（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式系统在回声测井技术中的应用研究.pdf

摘要 摘要 在测井技术中，测量油井液面深度是一门很重要的技术，目前测量 液面还没有一个比较完善的方法。本文提出的滤波方法成本比较低，经 滤波后再计算液面深度能准确定位，这为提高测量精度提供了有利条 件，对传统的测井方法也是一个很大的改进；且设计了嵌入式系统相关 平台进行测试。 在本论文中为实现数据实时采集、处理，硬件平台采用基于嵌入式 a r m 9 的微处理器$ 3 c 2 4 1 0 进行搭建的并在硬件系统中还移植了经过裁 剪的l i n u x 内核；为了与操作系统兼容，采用l i n u x 操作系统下的q d e s i g n e r 编程环境编写测井操作界面；本系统采集的信号为回声信号， 为实现硬件接口与内核的连接，编写了音频采集驱动。 对数字信号处理的研究采用了三种方案：第一种方案采用m a t l a b 自带的滤波设计分析工具f d a t o o l 和信号处理工具s p t o o l 对信号进行 滤波、分析；第二种方案是使用s i m u l i n k 中的d s p 模块来搭建滤波 功能框图，对信号进行分段滤波；第三种方案是采用最小均方l m s 自 适应滤波，在s i m u l i n k 中利用l m s 自适应滤波模块来搭建其功能模 块框图，实现信号的频域滤波处理，l m s 自适应滤波滤出的波形基本能 满足要求，但有待进一步改进。为了与其他软件衔接在m a t l a b 中将 滤波算法模块转化为c 代码并加入到用q td e s i g n e r 编写的测井操作界 面中，下载到硬件平台进行调试，基本能正常运行；与传统只利用声速 法测量相比较，用本系统进行测量摒除了在计算液面深度时定位不准确 的难题，这为提高测量液面精度提供了有利条件。 关键字：嵌入式系统；a r m 9 ；q t ；自适应滤波 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e m i ne c h ow e l ll o g g i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h em e a s u r i n go ft h ew e l ld e p t hi sav e r yi m p o r t a n tt e c h n i q u ei nw e l l l o g g i n gt e c h n o l o g y , a tp r e s e n tn o n eo fm e t h o do ft h em e a s u r i n go f t h ew e l l d e p t hi sp e r f e c t t h ec o s tb a s e do nf i l t e rm e t h o do f t h et h e s i si sl o w e rt h a n t h ec o s tb a s e do nt r a d i t i o n a lm e t h o d ，a n dt h es y m b o lp o i n tc a nb ef i x e do n w h e nt h ew e l ld e p t hi sc a l c u l a t e da f t e rt h es i g n a li sf i l t e r e d ，w h i c ho f f e r s a d v a n t a g e t o i m p r o v e t h e m e a s u r i n gp r e c i s i o n ；t h e n t h ec o r r e l a t i v e e m b e d d e ds y s t e mi sd e s i g n e dt h a to f f e rt e s tt 0 0 1 b yw a yo fr e a l i z i n gt or e a l t i m ea c q u i r ea n dp r o c e s st h ed a t a ，h a r d w a r e s y s t e mi sb a s e do ne m b e d d e da r m 9m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 410 ，c u s t o m i z e d k e r n e lo fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi st r a n s p l a n t e dt oh a r d w a r es y s t e m ；f o r t h ec o m p a t i b i l i t y , t h ep r o g r a mo fm e a s u r i n gt h ew e l ld e p t hi sc o m p i l e di nq t d e s i g n e r b e c a u s ea c q u i r e ds i g n a li se c h os i g n a l ，t h ed r i v e ro fs o u n dc a r di s c o m p i l e df o rr e a l i z i n gt oc o n n e c th a r d w a r ew i t l lk e r n e lo fl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m