（精密仪器及机械专业论文）谐振筒微质量传感器的分析系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 谐振筒微质量传感器是一种新的传感器，可以推广用于化学、生物、表面处 理等诸多领域，有广阔的应用空间。为了深入研究谐振筒式微质量传感器的测量 技术和扩展其使用范围，需要构建分析系统进行实验研究。 本论文设计了一个由谐振筒微质量传感器、嵌入式l i n u x 的$ 3 c 2 4 1 0 核心板 和数据采集卡构成的分析系统。完成了$ 3 c 2 4 1 0 核心板的制作，实现了l i n u x 操作系统的移植和频率计数器，在p c 上开发了采集的交互界面完成信号的高速 采集，通过实验验证了分析实验的可行性和分析系统的可靠性。 首先，对谐振筒微质量传感器的工作原理进行分析，根据微质量物体与振动 筒的谐振频率之间的联系，设计了基于a r m 9 的频率计，测出传感器的谐振频 率。使用数据采集卡对谐振筒微质量传感器的拾振信号进行高速数据采集，对数 据进行分析及处理，研究信号变化与负载质量的关系。 其次，研究了l i n u x 内核，完成了v i v i 和l i n u x 嵌入系统内核的修改及移植。 实现了设备驱动程序，完成硬件平台和软件系统的对接。 然后，针对数据采集卡的特点和主要功能，使用v c + + 进行软件编程，建立 数据采集界面和菜单，完成数据的显示、存储等功能。最后完成实验，通过数据 去分析负载与信号变化的关系。 该系统的建立和完成，可给其他谐振筒微质量传感器的研究者提供一个二次 开发平台，以便在此基础上完善及扩展硬件和软件方面的工作，从而提高了研究 人员的效率和减少了需求设备的总成本。 关键词：谐振筒$ 3 c 2 4 1 0p c i 1 7 1 6 a b s t r a c t t h ev i b r a t i n gc y l i n d e rm i c r o m a s ss e n s o ra san e ws e n s o ri sw i d e l yu s e di n c h e m i c a l ，b i o l o g i c a l ，s u r f a c et r e a t m e n ta n dm a n yo t h e rf i e l d s ，t h e r e i sb r o a d a p p l i c a t i o ns p a c e i no r d e rt od e e p l yr e s e a r c ht h em e a s u r e m e n to fv i b r a t i n gc y l i n d e r m i c r o m a s ss e n s o ra n de x p a n di t ss c o p eo fa p p l i c a t i o n ，w en e e dt ob u i l dae x p e r i m e n t a n a l y s i ss y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g naa n a l y s i ss y s t e m ，c o n t a i nav i b r a t i n gc y l i n d e r m i c r o m a s ss e n s o ba ne m b e d d e dl i n u xs y s t e mo f $ 3 c 2 410i cc o r eb o a r da n dd a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，c o m p l e t et h es y s t e mh a r d w a r e ，r e a l i z et h et r a n s p l a n to fl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n df r e q u e n c yc o u n t e r , d e v e l o pt h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n d v e r i 匆t h em e a s u r es y s t e ma n dt h e o r y f i r s to f a l l ，a n a l y z et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv i b r a t i n gc y l i n d e r ；a c c o r d i n gt ot h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o m a s so b j e c t sa n dt h ef r e q u e n c yo fo u t p u ts i g n a l o f v i b r a t i n gc y l i n d e r , d e s i g nf r e q u e n c ym e t e ra n dp r o c e s s i n go ft h eo v e r a l ls y s t e m t h e p i c k u ps