（交通信息工程及控制专业论文）基于嵌入式系统的高速数据采集的平台研究.pdf

摘要 随着信息技术的高速发展，人们需要能够准确、快速和便捷地获得大量数据并能从 中迅速提取出有用的信息。近年来，随着微电子技术飞速发展，嵌入式计算机正在深入 应用到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域。将嵌入式计算机技术 与数据采集技术结合起来，构成一种体积小、便于携带、造价相对较低，集信号采集、 处理、存储和显示为一体的设备具有广泛的应用前景。 高速数据采集系统主要完成实时数据采集和数据存储。它主要侧重于c p l d 的电路 的高速数据采集。系统中的增益调节电路用于调节输入信号的大小以适合a d c 芯片的 要求。第一级f i f o 数据缓冲电路用于存储a d 转换后的数据。c p l d 分析各个器件的 工作时序和采样保持时间和a d 转换时间，输入数据等，并且完成数据的累加。 本论文在介绍了高速数据采集系统整体结构之后，重点讲述了基于a r m 处理器的 数据处理与显示系统的设计。论文中主要实现了嵌入式软硬件平台的设计，嵌入式硬件 平台以s 锄s u n g 公司的s 3 c 2 4 1 0 处理器为核心，在其周围加以存储器模块、以太网控 制模块、显示控制模块、系统调试模块、存储电路接口模块等。 为了更好的实现系统功能，设计采用嵌入式l i n u ) ( 作为数据处理和显示系统的操作 平台，应用程序在该操作平台上完成。包括自启动程序b o o tl o a d e r 的配置和移植、 l i n u ) ( 厄m b e d d e d 操作系统的配置、编译和移植、外设驱动程序的设计。设备驱动程序实 现了操作系统内核和外设硬件之间的接口。论文中详细介绍了c s 8 9 0 0 网卡设备驱动程 序的编写。 关键词：嵌入式系统，c p l d ，f i f 0 ，l i n u x ，s 3 c 2 4 1 0 ，移植 a b s t r a c t w i t ht h er 叩i dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o m l a t i o nt e c h n o l o g y ，l a 唱e 锄o u n to fd a t an e e d t ob eo b t a i n e da c c u r a t e l y ，c o n v e n i e n t l ya 1 1 dt i m e l yi no r d e rt o g e tu s e f u li n f o 肌a t i o n i n r e c e n ty e a r se m b e d d e dc o m p u t e rh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha si n d u s t 叮， a g r i c u l t u r e ， e d u c a t i o n ， n a t i o n a ld e f e n s e ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha i l dd a i l yl i f e t h ec o m b i n a t i o no ft h e e m b e d d e ds y s t e ma n dt h et e c l l i l o l o g yo ft h ed a t ac o l l e c t i o nl e a d st 0as m a l l ，p o n a b l ea j l d l o wc o s td e v i c ew h i c hh a s 如n c t i o n so ft h ed a t ac o l l e c t i n g ， p r o c e s s i n g ，s t o r i n ga n d d i s p l a y i n g t h er e s e a r c hi sm e a j l i n g f u la n dp r o m i s e sab r i g h tp r o s p e c to fw i d eu s a g e t h eh j 曲s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma c c o m p l i s h e sm o s t l yt h ed a 土aa c q u i r i n ga n d d a t as t o r i n ga l ss o o na sp o s s i b l e t h eg a i nc o n t r o lc i r c u i ti nt h es y s t e mi su s e dt oc o n t r o lt h e i n p u ts i g n a l i no r d e rt oa g r e ew i mt h er e q u i r e m e n to fa d cc h i p t h ef i r s tf i f od a t ab u f r e r c i r c u i ts t o r e st h ed a t aa r e ra dc o n v e r s i o n c p l d 淅l la n a l y z ew o r k i n gs e q u e n c eo fe a c h d e v i c e ，a l s ot h e