t h r e ep r o j e c t sa r ei n t r o d u c e di nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ：t h ef i r s t p r o j e c ti su s i n gf d a t o o l ( f i l t e rd e s i g n & a n a l y s i st 0 0 1 ) a n ds p t o o l ( s i g n a lp r o c e s s i n gt 0 0 1 ) i nm a t l a b t op r o c e s ss i g n a l ；t h es e c o n dp r o j e c t i su s i n gd s pm o d e li ns i m u l i n kt op r o c e s st h es i g n a lt h a ti sd i v i d e df o r t h r e ep r o p o r t i o n s ；t h et h i r dp r o j e c ti su s i n gt h el e a s tm e a ns q u a r ea d a p t e r f i l t e rt op r o c e s st h ed i g i t a ls i g n a l ，t h em o d u l eo fl e a s tm e a ns q u a r ea d a p t e r a r i t h m e t i ca n dc o r r e l a t i v em o d u l ea r eu s e dt os e tu pf i l t e rf u n c t i o nd i a g r a m t h a ti su s e dt or e a l i z es i g n a lp r o c e s s i n gb a s e do nf r e q u e n c y u s i n gt h el e a s t m e a ns q u a r ea d a p t e rf i l t e rt op r o c e s st h ed i g i t a ls i g n a lc a nb a s i c a l l ym e e t 3 武汉工程大学硕士论文 w i t ht h ed e s i r eo ff i l t e r , b u tt h em e t h o dn e e db ei m p r o v e d f o rt h es a k eo f c o n n e c t i n gw i t ho t h e rs o f t w a r et h a tt h ea r i t h m e t i ci st r a n s f o r m e dcc o d ei n m a t l a b ，t h e nw h i c hi sc u ti nt h ep r o g r a mo fm e a s u r i n gt h ew e l ld e p t ha n d i st r a n s p l a n t e dt oh a r d w a r es y s t e m ，i ti sn o r m a lw h e nr u n n i n g w i mt h e m e t h o dt h eq u e s t i o na b o u to r i e n t a t i o ni ss o l v e dw h e nc a l c u l a t i n gt h ew e l l d e p t h ， w h i c ho f f e r sa d v a n t a g et oi m p r o v et h em e a s u r i n gp r e c i s i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m 9 ：q t ；a d a p t e r f i l t e r 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：律爱露 另噼5 月? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院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。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密阢在垒年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：律耪t 知s 年5 其日 指导教师签名：狮铎 知口歹年5 月7 日 第1 章绪论 1 1研究背景 第1 章绪论 测井技术是现代石油工业中高新技术含量最多的技术门类之一。现 代测井技术是随着当代基础学科和其它技术学科的飞速发展而诞生、发 展的。现代测井技术经历了数字测井、数控测井和成像测井3 个发展阶 段，在石油与天然气的勘探开发中已发挥了极为重要的作用。近三十年， 国内外测井技术发展很快。我国从1 9 8 4 年第一届测井工作会议以来， 测并工作有了很大的发展。通过引进、消化、吸收、改进国外现代测井 技术，我国测井界研制与开发了新型的测井仪器和信息处理系统，目前 已成为世界四大测井强国之一【1 j 巾】。 随着各种新型测井仪器的诞生，巨大数据量的采集和传输，要求加 强质量控制，提高精度，减少人为操作误差，出现了以美国回声仪公司 和美国一x 公司为代表的数控测井系统。