i g n a lo fv i b r a t i n gc y l i n d e ri ss a m p l e db yd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，r e s e a r c ht h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i g n a lc h a n g ea n dt h et i n yq u a l i t y s e c o n d l y , s t u d yt h ec o r eo fl i n u x ，c o m p l e t et h ev e r i f i c a t i o na n dt r a n s p l a n t a t i o no f v i v ia n dl i n u xe m b e d d e ds y s t e m d e v e l o pt h ec o r r e s p o n d i n gd e v i c ed r i v e rf o r h a r d w a r ep l a t f o r m ，a c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh a r d w a r ep l a t f o r ma n d s o f t w a r es y s t e m t h e n ；a i ma tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h em a i nf u n c t i o n s ； b u i l dad a t as a m p l i n gi n t e r f a c ea n dm e n uw i t hv c + + a c c o r d i n gt ot h eh u m a nm a c h i n e d i a l o g u em o d e ，c o m p l e t ed a t ad i s p l a y ，s t o r a g ea n do t h e rf u n c t i o n s f i n a l l y ，c o m p l e t e e x p e r i m e n t ，t h r o u g ht h ed a t at oa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i po fm i c r o m a s sa n ds i g n a l c h a n g e t h ee s t a b l i s h m e n ta n da c c o m p l i s h m e n to ft h ea n a l y s i ss y s t e mp r o v i d eo t h e r r e s e a r c h e r sas e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt oi m p r o v ea n de x p a n dh a r d w a r ea n d a b s t r a e t s o f t w a r ew o r kb a s eo nt h i ss y s t e m ，t h e r e b ye n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h er e s e a r c h e r s a n dr e d u c et h ec o s to fr e q u i r e de q u i p m e n t k e y w o r d s ：v i b r a t i n gc y l i n d e r $ 3 c 2 4 10p c i 一1716 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：礴文 硼1 1 年易月名日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 ， ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 近几年来国内使用谐振筒式传感器进行各类研究的工作非常迅猛，谐振筒式 传感器是机电一体化的高科技产品。可以广泛用于测量压力、密度等诸多领域， 既可用于科研院所和企业的研究工作，也可用于学校科研的工作，设计的领域不 断扩大。预计未来几年后国内的科研院所对高性能的谐振筒式传感器会有较大的 需求。 经过多年的研究及实验，厦门大学航空系林辉副教授研制出用于生物技术的 谐振筒微质量传感器，拓展了谐振筒式传感器的应用领域，为国内提供一种新的 廉价的谐振筒式微质量传感器。拥有完全自主知识产权，可以不受国内外专利技 术的制约。为进一步的研究及拓展谐振筒微质量传感器的应用，需要构建一个研 究测量的分析系统平台。 而在传统的谐振筒式传感器测量系统多采用分离元件或8 位单片机来设计， 在固件设计上也多采用冗长繁琐的汇编语言，设计的效率和性能难以保证并且功 能单一，为现场环境测量功能及科研项目进一步研究带来较大的局限性。 