i rt i m eo fs 锄p l i n ga n da dc o n v e r s i o n i ta l s oa d d sa n da c c u m u l a t et h e d a t a a r e ri n t r o d u c i n gt h ee n t i r ef 锄e w o r ko ft h eh i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h e t h e s i sd e s c r i b e sm ed e s i g no fd a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n gs y s t e mp r o m i n e n t l y ；i n c l u d i n g t h ed e s i g no fe m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r ma i l ds o 胁a r ep l a t f o 珊t h ee m b e d d e dh a r d w a r e p l a t f o 肌c e n t e r so ns 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o rp r o d u c e db ys a m s u n gc o m p a n y ，a l s oi n c l u d e s m e m o 巧m o d u l e ，e t h e m e tc o n 仃o lm o d u l e ，d i s p l a yc o m r o lm o d u l e ，t e s tm o d u l ea n dt h e i n t e r f i a c em o d u l ew i t hd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g es y s t e m ，a j l de v e 巧m o d u l ec o u l d 、o r k n o m a u ya r e rb e i n gd e b u g g e d i no r d e rt 0a c h i e v eab e 慨rs y s t e m ，e m b e d d e dl i n u xi sa d o p t e da sm e o p e r a t i n gs y s t e m f o rd a c ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n go nw h i c ht h ea p p l i c a t i o np r o g r 锄sa r ed e v e l o p e d t h e w o r ki n c l u d e st h ec o n f i g u r a t i o na n dm o v i n go fs e l f - t r i g g e r e dp m g m mb o o tl o a d e r ，t h e c o n f i g u r a t i o n ，c o m p i l a t i o na n dm o v i n go fl i n u x e m b e d d e do s ，t h ed r i v e ro fp e r i p h e r a l t h ed r i v e r sw o r ka st h eb r i d g eb e t 、e e nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) k e m e la u l d h a r d w a r e t h es y s t e mi n t r o d u c e sm ed r i v e ro ft h en e t 、v o r kc a r dc s 9 0 0 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，c p l d ， f i f 0 ，s 3 c 2 4 l0 ，m o v e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 粱眈啁 2 。7 年f 月莎日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：录啪明2 口卵年月多日 铷一叩w 况洲胁 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 随着数据采集技术的发展，数据采集设备的采样频率越来越高，由以前的数百字节发 展到目前的几十兆，甚至上百兆。因此产生的数据量也随之大大增加。如何利用计算机 实现高速数据采集和存储，是工业控制中面临的一个问题。由于采样频率很高，每次采 集动作的时间间隔很短，高速的c p u 处理能力和慢速的i o 操作产生矛盾，造成数据的 遗漏和丢失，甚至产生错误的数据。因此需要采用新的方法，同时结合高效的嵌入式系 统作为平台以及嵌入l i n u x 操作系统进行数据的处理，结合硬件的特点以实现所要求的 功能。 1 1 国内外相关发展状况 随着微电子技术的飞速发展，高速数据采集技术【l 】也得到了长足的发展。数字存储 示波器是典型的数据采集系统。随着其采样率的不断提高，它已成为高速数据采集系统。 