（通信与信息系统专业论文）海底原位动力环境参数监测系统的设计.pdf

海底原位动力环境参数监测系统的设计 捅要 随着人口、资源和环境问题的矛盾日益凸现，世界各国对海洋环境以及海 洋探测的高度重视，海洋越来越成为人类生存与发展关注的热点问题，世界各国 对海洋的重视程越来越高，海洋科技越来越成为衡量一个国家综合国力的重要技 术指标，但是我国在海洋探测技术方面和国外还有一定的差距。本论文基于此， 我们采用由韩国三星公司生产的a r m 9 芯片( $ 3 c 2 4 1 0 ) 为核心，通过外围设备接 口将c t d 、a d c p 和a d v 等单个的海洋探测仪器集成为一体，使之成为一个系统， 通过应用程序控制各个仪器，将采集到的数据通过串口实时的传输到上位机并进 行整体的综合对比分析，以此来监测海洋环境的各项参数，为政府管理、科研、 企业等各部门及大众提供产品与信息服务的能力。 本论文首先介绍了海洋测量技术的发展状况、本课题所用到的测量仪器 ( c t d 、a d c p 、a d v ) 、我国在海洋探测方面和国外的差距以及本论文研究的总体 情况和方法；其次，介绍了嵌入式系统的概况以及发展趋势，介绍了系统整体硬 件的设计方案，详细讲述了嵌入式硬件系统的各个组成部分的设计与功能实现， 并且给出部分原理图和系统整个p c b 图；然后介绍了系统软件平台的搭建，具体 讲述了引导程序移植、内核的裁剪与移植以及文件系统的制作与移植；最后通过 应用程序的编写将三台海底探测仪器有机的结合成一个整体，通过上位机给他们 发出命令，来执行相应的命令将采集到的数据传输到上位机，来进行综合对比分 析，以此来完成海底原位动力环境参数的监测，并在嵌入式l i n u x 系统中进行了 实验，给出了最后的结果。 最后，对全文工作进行了总结，并指出了今后进一步的研究方向。 关键词：海洋监测；嵌入式系统；a 蹦；数据传输；l i n u x t h e d e s i g no ft h ed r i v i n gf o r c eb e h i n dt h e m a r i n ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei np o p u l a t i o n ，r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a li s s u e sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l ya p p a r e n t ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l do nt h em a r i n ee n v i r o n m e n ta n d m a r i n ee x p l o r a t i o na t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et ot h eo c e a ni si n c r e a s i n g l yb e c o m i n g c o n c e r n e da b o u th u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fh o ts p o t sa r o u n dt h ew o r l d ， m a r i n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a si n c r e a s i n g l yb e c o m ean a t i o n sc o m p r e h e n s i v e s t r e n g t ht om e a s u r et h ei m p o r t a n tt e c h n i c a li n d i c a t o r s ，h o w e v e r ，i no c e a ne x p l o r a t i o n t e c h n o l o g yi nc h i n aa n da b r o a d ，t h e r ei ss t i l la c e r t a i ng a p i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h i s ， w eh a v ea d o p t e df r o ms o u t hk o r e a ss a m s u n ga r m 9c h i pp r o d u c t i o n ( $ 3 c 2 4 1 0 ) a s t h ec o r e ，t h r o u g ht h ee x t e r n a ld e v i c ei n t e r f a c et oc t d ，a d c pa n da d vo fm a r i n e e x p l o r a t i o n ，s u c ha sas i n g l ei n t e g r a t e da p p a r a t u sa saw h o l e ，m a k i n gi t as y s t e m ， t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o np r o c e s sc o n t r o lo fa l le q u i p m e n tw i l lb ec o l l e c t e di nr e a l t i m e d a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h es e r i a lp o r tt ot h ep ca n dc a r r yo u tac o m p r e h e n s i v e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ew h o l e ，a sam e a n so fm o n i t o r i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e m a r i n ee n v i r o n m e n tf o rt