目前，嵌入式系统被广泛应用于各种数据测量仪器系统中，且随着网络与通 信技术的发展，嵌入式系统的应用己进入一个高、低端的发展并行阶段，其标志 更是今年来3 2 位微控制器的发展。a r m 是嵌入式系统应用比较广泛的一种3 2 位微处理器核，具有体积小、功耗低、硬件调试方便等适合现场操作的优点，更 重要的是3 2 位机移植操作系统比较方便，有利于系统的后续开发和升级。 为了适应现在的谐振筒微质量传感器的分析系统的体积小、功耗低、实时性 好、多功能发展趋势的要求，本论文研究设计的系统，采用了s a m s u n g 公司生 产的3 2 位的a r m 微控制器$ 3 c 2 4 1 0 芯片。 1 2 微小质量测量发展状况 国内外现有测量微小质量的方法主要有两大类：电子天平和谐振式微质量传 谐振简微质量传感器的分析系统的研究 感器。 电子天平是采用电磁力与被测物体的重力相平衡的原理才测量的，通过测量 流过电磁线圈的电流变化的出被测物质的质量。国内外生产电子天平的厂家较 多，国内自主研发的许多产品分辨率通常为1 毫克，国外产品精度较高，例如德 国s a r t o r i u s 公司生产的b s l 2 4 s 型电子天平，测量范围o 1 2 0 克，分辨率0 1 毫克，有些产品的分辨率更高。从电子天平的工作原理可以知道，它用于测量物 质的质量，不能用于测量物质的粘度等。 谐振式微质量传感器目前都是采用石英晶体为天平( q c m ) ，它是以石英晶 体作为谐振元件，当谐振体表面附着一微小质量时，其谐振频率发生改变，通过 测量谐振体的谐振频率变化来测定被测物质的质量。国外已经对它进行了几十年 的研究，到9 0 年代初己有商品化仪器，第二代产品可以利用石英晶体振荡信号 的衰减系数测量物质的粘弹特性，技术水品较高，许多技术受到专利保护。国内 q c m 的研究起步较晚，除少数人在研究q c m 外，多数研究主要集中在q c m 的 应用上。国产q c m 的噪声较大，灵敏度较低，由于受到国外专利技术保护，q c m 的研究暂时还没有取得更大的进展。【1 2 】 谐振筒式传感器过去主要用于测量气体的绝对压力。英国早在上世纪六十年 代就有人在研究，其后主要研究电容式压力传感器，最近几年随着m e m s 技术 的发展，开始出现硅谐振压力传感器。国内从七十年代中期开始研制谐振筒式压 力传感器，八十年代初出现有关的产品。 而在用于生物技术的谐振式微质量天平的研制项目中，在研究以振动筒作为 谐振元件来测量质量。与石英晶体微天平类似，当被测物质辐照在振动筒的外壁 上时，振动筒的谐振频率发生变化，由此可测出被测物质的质量。从原理上看它 也能用于测量物质的粘度等。用振动筒测量微小质量，在技术上另辟捷径，突破 国外的专利壁垒。但是由于起步较晚，研究的人数比较少，相关的理论研究还需 要加强，随着研究的深入，性能会有更大的提高，应用领域也会更加广泛。 1 3 嵌入式系统的简介及发展状况 嵌入式系统是以应用为核心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。简言之，一个嵌 2 第一章绪论 入式系统就是一个计算机硬件和软件的集合体，有时还包括其他一些机械部分， 它是为完成某种特定的功能而设计的，有时我们也称其为嵌入式设备。【3 3 j 还有 一种定义方法，计算机作为某种技术过程的核心处理环节，直接与真实世界自然 地互动，按照环境事件的节拍协调地做出响应，也就是“嵌入到了一个技术过 程中，成为嵌入式计算机，实现这种技术过程的系统就可以看成为嵌入式系统。 嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用 程序等四部分组成，实现对设备的控制、监视、管理等功能。作为嵌入式系统的 核心部件嵌入式微处理器，要求其对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任 务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减小到 最低限度，具有功能很强的存储区保护功能以利于软件诊断，具有低功耗、可扩 展的处理器结构等特点。外围硬件设备包括一个由嵌入式系统内存、i o 端口、 复位电路和电源等与c p uc o r e 一起构成的嵌入式目标系统。与真实环境交互的 各种设备有：存储设备、i o 设备( 键盘、鼠标、l c d 等) 和打印设备( 打印机、 扫描仪等) 。 2 8 】 为适应不断发展的嵌入式产品需要，e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，嵌入 式操作系统) 要占有很少的硬件资源，提供强大的网络功能，同时要有良好的移 植性、友好的g u i 、高可靠性和实时性，以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。嵌入式处理器的应用程序是实现嵌入式系统功能 的关键，其系统软件和应用软件要求功能丰富，要有高质量、高可靠性的软件代 码，此外，许多应用系统要求系统软件具有实时处理能力。大体上看，嵌入式计 算机系统与通用计算机系统相比具有以下特点【5 1 ： 专用性：嵌入式系统通常是面向特定应用，因此嵌入式c p u 大多工作在为 特定用户群设计的系统中，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点。 及时响应：按照嵌入式系统的定义，它是某种技术过程的核心处理环节，必 须满足技术过程的时限要求，自然具有实时处理的特性。 