然后将采集到的数据传送到嵌入式系统，进行相关的处理之后得到我们想要的结果传输 到其它的端口。数字存储示波器的最高采样率也已达到1 0g s s 。另外，逻辑分析仪、 频谱分析仪、网络分析仪等也属于高速数据采集系统范畴。下面简单介绍目前世界上最 先进的数据采集系统产品及其技术性能指标【2 】： s p e c t n l ms i g n a lp r o c e s s i n g 公司推出的采样率2 0 0 m s s 和高速d s p 的超高速数据采 集和处理系统。该板卡配有初始化与数据采集软件，并支持a p e x 并行软件开发工具。 s p e c 公司的s p l 2 2 5 是带有1 g s s 数字化仪的超高速数据采集模块( h s d a m ) p c i 卡。其应用领域包括静态分析、频谱分析、激光多普勒速度测量、光时问域反射测量等。 s i g i l a t e c 公司是有着十多年历史的，面向高性能数据采集、信号处理、波形产生和 数据存储等应用的p c 机板卡设计制造商。 2 0 0 1 年a c q u i s i t i o n l o g i c 公司推出基于p c i 总线的采样率分别为5 0 0m s s ，1g s s8 b 数据采集板卡a l 5 0 0 和a l 5 l g 。 2 0 0 3 年2 月u l t r a v i e w 公司制造出基于p c i 总线的采样率为1 2 5 g s s 8 b 数据采集卡。 数据采集到之后就要进行存储，然后就是对数据处理从而得到想要的输出结果。随 之处理数据的平台也就有了进一步的提升。其中近年来用于高速数据采集平台的嵌入式 系统以及l i n u x 操作系统使用起来越广泛。 嵌入式系统在本质上是一个专用的计算机系统，但是和一般计算机系统不同，它 第一章绪论 不是一个单独存在的完整系统，故而不以独立设备的物理形态出现；嵌入式系统根据应 用系统或主设备的应用需要，嵌入到应用系统或主设备内部，成为它们的一个部分；嵌 入式系统在应用系统或主设备内起着运算、处理、存储以及控制的作用：嵌入式系统强 调专用性、可靠性、实时性、经济性；嵌入式系统具有体积小、集成度高、效率高、功 耗低、基本资源齐全、专用资源明确的特点。 由于嵌入式系统不是一个完整的系统，而就要嵌入一个l i n u x 系统来共同完成任务。 l i n u x 是一种基于u n i x 的，完成的多任务操作系统。之所以用它就是因为其l i n u x 是 一种强大的、可靠的、可扩展的、灵活的、可配置的、多用户的、多任务的并且是免费 的操作系统【3 1 。 1 2 课题背景 随着计算机技术和数据采集技术发展，数据采集技术系统越来越复杂，需要采集数 据量也越来越大，采集速度、精度、实时性、数据可信度、完整性以及采集统的可靠性、 智能化、开放性等要求也越来越高。针对这些要求，如何利用基于计算机的虚拟仪器技 术，快速高效的提出测试系统的构建方案，成为采集统的首要问题和迫切需要。一个大 型的数据采集系统由以下几个部分组成【4 】：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、 数据处理、分析和显示等。目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，仪器设备的 要求更加强劲。一方面，我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等 还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突破有困难。另 一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统仪 器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。同时对于采 集到的高速度和高精度的数据进行快速有效的处理，这就需要一个适用于高速采集的处 理器，嵌入式系纠5 1 就完全可以做到。 1 3 论文研究的目的和意义 随着数据采集的速度和精度的不断提高，再采集来的数据必须要进行存储。存储之 后要相应的高效的处理。这就需要我们要有一个高效快速的一个采集系统来对不同的数 据进行采集。 7 本论文所研究的目的就是设计高速数据采集系统，以实现速度快、可靠性高和实时 性强的数据采集。由于c p l d 的可编程性，可以对该电路板加以改造用在其他的高速数 长安大学硕士学位论文 据采集场合。与此同时在我们采集到的数据之后存放在数据三态缓存器当中。可以对数 据进行有效的管理，从另一端输出我们要要到的有实用价值的数据。将其输送到嵌入式 系统中，试图在嵌入式系统中将l i n u x 操作系统嵌入其中，由于它可应用于多种硬件平 台、由于l i n u x 系统源代码公开、微内核直接提供网络支持、高度模块化。所以我们用 它作为操作系统来对数据进行处理以得到我们想要的结果。 本论文研究的意义就是在于高速数据采集可以做到更有效、更快速、更全面的数据 处理从而达到方方面面的需求。同时( 1 ) 成本低廉以简单、可靠的新技术，组成结构 尽可能简单、成本尽可能低廉，但是功能、性能尽可能好的系统。( 2 ) 性能强要求采样 深度尽可能深( 即记录的时间长) ，采样速率尽可能快。( 3 ) 具备一定数据分析和处理功 能。该系统己经广泛应用于钢铁冶金、机械制造、军工、电子电器、工业生产、宇宙飞 船、火箭发动机、导弹、卫星、核工程、微电子工程等高技术领域【6 l 中得到了广泛应用 并取得了良好效果【7 l 。