h eg o v e r n m e n ta d m i n i s t r a t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，b u s i n e s s a n do t h e rd e p a r t m e n t sa n dp u b l i ci n f o r m a t i o np r o d u c t sa n ds e r v i c e s t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e dm a r i n em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h e p r o j e c t su n d e r t a k e nb yt h eu s eo fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ；s e c o n d l y , t h ei n t r o d u c t i o n o fe m b e d d e ds y s t e m s ，弱w e l la sa no v e r v i e wo fd e v e l o p m e n tt r e n d s ，t h eo v e r a l l i n t r o d u c t i o no ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，ad e t a i l e da c c o u n to ft h ee m b e d d e d h a r d w a r es y s t e m si nv a r i o u sa ni n t e g r a l p a r t o ft h ed e s i g na n df u n c t i o no f i m p l e m e n t a t i o n ，a n dg i v ep a r to fs c h e m a t i ca n dp c bm a p ；r e i n t r o d u c t i o no ft h e s y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r e s ，s p e c i f i cg u i d a n c e a b o u tt h ep r o c e d u r e sf o r t r a n s p l a n t a t i o n ，c o r ec u t t i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n a sw e l l 硒t h ef i l e s y s t e mo f p r o d u c t i o na n dt r a n s p l a n t a t i o n ；f i n a l l yt h r o u g ht h ea p p l i c a t i o np r o c e s sw i l lb et h e p r e p a r a t i o no ft h r e eu n d e r s e a d e t e c t i o ne q u i p m e n ti n t oac o m b i n a t i o no fo r g a n i c w h o l e ，t h r o u g ht h eh o s tc o m p u t e rt og i v et h e mo r d e r st oe x e c u t et h ec o r r e s p o n d i n g c o m m a n dw i l lb ec o l l e c t i n gt h ed a t at r a n s m i t t e dt ot h eh o s tc o m p u t e r , t oc a r r yo u t c o m p r e h e n s i v ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，a n dm o n i t o r i n go ft h eb e h i n do f t h e e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，a n di nt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mt o c a r r yo u tt h e e x p e r i m e n t ，g i v et h ef i n a lr e s u l t s f i n a l l y , t h ef u l lt e x to ft h ew o r ka r es u m m a r i z e da n dp o i n t e do u tt h a tt h ef u t u r e d i r e c t i o no ff u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：m a r i n em o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m s ，a r m ，d a t at r a n s m i s s i o n ， l i n u x i i i 独创声明 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。据我所知，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，也不包含未获得 ( 篷! 垫逡直基丝益墓壁型直疆丝：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲7 一甥 签字日期：7 雌6 月6 日 导师签字： 豕建诞整 签字日期：如，年月日 海底原位动力环境参数监测系统的设计 1 课题背景 1 1 海洋测量技术的发展 c t d 测量技术、a d c p 测量技术、a d v 测量技术是研究海洋和应用海洋的最基 本的一种技术。