技术密集：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和各个行业的具 体应用相结合的产物，因此，它必然是技术密集、资金密集、高度分散、不断创 新的知识集成系统。 健壮可靠：嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定， 3 谐振筒微质量传感器的分析系统的研究 条件往往恶劣，其健壮性及可靠性是该类产品的必备条件。 多样性：嵌入式系统应用广泛，品种繁多，形式多样。 嵌入式产品应用的需求日益增长，2 0 0 3 年我国嵌入式系统应用产品经济总 量达1 0 0 0 亿元，其中嵌入式处理器芯片约为1 0 0 亿。2 0 0 3 年我国嵌入式微处理 器销售总量约为1 0 2 亿片，4 位m c u 占2 6 亿片，8 位约占6 6 亿片，3 2 位m p u 占0 7 5 亿片。另外，据有关机构预测分析，今年中国大陆市场8 位m c u 的需求 量会增长1 5 2 0 左右；3 2 位m p u 的需求量继续以1 0 0 的速度增长。 由此可以看出，8 位m c u 市场已逐步趋向稳定，3 2 位m p u 代表着嵌入式 技术的发展方向，正在加速发长。在3 2 位嵌入式微处理器市场上，基于a r m 内核的微处理器在市场上处于绝对的领导地位，因此追踪a r m 技术的发展趋势， 学习s o c 的系统构建显得尤为重要。【2 9 】 嵌入式控制器的应用几乎无处不在：移动电话、家用电器、汽车无不有它的 踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应 用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各 业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极 其重要的推动作用。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一 台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器。在制造工业、过 程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费 类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 1 4 本论文完成的工作 本论文研究的目标是设计一个基于谐振筒微质量传感器的分析系统，系统由 嵌入式系统模块和数据采集卡模块，软件采用模块化设计。整个系统具有低功耗、 系统稳定、可移植性强、方便易用等特点。 本文主要完成以下几方面的内容： 1 、根据谐振筒微质量传感器的工作特性，提出分析系统的总体框架方案。 2 、根据总体方案，确定了基于微控制器$ 3 c 2 4 1 0 为核心的嵌入式系统频率 计模块和数据采集卡的高速采集模块，即完成本系统总体方案硬件器件的选择和 电路的设计；完成硬件的电路布局布线、p c b 板及各接口电路调试；使用a r m 4 第一章绪论 开发调试工具a d s 完成目标板外围设备接口的调试。 3 、介绍了l i n u x 嵌入式操作系统，对基于a r m 硬件上的l i n u x 操作系统的 内核( k e r n e l ) 的剪裁和移植，实现相应驱程。在嵌入式平台上完成功能性任务， 包括：串口的数据传输功能和高速频率计的实现。 4 、在p c 上按照人机对话的方式，用v c + + 开发高速数据采集的界面和菜单， 通过界面菜单控制对应的任务，达到对谐振筒微质量传感器的拾振信号高速采 集，完成数据的采集、波形的显示和存储等功能。 5 、通过实验完成数据比对及分析，并达到验证硬件系统可靠性的目的。 5 谐* 筒锚质量传感g 舶分析系统的研究 第二章分析系统的总体框架及实验方案 首先介绍谐振简微质量传感器的结构、性能参数、测量原理及特性，确定分 析系统的总体框架。 2 1 谐振筒徽质量传售器 谐振筒式传感器的研究和应用是起源于在航空上的应用。早期，飞机上对压 力的测量都是由膜片式传感器来完成的，但这种类型的传感器测量精度比较低。 随着飞机装备的日益现代化，大气数据的测量精度也有了新的标准，膜片式传感 器己不能满足要求，一种新的压力传感器一振筒式压力传感器己逐渐取代了原有 的传感器，而被广泛应用。【2 q 目前，谐振筒式传感器已经发展到较高水平，主 要用于测量气体压力和密度等。 我们采用谐振茼微质量传感器来测量微小质量。如图21 所示。 图2 1 谐振筒微质量传感器实物圈 谐振筒微质量传感器由振动筒、激振和抬振电路等组成。 i 、振动筒 振动筒是传感器的敏感元件，是一个薄壁圆筒。圆筒壁厚不同其测量范围 不同，灵敏度办不相同，输出特性也存在差异。圆筒的上端密闭，为自由端，下 端固定在底座上。圆筒的材料是能够构成闭环磁回路的磁性材料，并且具有很低 的弹性温度系数使其温度误差尽可能小。 2 、激振和拾振电路 第二章分析系统的总体框架及实验方案 目前国内常用的激振和拾振电路有两种：电磁激励方式和压电激励方式。 谐振筒微质量传感器采用的是压电激励方式，用特定的胶将压电陶瓷贴在振 动筒内壁上，利用压电陶瓷的逆压电效应，激励振动筒振动。拾振元件是利用压 电效应检测出振动筒的振动频率，通过正反馈电路使振动筒工作在谐振频率上。 