在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行 采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。 1 4 基于嵌入式系统的高速数据采集系统的构成 基于嵌入式系统的高速数据采集系统主要包含了以下几大模块：高速数据采集系统 和嵌入式l m u ) ( 系统。其中高速数据采集系统又包括：增益调节电路、a d 采样电路、 f i f o 数据缓冲电路和c p l d 电路。在嵌入式系统中主要是以嵌入式作为平台将l i n u ) 【 操作系统移植其中进行数据的处理。如图1 1 基于嵌入式系统的高速数据采集系统结构 示意图。 采样控制时序 双向控制结构 图1 1 基于嵌入式系统的高速数据采集系统结构示意图 3 第一章绪论 该系统是从输入信号开始进入增益调节电路，该电路通过调节输入信号的大小以适 合a d c 芯片要求。然后进入f i f o 数据缓冲电路，该f i f o 数据缓冲电路用以完成在存 储，d 转换后的数据，并存放数据的累加结果并在进行后一次累加的时候由c p l d 读取 其中的数据与a d 采样的数据累加。c p l d 电路用于完成2 0 0 0 个数据的1 0 0 0 0 次对应累 加。第二级f i f 0 数据缓冲电路用于存放前一次2 0 0 0 个数据的累加结果，c p l d 完成累 加后再把数据送给第二级数据缓冲电路保存。嵌入式系统接受到数据之后进行相关的处 理传到显示器上。 1 5 论文结构安排 本文详细分析了基于嵌入式系统的高速数据采集系统的总体设计，选用具有强大的 扩展功能的功能的s 3 c 2 4 1 0 微处理器，并在微处理器上移植l i n u x 操作系统，建立了高 速数据采集后的处理平台。本论文的内容及任务包括如下： 第一章绪论部分主要介绍了高速数据采集的国内外的发展状况，在当前状况下高速 数据采集的目的及意义，以及分析了基于嵌入式系统的高速数据采集的主要组成部分。 第二章对高速数据采集的整个过程进行整体设计，从输入信号开始到加采样，再 到数据的存储，以及c p l d 电路的数据累加。 第三章阐述了嵌入式系统的基本概述；对嵌入式处理器进行了分类，以及它们各自 的特点；及嵌入式操作系统的特点、发展和应用。 第四章主要阐述了嵌入式系统的硬件实现。 第五章阐述了在嵌入式硬件上移植l i l l u x 操作系统。 4 长安大学硕士学位论文 第二章高速数据采集模块的设计 2 1 数据采集理论基础 2 1 1 概述 数据采集的示意图如图2 1 所示【引。模拟输入信号，此信号即在时间上与幅值上均 连续变化的信号，首先要经过一个采样滤波器，为了滤波，然后由采样保持电路每隔一 个采样间隔进行一次数据采集，再经过模数转换器( a d c ) 进行量化和编码处理，之后成 为计算机可以接受和处理的数字信号，即二进制数码；接着由a r m 、d s p 、计算机等 处理器对数据进行相关处理，处理后输出的数字信号再通过数模转换器( d a c ) ，转换为 模拟信号。这是一个数据采集的过程，在此转换过程中，二进制码首先转换为连续时间 脉冲，最终通过“平滑滤波器”恢复成模拟信号。采样、量化和编码是数据采集的理论 基础。 图2 1 数据采集示意图 出 2 1 2 采样定理 采样定理：假设一个频带有限的信号频谱的最高频率为厶。如果采样频率z 等于 或大于信号频谱最高频率z 的两倍，则可以用采样信号恢复原信号，而不产生失真。这 个频率l 叫做n y q u i s t 频率，采样时间间隔为五= 名厶，称为n y q u i s t 间隔，采样定理 又称奈奎斯特定理。一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5 1 0 倍。显然， 通过采样定理可以将模拟信号和相应的离散信号本质地联系起来。当有待数字化的模拟 输入信号带宽超过了采样频率的一半，这时的采样称为欠采样( u n d e r - s 锄p l i n g ) 或超 n y q u i s t ( s u p e r n y q u i s t ) 采样。与此相仿，我们将采样频率高于两倍n y q u i s t 频率的采样， 称为过采样( o v e r _ s a m p l i n g ) 。不论欠采样或是过采样，在实际工程中，均已得到了广泛 的应用。 2 1 3 采样方式 采样( 也称为取样) 是将连续的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上 5 第二章高速数据采集模块的设计 离散、但幅值上仍是连续的离散模拟信号，用来表达原信号的部分或全部特性。所以 采样又称为波形的离散化过程。有两种基本的数字化采样方式：“实时采样 ( r e a l t i m e s a m p l i n g ) 与“等效时间采样( e q u i v a l e n t t i m es a p l i n g ) 9 l 。对于“实时采样 按照 固定的顺序进行采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化， 然后，经过一个采样间隔，再采入第二个样本。这样一直将整个信号波形数字化后存入 波形存储器。在实时采样过程中，信号波形一到就采入，因此此采样适用于任何形式的 信号波形，无论重复的或不重复的，单次的或连续的。同时又由于所有采样点是以时间 为顺序，因而易于实现波形的显示功能。 “实时采样”可以观测非周期信号，但它的主要缺点就是时间分辨率较差。即每个 采样点的采入、量化、存储，必须在小于采样间隔的时间内全部完成。