 1 9 a s 的a e n 管 脚连接s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 4 ，r t l 8 0 1 9 a s 的管脚i o r b 和i o w b 与s 3 c 4 4 b o x 的n o e 和n w e 相连。r t l 8 0 1 9 a s 的数据读写采用中断方式，r t l s 0 1 9 a s 的 中断管脚连到s 3 c 4 4 b o x 的e x i n t 0 。具体连接见图2 1 0 ： 武汉理工大学硕士学位论文 s 3c 4 4 8 0 xr 1 1 舅01 9 a s e n 1 1 di n l o n g c s 4 a e n p or s t d r v a 0 - a 4s a 0 - s ；a 4 d a t a 0 d a l a l5s d o s d l5 1 1 0 el d r b n w el o 、阳 图2 1 0s 3 c 4 4 b o x 与r t l 8 0 1 9 a s 的连接框图 2 5 电源转换模块 在该系统中，需要使用5 v 、3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源，其中，s 3 c 4 4 b o x 的内核电压为2 5 v ，i o 电源为3 3 v ，而部分器件需要5 v 电源。为简化系统电 源设计，要求整个系统的输入电压为高质量的1 2 v 直流稳压电源，利用d c d c 转换器完