谐振筒微质量传感器的测量原理是：振动筒可以看作是一个二阶振动系统， 其振动频率与振动筒的刚度、质量、阻尼等有关。当刚度、阻尼等不变时，若振 动筒壁附着微小质量的物体，则会引起振动筒谐振频率改变。通过测量振动筒的 谐振频率变化，则可得出与质量的变化量之间的关系。 振荡的频率及激振元件的固有频率与振荡电路的频率一致时，便产生共振， 此时振荡最稳定，测出电路的振荡频率便可以得到振动筒固有频率。 谐振筒微质量传感器的特性是：结构简单、成本低、灵敏度高。 2 2 系统总体框架及分析实验 为了分析附着物体质量与频率变化及拾振信号变化的联系，我们搭建了一个 分析系统的总体框架。 系统总体的框架如图2 2 所示。整个系统由谐振式微质量传感器、p c 、嵌入 式系统模块和数据采集模块构成，达到信号采集、图形和结果的显示。从谐振筒 微质量传感器输出两路信号：一路是检测振动筒振动频率的拾振元件输出的类似 正弦的信号，其频率为振动筒的谐振频率，用于研究拾振信号的波形变化；另一 路是为了减少干扰，将该信号经整形变成方波信号输出，用于谐振频率的计数。 图2 2 系统总体框架 7 谐振简微质量传感器的分析系统的研究 从谐振筒微质量传感器送出的谐振频率信号，从t o u t 0 送入$ 3 c 2 4 1 0 核心 板中的计数器，通过控制2 个计数器，采用快速频率测量法，计算出信号的频率， 并送入上位机进行存储；同时使用数据采集卡p c i 1 7 1 6 对拾振信号进行高速采 集，通过v c 软件编出采集界面，达到控制和显示的功能。同时把一段时间内高 速采集的大量数据保存到数据库中，便于分析及比对。 本系统脱离了微小质量测量的传统的机械天平和石英晶体测量方法，采用 a r m 9 嵌入式+ 数据采集卡的设计，使用w i n d o wx p + w m w a r e ( 虚拟机) + r e d h a t 9 0 ，在p c 上控制和操作方便快捷、结果简单直观、受环境影响小。 需要完成的两个分析试验： 1 、测量频率变化与附着物体质量的关系 从谐振筒微质量传感器出来的谐振频率信号为方波信号，可通过嵌入式频率 计来测量。这里我们采用了一种灵活快速的频率测量方法【8 】，将振动筒传感器输 出的脉冲信号送到微处理器内部的定时器计数器来测量频率。 传感器对分辨率要求很高，要在2 4 位才能准确反应出实际的变化，然而使 用了上面的新的测量方法，我们分别用2 个1 6 位的计数器就可以达到要求，减 低了对系统的要求。通过计数器测量出信号的频率值，同时用高精度的电子天平 测出附着在筒壁上的微小物体的质量，来建立频率与质量之间的变化曲线图及关 系公式。 2 、测量拾振电压信号波形变化与附着物体质量的关系 在谐振筒微质量传感器附着了微小质量的物体后，拾振信号输出的是一个类 似正弦的信号。故将振动筒拾振信号直接连出，使用数据采集卡p c i 1 7 1 6 对信 号进行高速采集，画出信号波形图用来比对，同时将大量的数据存储起来，来分 析信号变化是否与负载的关系。 此高速采集系统要在1 6 位的分辨率和2 0 0 k s s ( 每秒的采样点数) 条件下去完 全采样，才能真实的反应拾振信号波形变化。 8 第三章分析系统的硬件部分 第三章分析系统的硬件部分 本章介绍了分析系统硬件平台：嵌入式$ 3 c 2 4 1 0 核心板的频率计模块和数 据采集卡模块。其中详细介绍了$ 3 c 2 4 1 0 核心板的电路设计和数据采集卡 p c i 1 7 1 6 的相关参数。 3 1 嵌入式系统硬件平台 我们采用了a r m 9 的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器芯片，搭建了嵌入式系统平台，目 前我们只需使用到微处理器中的计数器部分，故只介绍了构成的较小系统，但在 设计的p c b 板时已经放置了网卡，留出了u s b 接口，l c d 及触摸屏的接口等方 便以后拓展使用。 3 1 1 微处理器控制系统 1 、a r m 介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业， 设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技 术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、 消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 2 1 】 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商， 每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合 伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议， 其中包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体这 样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列 知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 2 、a r m 内核 9 谐振筒微质量传感器的分析系统的研究 ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空间统一的指令和数 据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度是6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个 时钟周期。