“九五 “8 6 3 计划使我国海洋测量技术发生了巨大变化，无论从 高精度测量仪研制上，还是测量设备标准的建立方面，都赶上或达到了国际同类 产品的先进水平。高精度海洋分析仪已经列为“十五 “8 6 3 一标准化的项目，而 分析测量设备正在为海洋仪器的研制鉴定进行服务。随着海洋世纪的到来，海洋 测量技术越来越受到世界各国的普遍重视，在国内国际具有很大的市场。在目前 广泛应用的基础上，将有更加宽阔的发展前景。 8 0 年代以来，我国进行了大型海洋调查，参加了国际海洋合作研究、海气交换 试验、t o g a 、黑潮调查、南大洋考察和北太平洋锰结核考察等等，均使用了高精 度c t d 温盐深剖面仪，a d c p 声学多普勒海流剖面仪，a d v 声学多普勒流速仪等测量 设备。各种高精度测量仪的产业化工作已经开始，力求在精度、稳定性和可靠性 方面有所改进，朝着体积更小，功耗更低，可靠性和使用更方便的方向发展【u 。对 于测量要素留有足够的接口，测量方式趋向多样化，例如采水器可以组合也可 以单独使用，可以自容式也可以传输式，可以定点系留投放也可以走航。目前，我 国海洋持续发展战略和军事海洋学的发展，市场需求量很大，有广阔的产业化前 景。但根据实际的使用要求，也可以将该仪器安装在保护架内，利用调查船上的 电缆绞车下放测量，具有可靠、易用、轻便、灵活等特点。在水上计算机接受终 端安装相关应用程序就可以进行海底相关环境数据的实时测量，仪器整机体积小 巧，置于专用的仪器箱内便于携带和仪器防护【2 1 。 1 2 本课题所用测量仪器的简介 1 温盐深剖面仪( c t d ) 温盐深剖面仪是海洋调查监测的主要技术仪器设备，也是国际海洋高技术产 品市场的主要竞争商品，它可以方便测量海水的温度、盐度和深度，并可以搭载 其他探头使用。本次课题使用的是s b e l 9 p i u s v 2 ，它搭载有溶解氧探头和一个高 海底原位动力# 境参测系统的设计 精度的温度传感器，其实物图如图il 所示 剖i ic t d 实物图 其主要技术指标为 串口通信参数： 9 6 0 0b a u d ，8 位数据位，无同步位，1 位停止位 ( 波特率可变，但数据格式不可变) 存储容量：6 4 岫 主外壳最大下潜深度： 7 0 0 0m e t e r s ( 3 a l - 2 5 v 钛合金) 电导率原始频率： 2 8 5 6h z 压力传感器：变形测量器：l o o o op s i a ，s n2 2 8 8 6 3 计算机通信连接：p n1 7 7 9 7y - c a b l e 取样电压数量： 2 全部配置电压延时： 3 0 8 标准的1 9 p l u s v 2 包括：6 4 m 闪存；内部安装好的压力测量器；9 块d 型碱性电 池：防水连接器件包括连接i o 数据口、外部电源、泵电源的六针接口，两路差 分辅助a d 输入的3 套6 针接口，r s 2 3 2 辅助传感器的4 针接口；温度、电导一 体管道；s b e 删小型泵1 3 l 。 海底魇位动力环境参数监搿系统的设计 2 声学多普勒海流剖面仪( d c p ) 声学多普勒海流剖面仪实际上是一个包括：( 1 ) a d c p 换能器( 4 个探头) ； ( 2 ) 操作软件系统：( 3 ) 计算机及连接设各等3 个主要部分组成，利用声学原 理，a d c p 向水体发射一个( 一对或一组) 声脉冲这些声脉冲碰到水体中悬浮 的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率的改 变，这个频率改变即称多普勒额移，可根据此计算出水流相对于a d c p 的速度。 同时，还可以向河底发射底跟踪声脉冲，测出a d c p 安装平台( 测船) 的运动速 度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度l q 其实物图如图 2 1 所示： 图i2a d c p 实物图 3 声学多普勒流速仪( a d v ) 声学多普勒流速仪主要由三部分组成：量测探头、信号调理、信号处理。量 测探头由三个1 0 i 蛐i z 的接收探头和一个发射探头组成，三个接收探头分布在发射 探头轴线的周围，它们之间的夹角为1 2 0 。，接收探头与采样体的连线与发射探 头轴线之间的夹角为3 04 ，采样体位于探头下方5 c m 或l o c m ，这样可以基本上 消除探头对流场的干扰；信号调整器由检测微弱反射信号的模拟电路组成；数字 信号处理由一个单独的电路板完成，主要针对输出频率为2 5 h z 的实时三维流速 测量值的计算。其实物图如图i 3 所示。 海雇月位自力环境参数蒯系统的设* 圈13a d v 实物图 1 3 本文关于海底环境参数采集系统的研究情况 本课题是研究设计c t d 温盐深剖面仪，a d c p 声学多普勒海流剖面仪，a d v 声学 多普勒流速仪的海洋数据采集与传输系统，由于这3 个测量仪都是工作在深海中 且接口都为标准的r s 2 3 2 c 接口，基于稳定性和实时性方面的考虑本课题选用嵌入 式a r m 2 4 1 0 作为核心，来控制和操作工作在深海中的c t d ，a d c a o v 测量仪。完成 在恶劣环境中的各项参数的测量井将测量的数据实时的传输到终端，达到实时监 测海洋环境的目的。 整个系统包括水下剖面测量系统( 简称水下机系统) 和水上数据处理系统( 简 称水上机系统) 两大部分，如图1 4 所示，水下机是主体，主要包括中央控制系统 和传感器c t d 剖面仪测量水下电导、温度、压力；a d c p 声学多昔勒海流剖面仪 测量平面水流速；a d v 声学多普勒流速仪测量定位点的水流速。根据用户要求进 行系统配置，由钢丝绳绞车下放进行剖面测量。羽惶时，由传感器感应海水的水文 参数变化，通过转换电路，将物理量变成电信号输出。输出信号进入采集器，经过 处理，由a 蹦控制器接收并存储在s d 卡存储器中。水上终端接收传感器测量数据， 向计算机转发传感器测量数据，由计算机存储全部的测量数据并显示温度、电导 率和压力值从而观测仪器实时的测量过程，显示测量数据随深度或随时间的变化 曲线，并在设定的深度进行采水，测量结束自动关闭电源，由用户程序回放测量 数据。进一步处理成温度、电导率、压力、溶解氧和p h 值等，并可计算出深度、 盐度、密度和流速等，实现对海洋环境信息的实时监控。 