若对信号的时间 分辨率要求很高、比如采样间隔只有几百或几十纳秒时，那么每个采样点的数字化工作 可能就来不及做。 “实时采样”除了通常使用的“定时采样”( 即“等间隔采样”) 外，还常常使用“变步长 采样”，即“等点采样”。这种采样方法不论被测信号频率为多少，一个信号周期内的均 匀采样的点数总共为n 个。由于采样信号周期随被测信号周期变化，故通常称为“变步 长采样”。“变步长采样”既能满足系统精度的要求，又能合理地使用系统内存单元，还 能使增强系统功能所要求的数据处理软件的设计大为简化。 厂定时采样( 等间隔采样) 厂f f实时采样 1 l 定点采样( 变步长采样) 采样 i，顺序采样 lf 实时采样 l l l随机采样 图2 2 采样方式分类图 在很多应用场合，实时采样方式所提供的时间分辨率并不能完全满足工作的要求， 在这些应用场合当中，所要观察的信号常常是重复性的，即相同的信号图形按照有规则 的时间间隔重复地出现。对于这些信号来说，我们可以从若干个连续的多个信号周期中 6 长安大学硕士学位论文 采样到一组采样点来恢复一个周期的波形，即等效时间采样。等效时间采样使得示波器 在高时基设置之下可以达到很高的时间分辨率。可以用两种不同的方法实现等效时间采 样：顺序采样和随机采样。 ( 1 ) 顺序采样 顺序采样的采样点是按照一个固定的次序进行，即在屏幕上从左到右进行采集。第 一个触发事件到来之后就立即采集第一个点，并讲数据存入存储器。第二个处罚事件用 来启动一个定时延迟，在经过一个很小的延迟& 后，再采集第二个采集点。第三个触发 事件到来后，该系统则产生2 出的延迟时间。此延迟时间到后再采集第三个采样，如此 进行下去。也就是说第n 个采样点的采集是相对触发事件延迟了( n 1 ) 出的时间后进行 的。最后恢复的信号波形是按固定次序出现的采样点而构成的。 ( 2 ) 随机采样 随机采样是，每一组采样点是在随机的时刻采样的，而且与处罚事件无关。这些采 样点之间的时间间隔为一已知的时间，由采样时钟来确定。当等待触发事件到来时，其 内部就在连续的进行采样并将结果存入存储器。当一个触发事件到来时，示波器内一个 定时系统就从这一时刻开始直到下一个采集点时刻进行时间测量。由于采样间隔是固定 的，因此能够从此测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置。当第一次采 集的所有采样点存储完毕后，就开始采集一组新的采样点并等待新的触发事件。新的触 发事件到来以后，计时系统又进行新的时间测量并计算出这些新的采样点落在上一次采 集的采集点填充位置之间的未填充位置。使随机采样的方法填满一个完整的波形记录所 花的时间要比顺序采样的方法多很多。这是因为它运用了统计的方法来填充所有的存储 位置。随机采样技术的优点在于可以通过预触发信息以及触发信息。 采样把连续信号转换为离散信号，在时间位置构成了一个递增序列，这个序列的间 隔由a d c 的采样速率决定【l o l 。因此，完成了一轮采样之后，我们可以得到一组数据。 这组数据在存储器中的位置就由这次采样数据对应的时间序列决定。经过多轮的随机采 样，得到多组采样数据序列，在重复输入周期性波形的前提下，就可以用这多组采样数 据序列重建出信号波形。 2 1 4 量化和编码 量化实际上是一种近似运算过程，相似于四舍五入或截尾等整数化运算程。图2 3 为模拟信号的量化过程1 1 】： 7 第二章高速数据采集模块的设计 输 出 量 化 后 编 码 满 输入电压，v 图2 3 模拟信号量化编码图 量子q ：最基本的度量单位。 一个模拟量最大值v f ，以一个数字量2 ”表示( 胛为此二进制数的位数) q = v f | z 显然n 越大，q 越小，度量精度就越高。对于线性量化的理想情况，量化带就等于 一个量子q 。输入模拟量在门q 与o + 1 ) q 之间时，输出都以胛9 表示。量化误差绝对值h 小于一个量子q 。实际应用中，常把特性左移q 2 。 这样量化误差就变成：一酬2 h 一 一 一上n 胬4 5 旷l n 1 0 霄 n w e l 蠢 n w a i t 1 0 c h r d yl a n l 即 m i n t l 0i n t r q 0l i n n 皿 00 1 ， 4 7r s 2 3 2 的电路设计 图4 9c s 8 9 0 0 a 接口电路原理图 r s 一2 3 2 是个人计算机上的通讯接口之一，它由电子工业协会( e l e c t r o n i ci n d u s 砸e s a s s o c i a t i o n ，e i a ) 所制定的异步传输标准接口。通常r s 2 3 2 接口以9 个接脚( d b 一9 ) 或 是2 5 个接脚( d b 2 5 ) 的型态出现，一般个人的计算机上会有两组r s 一2 3 2 接口，分别称 为c o m l 和c o m 2 。 3 5 第叫章a r m 端的硬件平台设计 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制定的一种串 行物理接口标准。r s 2 3 2 c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通 道，在多数情况下主要使用辅助通道。在多数的情况下主要使用主通道，对于一般双工 通信，仅需要几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线以及一条地线。r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、 1 9 2 0 0 波特。