其中的a r m 7 1 0 ，a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。 a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ，这是公司授权用户最多的一项产品，a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试 技术来简化系统设计，并利用一个d s p 增强扩展来改善性能。a r m 7 小型，快 速，低功耗，成r i s c 内核，用于移动通信。该产品的典型用途是数字蜂窝电话 和硬盘驱动器。【3 5 】 ( 2 ) a r m 9 系列 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，平均功耗为0 7 m w m h z ，时钟速度是1 2 0 2 0 0 m h z ，每条指令平均执行 1 5 个时钟周期。与a r m 7 系列相似，其中的a r m 9 2 0 ，a r m 9 4 0 和a r m 9 e 均 为含有c a c h e 的a r m 核，性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 供电) 或2 2 0 m i p s ( 2 0 0 m h z 时钟) 。a r m 9 同时配备t h u m b 扩展、调试核h a r v a r d 总线，在生产 工艺相同的情况下，性能是a r m 7 t d m i 的两倍多，常用与信息家电和机顶盒。 ( 3 ) a r m l 0 系列 a r m l 0 采用a r m v 5 t 结构，六级流水处理，指令与数据分开的c a c h e 结构， 时钟速度是3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个时钟周期，其中的a r m l 0 2 0 为 内带c a c h e 的版本。 a r m l 0 t d m i - 与所有a r m 核的二进制代码兼容，内带高速3 2 x 1 6 m a c ， 预留d s p 协处理器接口。其中的v f p l 0 ( 矢量浮点单元) 为七级流水结构。 a r m l 0 2 0 t ：删l o t d m i + 3 2 kc a c h e s + m m u 结构，3 0 0 m h z 时钟，功 能为1 w ( 2 0 v 供电) 或1 0 0 m w ( 1 5 供电) 。指令c a c h e 和数据c a c h e 分别为3 2 k ， 宽度为6 4 b i t ，适合于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。 ( 4 ) s t r o n g a r m s t r o n g a r m 是融合了i n t e l 公司的设计和处理技术的a r m 体系结构。 s t r o n g a r m 处理器采用了a r m v 4 t 的五级流水设计。目前有s a i1 0 、s a l1 0 0 以及s a l l l o 等三个版本。 ( 5 ) x s c a l e 1 0 第三章分析系统的硬件部分 i n t e lx s c a l e 微体系结构是一种全性能、高性价比、低功耗且基于a r m v 5 t e 体系结构，它支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 扩充。目前用的比较多的是x s c a l e p x a 2 5 0 和x s c a l e8 0 2 0 0 8 0 312 。 3 、核心处理器$ 3 c 2 4 1 0 主机核心c p u 选择了$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器，深入了解$ 3 c 2 4 1 0 a 的内部结构 及其工作方式对理解工作原理，对使用该处理器进行软硬件设计有着重大意义。 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核， 采用o 1 8um 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：具有1 6 k b 的指令c a c h e 、 1 6 k b 的数据c a c h e 以及m m u ；支持t f t 的l c d 控制器；n a n d 闪存控制器； 3 路u a r t ，4 路d m a ；4 路带p w m 的t i m e r ；i o 口；l 玎c ；t o u c h s c r e e n 接 口；2 个u s b 主机；1 个u s b 设备；s d 主机和m m c 接口；2 路s p i ；$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 下。 s 3 c 2 4 1 0 a 的内部结构方框图如图3 1 所示。 