海底原位动力环境参数监测系统的设计 ic t d 除爿 八 in y 计算机 la d c p 降爿 a i 泓 2 4 1 0 ( 运行上位机) ia d v 除爿 2 嵌入式系统介绍 2 1 嵌入式系统概述 图1 4 系统整体框图 和通用计算机相比较，嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不 称之为计算机的设备或器材，是指被嵌入到各种产品或工程应用中的以处理器或 微处理器为核心的软硬件系统。嵌入式系统目前还是一个比较模糊的定义，从军 用到民用、从工业产品到家用电器都可以找到嵌入式系统的踪迹。目前国内对嵌 入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 的一个普遍认同的定义是：以应用为核心，以计 算机技术为基础，软硬件可裁剪的适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积 和功耗等有严格要求的专用计算机系统。 由嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 组成的系统最明显的优势 就是可以嵌入到任何微型或小型仪器和设备中。嵌入式系统是将先进的计算机技 术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。这一点就决定 了它必然是一个技术密集、资金密集，广泛应用，不断创新的知识集成系统【5 1 。 嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需要的功能嵌入到各种应用系统中。 因此，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，力争在体积和性能上更具 有竞争力。其中，嵌入式系统的软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式系 统软件的要求和通用计算机有所不同。 ( 1 ) 一般而言，嵌入式软件针对具体应用而编写，并固化存储在不可写存储 器中。 ( 2 ) 嵌入式软件具有高质量、高可靠性的特点，对软件的大小有严格的要求。 5 海底原位动力环境参数监测系统的设计 ( 3 ) 嵌入式系统软件应具有足够的实时处理能力和自恢复能力。 ( 4 ) 嵌入式操作系统在嵌入式系统的开发中发挥着越来越重要的作用【6 】。 对嵌入式系统而言，应用程序虽然可以没有操作系统而直接在芯片上运行， 但为了合理的调度多任务和利用资源，系统必须要采用实时嵌入式操作系统开发 平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开发时间，保证软件质 县 亘。 另外，在嵌入式软件的开发过程中，由于嵌入式系统本身资源有限的特点， 因而不具备自开发能力，必须有相应的软硬件环境和开发工具才能进行开发。 2 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般主要有三个组成部分用，如图2 1 所示： 硬件：该图给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运算核心， 存储器( r a m 、r o m ) 用来保存可执行代码以及中间结果，输入输出设备完成 与系统外部的信息交换，其它部分辅助系统完成功能。 应用软件：是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来实现， 也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 用来管理应用软件， 并提供一种机制，使得处理器分时的执行各个任务并完成一定的时限要求。 2 3 嵌入式系统的特点 l 、与通用型计算机系统相比，嵌入式系统具有以下几个特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。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。 ( 2 ) 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，这样才能完成功能、可靠性和功耗的苛 刻要求。 ( 3 ) 实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支持直 接运行，但是为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选配实 时操作系统开发平台1 8 l o 6 海底原位动力环境参数监测系统的设计 r o m 处理器 r a m 复 系 位 及 定时器串行口 统 振 专 荡 用 电 中断控制并行口 电 路 路 输输出设备接口及驱动电路 图2 1 嵌入式系统框图 ( 4 ) 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完 成以后，用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能 进行开发。 2 、经过改造后的嵌入式l i n u x 具有适合于嵌入式系统的特点： ( 1 ) 内核精简，高性能、稳定； ( 2 ) 良好的多任务支持； ( 3 ) 适用于不同的c p u 体系架构：支持多种体系架构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、 a l p h a 、s p 根c 等； ( 4 ) 可伸缩的结构：可伸缩的结构使l i n u x 适合于从简单到复杂的各种嵌入式 应用： ( 5 ) 外设接口统一：以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口； ( 6 ) 开放源码，软件资源丰富：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵 活，适用面广； ( 7 ) 完整的技术文档，便于用户的二次开发【9 j 。 2 4 嵌入式系统的现状 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统 带来的工业年产值已超过1 万亿美元。据赛迪呼叫中心合作开展的调查显示，目 前从事嵌入式开发的软件企业占到了3 0 左右，计划从事开发的企业占到了 7 海底原位动力环境参数监测系统的设计 1 4 。