r s 2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此 电容的限制。传输距离短的其中另一原因是r s 2 3 2 属单端信号传送，存在共地噪声和 不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。 i c l 3 2 4 3 能有效地把t t l 和c m o s 信号电平转换成为r s 2 3 2 电平，以保证它每秒 2 5 0 k 位的最高数据速率，它的工作电压范围是3 v 5 v ，适用于电脑、外围设备、便携 式测试仪器以及高速调制解调器。如图4 1 0 所示： 3 6 长安人学硕士学位论文 4 8 触摸屏电路设计 图4 1 0i c l 3 2 4 3 内部框图 t 1 0 u t1 引器 r 3 i n r 4 i n r s - 2 3 2 l e v e l s ( 1 ) 触摸屏的简介和应用 触摸屏做为一种特殊的计算机外设，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互 方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在 3 7 第1 ，q 章a r m 端的硬件平台设计 我国的应用领域非常广阔，主要是公共信息的查询：如电信局、税务局、银行、电力等 部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、 电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。尤其是公共场合信息查询服务，由 于它的使用与推广大大方便了人们查阅和获取各种信息。 ( 2 ) 触摸屏的分类： 触摸屏的基本原理就是用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触 摸的位置( 以坐标形式) 由触摸屏控制器检测，并通过串联接口( 如r s 2 3 2 串行口) 送到 c p u ，从而确定输入的信息。触摸屏系统则一般包括触摸屏控制器( 卡) 和触摸检测装置 两个部分。两个部分的作用分别是触摸屏控制器( 卡) 的主要作用是从触摸点检测装置上 接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给c p u ，而它同时能接收c p u 发来的命 令并加以执行。触摸检测装置一般安装在显示器的前端，主要作用是检测用户的触摸位 置，并传送给触摸屏控制卡。 触摸屏可以分为以下几类：电阻触摸屏、红外线触摸屏、电容式触摸屏、表面声 波触摸屏、近场成像触摸屏 ( 3 ) s 3 c 2 4 1 0 的触摸屏 s 3 c 2 4 1 0 内部自身就集成了触摸屏控制器，可以直接外接四线电阻屏触摸屏控制部 分包括外部晶体管控制逻辑模数转换控制和中断控制逻辑外部晶体管的导通内阻要求 小于5 在此选用f a i r c h i l d 公司的双n & p 通道数字f e t 这种场效应晶体管采用高密度 的d m o s 技术设计通态电阻在1 左右非常适合于低电压应用的场合。图4 1 l 是触摸屏 接口接线图： 图4 1 1 触摸屏接口接线图 下面来介绍一下触摸屏的工作原理：如图中所示的x m o nn 、x p o n 、y m o n 、 n y p o n 是s 3 c 2 4 l o 的触摸屏控制信号分别接四个外部晶体管切换触摸屏的x 和y 方 向的信号送到内部的a ，d 转换电路转换为坐标值。而t s x m 、t s x p 、t s y m 、t s y p 3 8 长安大学硕士学位论文 分别接到四线电阻屏当中。而x p o s 和y p o s 则是对应的x 轴和y 轴的位置坐标信号 分别接到对应的a d c 电路输入端。以上就是其中的触摸屏接口接线的管脚引线的连接。 3 9 第五章a r m i 。i n u x 操作系统 第五章a 蹦l i n u x 操作系统 a r m l i n u x 操作系统顾名思义，这是专门针对a r m 移植的l i n u x 操作裂3 5 1 。选择 a i w l i n u ) ( 作为系统解决方案，其在内存管理、进程管理、中断响应和处理等方面都是 有别于别的操作系统和不带操作系统的a i 州平台的。但同时它也是基于l i n u x 操作系 统而来的，对于l i n u x 操作系统就必须要了解。所以下面对l i n u x 做一下进一步的介绍。 5 1 嵌入式l i n u x 系统介绍 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统，称为嵌入式系统。 一个最小的嵌入式系统的基本组成为：一个用作引导的可用设施( 工具) ；一 个具备内存管理，进程管理和定时器服务的l i n u x 微内核；一个初始进程；硬件 的驱动程序；一个或几个应用进程以提供必要的应用功效。 本课题需要一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必需特性的操作系统。而由 于嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植且正在被广泛采用，还有众 多商家使用了嵌入式l i n u ) ( 。所以本系统选择了嵌入式l i n u x 。 5 1 1 嵌入式l i n u x 系统的特点 l i n u ) 【为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和l i n u x 相似、以核 心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。