l 接i 曩l 夺啼 台：i 意嚣盈 h u 一c 。埘ri 孛专 暑 夺苟i 一 i 错 0筒 p a f m p a 辩 u k h ：# a o 斟i ，! ! ! ! = ! ! 、s嘲f z u rl7髻 艟利1 0 r 0 尉t ；i 哗器。ki 脚t a i u 胛扎：k 园渤 lm 一* i 夺睁 ， s 一际岛 jg 除句 暑筒l 眠 u 暑 夺冷l 黜 m 船r 0 o 翻l 、广y 沪：，旧 。- i r r , o 。r 勰i 图3 1 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 $ 3 c 2 4 1 0 a 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，f 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。 由$ 3 c 2 4 1 0 a 的上述特点可以看出这种芯片功能很强大，集成了各种常用的 重要接口，如u a r t 、s p i 、i i c 、s d 卡、u s b 接口、a d c 通道和触摸屏接口等。 接口应用范围很广，适用于信息家电、s m a r tp h o n e 、工业控制、手持设备、移 动终端等领域。 谐振简微质量传感器的分析系统的研究 3 1 2 存储器模块 1 、n a n df l a s h 接口电路模块 n o rf l a s h 和n a n df l a s h 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。n o r 的特点是芯片内执行，即应用程序可直接在f l a s h 闪存内运行，不必把代码读到 系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，但是很低的写入和擦除速度大大影响了 它的性能。n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写 入和擦除的速度也很快。【6 】 当前n o rf l a s h 存储器的价格比较昂贵，而s d r a m 和n a n df l a s h 的存储 器的价格来说相对比较合适，这样我们就产生了从n a n df l a s h 启动和引导系统， 而在s d r a m 上执行主程序代码的想法。 s 3 c 2 4 1 0 a 刚好满足这一要求，它可以实现从n a n df l a s h 上执行引导程序。 为了支持n a n df l a s h 的系统引导，$ 3 c 2 4 1 0 a 具备一个内部s d r a m 缓冲器， 叫做“s t e p p i n g s t o n e ”。当系统启动时，n a n df l a s h 存储器前面的4 k b y t e 字节 将被自动载入s t e p p i n g s t o n e 中，然后系统自动执行这些载入的引导代码。 n a n df l a s h 控制器的工作机制如下图3 2 所示。 一k ， _ j 一一 4 j ( b 勃t 嘧，r 一 删r ) p m j l 粕a n 口 f i 。s n l 嚣胡薯 存储嚣 ；簪拣功艟并存嚣i 7 。， |、 图3 2n a n df l a s h 控制器的工作机制 系统采用6 4 m b ( k 9 f 1 2 0 8 ) n a n df l a s h 芯片存储器【1 2 】，1 0 0 ：7 与$ 3 c 2 4 1 0 数据线l d a t a 0 ：7 连接，片选信号为n f c e 接$ 3 c 2 4 1 0 的n f c e 信号，r e 和 w e 分别为读使能和写使能为分别接$ 3 c 2 4 1 0 的n f r e 和n f w e 信号；a l e 为地 址锁存使能信号接$ 3 c 2 4 1 0 的a l e 信号，c l e 为命令锁存使能信号接$ 3 c 2 4 1 0 的c l e 信号；w p 为写保护信号，低电平有效，这里接高电平将电平拉高，禁止 写保护。如图3 3 所示： 1 2 第三章分析系统的硬件部分 u m t o t l 参 3 l 笛 3 7 们 心 臼 q 姒t a 4 i d 溘t j l d a 丁, t 6 l d t l i c l 1 0 2 1 0 3 啊落 啊一c l o i 1 0 5 i 1 0 7 w p w 艺 旺 a 点 k c c 旺 i 了仿 u 踟加8 皿m y c 8 0 o 图3 3n a n df l a s h 电路原理图 2 、s d 删接口电路模块 s d r a m 可读可写，不具有掉电保持数据的特性，但其存储速度大大高于 f l a s h 存储器。在嵌入式系统中，s d r a m 主要用做程序的运行空间、数据及堆 栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 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 r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同 时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 ， 目前，常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。