尽管还没有从事该领域开发的公司占到了大多数，但我国国内的嵌入式软 件市场已处于整体启动阶段。国内嵌入式软件市场未来的发展重点在于对应用范 围的拓展，而手持设备、信息家电和工业控制则是近期市场的三大热点。展望未 来，明天的嵌入式系统将会比今天的更便宜、更小巧、更可靠、更高效而且更智 能化。近年来微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领 域发生了翻天覆地的变化。特别是网络的普及，嵌入式与互联网相结合成为最热 门的技术。现在，可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它们与i n t e r n e t 或企业 内网连接起来，这种特性增强了嵌入式系统多方面的实用性【1 0 】【1 1 】。 2 5 嵌入式系统的发展趋势 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年访华时曾预言，4 至5 年后嵌入 式系统将是继p c 和i n t e m e t 之后最伟大的发明。如今几年过去了，现实的发展 也验证了这个预言的正确性。现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，未来几年， 这种发展和竞争将愈演愈烈。将嵌入式系统的应用按照市场领域划分，可以分为： ( 1 ) 消费类电子产品； ( 2 ) 控制系统和工业自动化； ( 3 ) 数据无线通信； ( 4 ) 汽车电子及医疗设备；f 1 1 】 目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已经实现汉字写入、短消息语音发布， 日用范围也将广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息 采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大作用。在自动控制领域，不仅可以 用于a t m 机、自动售货机、工业控制等专用设备和移动通信设备、g p s 、娱乐相 结合，嵌入式系统同样也可以发挥巨大的作用。 由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，要达到上述“三化 的要求，整个系统必须是开放的、提供标准的a p i ，并能方便的与第三方的软硬 件沟通。 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应 用，信息交换、资源共享的机会增多，由此相关的标准问题也日渐突出，如何建 立相关的标准成为业界关注的问题。 8 海底原位动力环境参数监测系统的设计 3 系统的硬件设计 数据采集模块硬件平台包括最重要的核心处理器和其他外围元件电路。本系 统选用的是韩国三星电子公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入 式微处理器，因其较低的价格和强大的性能而受到众人的青睐，开发商多的这一 特点可以为用户提供更多的技术支持。 3 1 嵌入式微处理器 3 1 1a r m 微处理器简介 ( 1 ) a r m - ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司 成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产 权( 口) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消 费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器的应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 0 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面f 埘。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的 芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根 据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器 芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 ( 2 ) a r m 微处理器的特点【1 3 】 采用r i s c 构架的a r m 微处理器，一般具有如下的特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) x x 指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 9 海底原位动力环境参数监测系统的设计 大量使用寄存器，指令执行速度更快： 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定； ( 3 ) a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处 理器都有各自的特点和应用领域： ( l ) a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类应用。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，主要应用于 无线设备、仪器仪表、安全系统、机项盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像 机等。包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，可以适用于不同的 应用场合。 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制 器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程 度。主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备 和网络设备等领域。