软件源码全部公开，任何人可 以修改并在g n u 通用公共许可证下发行，这样，开发人员可以对操作系统进行定制。 同时由于有g p l 的控制，大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 用 户遇到问题时都可以在广袤的网络资源中获取帮助m 3 。l i n u x 还提供了强大的网络功 能和语言编译器g c c 、g + + 等。对嵌入式l i n u x 操作系统与专用嵌入式实时操作系统的比 较如下： 一、嵌入式l i n u x 的内存使用 在一个简单的系统中，在系统启动之后，内核和各种应用进程都驻留在内存中。但 l i n u x 还可以使用另外一种方式：l i n u ) 【有加载和卸载程序的能力3 7 1 ，所有的应用程序 都以文件的形式存放在闪存文件系统中并在必要的时候被加载到内存中，用来节省 r a m 。 长安大学硕士学位论文 二、嵌入式l i n u ) 【的调试方法 当开发一个新硬件相应的嵌入式l i n u x 系统时，要用到的典型调试工具g d b 的步 骤是：修改代码使其能读写串口，并使用g d b 运行该程序。这将允许它向另一台正运 行着g d b 程序的l i n u x 主机通信；g d b 通过串口与测试计算机上的g d b 目标码会话 并给出全部c 源码级的调试信息；借助g d b 执行余下的，直到l i n u x 内核开始接管之 前的所有硬件和软件的初始化代码； 一旦l i n u x 内核启动后，上述的串口就成为l i n u x 的控制台端口，可以利用它的便 利来进行后继开发过程，并可以使用g d b 的内核调试版本k g d b 。 三、嵌入式l i n u x 的可移植性【3 8 】 将l i n u x 移植到新的微处理器体系非常快捷，一般是将其移植到一种新型的目标板， 其中包含有独特的外设。大部分的内核代码都是相同的，因为它们与微处理器无关，所 以，移植的工作多集中在一些存储器管理及中断处理程序上。一旦完成，它们将非常稳 定。 四、嵌入式l i n u x 的硬件支持 支持广泛的计算机硬件，包括m o t o r o l a 、x 8 6 、a l p h a 、s p a r c 、m i p s 、p p c 、 a i w 、n e c 等现有的大部分芯片。 5 1 2l i n u x 内核的组成 一、l i n u x 内核源代码目录结构 内核是操作系统的灵魂，它为用户进程提供一个虚拟接口。其包含的目录如下： a r c h ： 包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录。 “v e r s 各种设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录。 d o c u m e n t a t i o n ：内核各部分的通用解释和注释。 f s ：支持的各种文件系统，例如：e x t 、以r 、n t f s 、j f f s 2 等。 i n c l u d e ：内核头文件，i n c l u d e l i n u x 是与系统相关的头文件。 i m t ： l i n u x 内核初始化。 i p c ： 进程间通信的代码 k e m e l ： l i n u ) ( 内核核心代码，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分 代码放在a r c l l 木i ( e m e l 目录下。 l i b ： 各种库子程序。 4 l 第五章a i t m l i n u x 操作系统 m m ： 内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在a r c l l 木詹l i l l 。 n e t ： 网络支持代码，实现了各种常见的网络协议。 s o u n d ：a l s a 、o s s 音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。 s c r i p t s ： 内部或者外部使用的脚本 u s r ： 实现了用于打包和压缩的c p i o 等。 二、l i n u x 内核的组成部分 l i n u x 内核主要由进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进程问通信等 5 个子系统组成。 l i n u x 内核的5 个组成部分之间的依赖关系如下： 进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多道程序 环境下，必须为程序创建进程，而创建进程的第一件事情就是将程序和数据装 入内存。 进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持 共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间，还可以 存取共同的内存区域。 虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持 网络文件系统( n f s ) ，也利用内存管理支持r a m d i s k 设备。 