主 要的生产厂商为h y u n d a i 、w i n b o n d 、s a n s u n g 等，同类型器件一般具有相同 的电气特征和封装形式，可以通用。 本文采用s a m s u n g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 ，它是4 m 1 6 b i t 4 b a n k 的同步 s d r a m ，容量为3 2 m b 。用2 片k 4 5 5 6 1 6 3 2 实现位扩展，使数据总线宽度达到 3 2 h i t ，总容量达到6 4 m b ，将其地址空间映射在$ 3 c 2 4 1 0 a 的b a n k 6 。s d r a m 所有的输入和输出都与系统时钟c l k 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，s d r a m 在具体操作之前首先必须通过m r s 命令 设置模式寄存器，以便确定s d r a m 的列地址延迟、突发类型、突发长度等工作 模式；再通过a c t 命令激活对应地址的组，同时输入行地址；然后通过r d 或w r 命令输入列地址，将相应数据读出或写入对应的地址；操作完成后用p c h 命令或 b t 命令中止读或写操作。在没有操作的时候，每隔一段时间必须用a r f 命令刷 1 3 舞墓 谐振简微质量传感器的分析系统的研究 新数据，防止数据丢失。 7 1 2 片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 构成的3 2 位s d r a m 存储器电路如图3 4 所示。 图3 4s d r a m 电路原理图 3 1 3 串行接口模块 串口是计算机一种常用的接口，具有连接线少，通讯简单，得到广泛的使用。 常用的串口是r s 2 3 2 c 接口，它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e i a ) 联合贝 尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。串口通讯指的是计算机依次以位( b i t ) 为单位来传送数据，异步串行通信中 常用的波特率为2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 ，1 1 5 2 0 0 等。串行通讯使用的范围很 广，在嵌入式系统开发过程中串口通讯也是经常用到的通讯方式之一。【4 】 $ 3 c 2 4 1 0 带有3 个全双工异步串行口( u 舢玎) ，用其中2 个串口通过2 3 2 电平转换器m a x 3 2 3 2 得到r s 2 3 2 电平。串口电路如图3 5 所示： 1 4 第三章分析系统的硬件部分 图3 5r s 2 3 2 串行通讯口电路 3 1 4 其他电路模块 1 、电源电路模块【2 】 在本系统的绝大多数芯片使用3 3 v 直流稳压电源，如$ 3 c 2 4 1 0 a 核心板等， 但有部分电路用到5 0 v s b 部分) 和i s v ( s 3 c 2 4 1 0 a 核电压) 。采用5 v 的直流电 源输入，经过d c d c 转换器可完成5 v 到3 3 v 和1 8 v 的电压转换。系统中r t c 所需电压由1 8 v 电源和后备电源共同提供，在系统工作时1 8 v 电压有效，系统 掉电后备电源开始工作，以供r t c 电路所需，同时使用发光二极管指示电源状 态。s 3 c 2 4 1 0 a 电源电路如图3 6 所示。 ( a ) 3 3 v 电源电路 ( b ) i 8 v 电源电路 图3 6 $ 3 c 2 4 1 0 a 电源电路 谐振简微质量传感器的分析系统的研究 2 、复位电路模块 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复 位功能。复位电路可由简单的r c 电路构成，也可以使用其他相对较复杂但功能 更完善的电路。 采用如图3 7 所示的较简单r c 复位电路，经使用证明，其复位逻辑是可靠 的。该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r 8 2 向电容c 6 5 充 电，当c 6 5 两端的电压未达到高电平的门限电压时，r e s e t 端输出为高电平， 系统处于复位状态；当c 6 5 两端的电压达到高电平的门限电压时，r e s e t 端输 出为低电平，系统进入正常工作状态。 当用户按下按键r e s e t 时，c 6 5 两端的电荷被放掉，r e s e t 端输出为高电 平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。 两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形；n r e s e t 端的输出状态与r e s e t 端相反，用于低电平复位的器件：通过调整r 8 2 和c 6 5 的参数，可调整复位状 态的时间。 图3 7 系统复位电路原理图 3 、j t a g 接口电路模块 j t a g 是j o i n tt e s t a c t i o ng r o u