a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和 a r m 9 6 6 e s 三种类型，可以适用于不同的应用场合。 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 构与同等的a r m 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时， a r m l 0 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。主要应用于 下一代无线设备数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。包 含a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 和a r m l 0 2 6 e j s 三种类型，以适用于不同的应用场 厶 口o s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术 的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低 功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政 1 0 海底原位动力环境参数监测系统的设计 务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。包含s e c u r c o r e s c l 0 0 、 s e c u r c o r e s c l l 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r e s c 2 1 0 四种类型，以适用于不同 的应用场合。 ( 查) x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价 比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已经使用在 数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合【1 4 】。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个 系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 3 1 2 基于a r m 9 2 0 t 内核的s 3 c 2 4 1 0 $ 3 c 2 4 1 0 是韩国三星电子公司新推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位 r i s c 嵌入式微处理器。该处理器主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的 应用。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部分组 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 b 地址和1 6 k b 数 据高速c a c h e 组成。 a r m 9 2 叽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。图3 1 为a r m 9 2 0 t 的结构框图1 1 5 j ： 图3 1a r 姻2 0 t 结构框图 $ 3 c 2 4 1 0 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和n t 带有触摸屏的液晶显示 1 1 海底原位动力环境参数监测系统的设计 屏) 、s d r a m 控制器、3 个通道的u a r t 、4 个通道的d m a 、4 个具有p w m 功 能的计时器和个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。$ 3 c 2 4 1 0 还有很多丰富的外 部接口，例如触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、两个u s b 主机接口、 一个u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p u ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达 到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n c e 、l i n u x 等操作系统以 及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟f 1 6 1 。图3 2 为$ 3 c 2 4 1 0 构成资源的功能框图。 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节， 共1 g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。 b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可 编程，外部w a i t 管脚扩展了访问周期。 $ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选线来选择8 个b a n k 区。 电源管理 时钟控制器 中新控制器 a h b 总线 总线控制器 a r b i t e r d e c o d e r l c d d m a l c d 控制器 4 通道 d m a 控制器 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 功能框图 $ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大、比n o rf l a s h 价格低等特点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价 比。