内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持 交换，交换进程( s w a p d ) 定期由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调 度的唯一原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发 出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。 除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资 源。这些资源包括所有子系统都用到的例程，如分配和释放内存空间的函数、 打印警告或错误信息的函数及系统提供的调试历程等。 三、l i n u x 内核空间和用户空间 现代c p u 内部往往实现了不同的操作模式。例如，a r m 处理器有以下7 种工作模式： 用户模式( u s r ) ：大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运 行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被反访问的。 快速中断模式( f i q ) ：用于高速数据传输或通道处理。 外部中断模式( i r q ) ：用于通用的中断处理。 4 2 长安大学硕二l 学位论文 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式。 数据访问终止模式( a b t ) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，可 用于虚拟存储及存储保护。 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务。 未定义指令中止模式( u n d ) ：当未定义的指令执行时进入该模式，可 用于支持硬件协处理器的软件仿真。 l i n u x 系统充分利用c p u 的这一硬件特性，但它只使用了两级。在“肌x 系统中， 内核可进行任何操作，而应用程序则被禁止对硬件的直接访问和对内存的未授权访问。 内核空间和用户空间这两个名词被用来区分程序执行的这两种不同的状态，它们使 用不同的地址空间。l i n u x 系统只能通过系统调用和硬件中断完成从用户空间道内核空 间的控制转移。 5 2u - b o o t 的移植 b o o tl o a d e r 例就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序， 我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个 合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 通常多阶段的b o o tl o a d e r 能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态 存储设备上启动的b o o tl o a d e r 【4 0 】大多都是2 阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 s t a g e1 和s t a g e2 两部分。 依赖于c p u 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在s t a g e l 中，而 且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而s t a g e 2 则通常用c 语言来实现， 这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。 一、b o o tl o a d e r 的s t a g e l 通常包括以下步骤( 以执行的先后顺序) ： 硬件设备初始化：屏蔽所有的中断，设置c p u 的速度和时钟频率，r a m 初始化，初始化l e d ，关闭c p u 内部指令数据c a c h e 。 拷贝b 0 0 tl o a d e r 的s t a g e 2 到r a m 空间中：为加载b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 准备r a m 空间。为了获得更快的执行速度，通常把s t a g e 2 加载到r a m 空间 中来执行，因此必须为加载b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 准备好一段可用的r a m 空 间范围。 设置好堆栈s p ：堆栈指针的设置是为了执行c 语言代码作好准备。通 4 3 第五章a r m i 。i n u x 操作系统 常我们可以把s p 的值设置为( s t a g e 2 - e n d 一4 ) ，也即r a m 空间的最顶端( 堆栈向下 生长) 的1 m b 空间。此外，在设置堆栈指针s p 之前，也可以关闭i e d 灯，以提 示用户我们准备跳转到s t a g e 2 。 跳转到s t a g e 2 的c 入口点：在上述一切都就绪后，就可以跳转到b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 去执行了。比如，在a 1 w 系统中，这可以通过修改p c 寄存 器为合适的地址来实现。 经过上述这些执行步骤后，系统的物理内存布局应该如图5 1 所示。 二、b o o tl o a d e r 的s t a g e 2 通常