$ 3 c 2 4 1 0 具有三种启动方式，可通过o m i ：0 管脚进行选择： 季 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 海底原位动力环境参数监测系统的设计 o m i ：0 = 0 0 时处理器从n a n df l a s h 启动； o m 1 ：0 = 0 1 时处理器从1 6 位宽的r o m 启动； o m i ：0 = 1 0 时处理器从3 2 位宽的r o m 启动。 用户可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的n a n df l a s h 中，并从 n a n df l a s h 启动。当处理器在这种模式下复位时，内置的n a n df l a s h 将访问 控制接口，并将引导代码自动加载到内部s r a m ( 此时刻s r a m 定位于起始地址 空间0 x 0 ( 0 k ) 0 0 0 0 ，容量为4 f r o ) 并且运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作系 统镜像加载到s d r a m 中，操作系统就能够在s d r a m 中运行。启动完毕后， 4 k b 的启动s r a m 就可以用于其它用途【1 7 1 。 如果从其它方式启动，启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间 0 x 0 0 0 0 0 ( ) 0 0 ，处理器直接在r o m 上运行启动程序，而4 k b 启动s r a m 被定位 于内存地址的0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 处。 $ 3 c 2 4 1 0 对于片内的各个部分采用了独立的电源供给方式； ( 1 ) 内核采用1 8 v 供电； ( 2 ) 存储单元采用3 3 v 独立供电，对于一般s d r a m 可以采用3 3 v ，对于移 动s d r a m 可以采用v d d 等于1 8 2 5 v ； ( 3 ) v d d q 等于3 0 3 3 v ； ( 4 ) i o 采用独立3 3 v 供电f 1 踟。 3 2 系统硬件平台的总体设计 嵌入式系统硬件原理框图如图3 3 所示。嵌入式c p u 芯片是整个数据采集系 统的核心，采用a r m 9 的$ 3 c 2 4 1 0 芯片。s d r a m 用于系统运行时程序的存取；f l a s h 存储器主要用于保存b o o t l o a d e r 、嵌入式l i n u x 操作系统、应用程序以及相关 的配置参数。对于现场设备的压力、温度等传感器数据利用a d 来采集，对于外 部等仪表设备的数据的采集可以利用标准的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线接口，其中 绝大部分数据采集任务都可以由这些接口来完成。如需要现场显示，可以在标准 的l c d 接口外接l c d 显示屏，通过l i n u x 操作系统图形界面的应用程序或驱动程 序来控制完成数据显示功能，由c p u 负责对采集到的数据进行运算和处理然后以 太网或c a n 总线传给上位机。 1 3 海底原位动力环境参数监测系统的设计 l u s b 接口 i c s 9 9 0 0 a k = = 爿以太网口 i i s s 吲r s 4 s s s 3 c 2 4 l o m a x 3 2 3 z 吲r s 2 3 2 6 4 ms d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 * 2 n o rf l a s h s s t 3 q v f l 6 0 1 图3 3 硬件原理框图 3 3 各个功能模块的硬件设计 3 3 1c p u 模块【1 9 】 $ 3 c 2 4 1 0 的主要性能指标有：( 1 ) 基于a r m 9 2 0 t 内核，支持1 6 3 2 位指令， 内含m m u 可以运行l i n u x 、w i n c e 操作系统。内含1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据 c a c h e 。内嵌i c e 支持j t a g 调试方式。( 2 ) 共有8 个内存块，每块空间最大为 1 2 8 m ( 共1 g ) ，每块内存都支持8 1 6 3 2 位数据总线编程，使用时b a n k o - b a n k 5 的大小可以自由配置，但b a n k 6 、b a n k 7 必须有相同的大小。其中b a n k o - b a n k 6 的起始地址固定，b a n k 7 的起始地址和b a n k 6 、b a n k 7 的大小有关，支持n o r n a n d f l a s h 启动，内嵌s d r a m 控制器支持s d r a m 自动刷新，支持大端和小端模式。 1 4 一一一一 海底原位动力环境参数监测系统的设计 3 3 2 存储器模块 图3 4c p u 电路图 s d r a m 电路： s d r a m 被用来存放操作系统( 从f l a s h 解压缩拷入) 以及存放各类动态数据， 采用s a m s u n g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 ，它是4 m x l 6 b i t 4 b a n k 的同步d r a m ，容量为 3 2 m b 。用2 片k 4 s 5 6 1 6 3 2 实现位扩展，使数据总线宽度达到3 2 b i t ，总容量达到 6 4 m b ，将其地址空间映射在s 3 c 2 4 1 0 的b a n k 6 。 s d r k m 所有的输入和输出都与系统时钟c lk 上升沿同步，由输入信号r a s 、 c a s 、w e 组合产生s d r a m 控制命令，其基本的控制命令如下：例 命令 r a sc a sw e编码 空操作( n o p ) hhh0 0 0 激活操作( a c t ) lh h0 0 1 读操作( r d ) hlh0 1 0 写操作( w r ) hll0 l l 突发中断( b t ) h hl1 0 0 预充电( p c h ) l