这是以车载计算机为核心的 实时控制测井系统，凭借所加载的各种程序的控制，完成各种不同的测 井工作。数控测井技术既兼容了数字测井技术的功能，又有数据采集、 处理解释、质量控制和测井数据远距离传输的功能。数控测井技术显著 的特点是高精度的质量控制，大容量的数据传输( 数十到上百k b s ) ，各 种计算机处理技术的应用。基本上，数控测井能够高速、优质、比较完 整地对储集层所含流体的性质、储集层的物性、侵入情况、钻井工程质 量进行了解；并能为岩石物性、沉积学和构造学研究、油藏模拟等提供 相当丰富的资料。 目前，数字测井和数控测井技术已是我国油气勘探的主要方法和有 效手段。声波测井技术是先进数控测井技术之一，它是以计算机为核心， 通过计算机和先进的测量仪器从油井中采集数据，将数据转换为电平信 号，然后经过处理而成。利用回声测井技术来计算油井的深度有两种方 法：一种是利用声速来计算出油井的深度，另一种是经数字滤波处理后 再利用声速方法来测量油井的深度。 武汉工程大学硕士论文 回声仪是声波测井采用的主要仪器，它主要用于测试抽油井的动态 液面深度或静态液面深度。根据套管内液面柱高度及其变化推算出油层 压力与井底压力及其变化情况，从而确定油层的采油效率，使抽油泵保 持最佳沉没度。目前，在国外已经由美国回声仪公司和美国一x 公司 等研制而成，在国内也由以北京金时石油测试技术有限公司和上海中油 石油仪器制造有限公司以及江汉石油管理局仪表厂等研制而成。 为了解油层生产能力和设备能力以及它们的工作状况，测量油井的 液面深度是一项经常性的工作，而采用何种技术才能精确地计算出井深 一直是测井技术的一个难题。用声速来计算井深时如果知道气体在井中 各部位的成分或者气体的分布情况，就可以比较准确地计算出声速，但 实际的困难就在于油井的不同深度处的压力、温度、密度、成分不同， 气体在油井中具体分布情况也很难确定，这就导致声速在各个部位的速 度也不一样，若要精确地推算出不同位置的声速不仅是一项重大的工 程，也是一项难度较大的工程，目前的系统一直无法解决这个难题 。 数字滤波应用于测井技术从二十世纪8 0 年代开始就有人研究，但 是到现在仍没有很大的突破，一直以来采用何种滤波技术、何种滤波算 法才能精确地计算出井深是测井技术的一个难题。本课题就是为解决这 些难题而开展的。经过对收集来的回声信号进行初步分析，利用 m a t l a b 软件对信号进行滤波分析和处理，研究恰当算法对声波进行滤 波和去噪；利用l i n u x 下q td e s i g n e r 编程环境来编写回声仪操作界面程 序，经过交叉编译生成能在a r m 系统下运行的代码后下载到嵌入式 a r m 9 平台上进行测试。 嵌入式系统一直被广泛用于各种仪器、设备以及军事产品中，早期 的嵌入式系统基本上是汇编级的开发，并且系统的运行不需要采用操作 系统支撑。这种情况给嵌入式系统的应用和发展带来很大的阻碍，是因 为每增加一种系统功能都需要重新进行开发。随着嵌入式系统的广泛应 用，其操作系统也就日益显得重要了。由于嵌入式系统的软件固化在存 储器中，要求软件的代码质量高、优化好、可靠性高，故而嵌入式系统 的操作系统一般要求有较小的系统内核、有良好的移植性、有高可靠性、 能支持多任务工作、占用较少的硬件资源、有较强的实时性、能提供各 第1 章绪论 种外围设备的驱动程序等。现在有许多操作系统适合于嵌入式系统的开 发，如u c o si i 、w i n c e 、l i n u x 等。 基于l i n u x 的嵌入式操作系统能满足以上的要求，对它的开发和研 究已经成为目前操作系统领域的一个热点。本课题的操作系统是对 l i n u x 经过裁剪小型化后，可固化在存储器或微处理器中，应用于特定 嵌入式场合的专用l i n u x 操作系统，且采用l i n u x 操作系统的图形设计 器q td e s i g n e r 来编写相关程序。q t 是一个多平台的c + + 图形用户界面 应用程序框架，它能给用户提供精美的图形用户界面所需要的所有元 素，而且它是基于一种面向对象的思想，容易扩展对象，并且它还支持 真正的组件编程。这样可以很直观看到接收波形在滤波前后的变化，且 便于对各个参数的调整。 测井系统所用的传感器信号比较微弱，且一般都会带有一定的随机 噪声，严重影响测量结果，因而必须对接收的传感器信号进行信号滤波 处理；同时由于测液面波形需要输出图形，因此对图形数据还要进行数 据平滑处理，以便于观察。在本课题中信号滤波是一个重要的环节，本 课题从软件方面设计自适应滤波算法将有用信号从干扰信号中提取或 进行平滑滤波。自适应滤波理论和技术是统计信号处理和非平稳随机信 号处理的主要内容，它具有维纳滤波和卡尔曼滤波的最佳滤波性能，且 不需要先验知识的处事条件。它在输入过程的统计特性未知时，或是输 入过程的统计特性变化时，能够调整自己的参数，以满足某种最佳准则 的要求，也就是通过自学习来适应外部自然随机环境。在本课题中回声 波形的数学模型还不确定，因而用自适应滤波技术来处理回声信号是一 个可参考的方案。 1 2 市场前景 油井液面测试仪是油井必不可少的设备，本课题的回声仪就是一种 测量油井液面的仪器，它的市场应用区域分布与油井的区域分布是一致 的。我国的石油资源分布在东北、华北、西北、西南、中原腹地、渤海 及珠江口等广大地区，总体呈分散的特点；但是在小区域内，石油资源 武汉工程大学硕士论文 的分布又呈集中的特点，大部分采油区域集中在西北、华北、东北、中 原地区，特别是大庆、胜利、辽河、克拉玛依、长庆、塔里木这六大油 田，不仅产量占了全国产量的7 2 ，数量更是占到全国油井总数的8 0 之多。 目前测井仪器发展趋势为： 令向仪表化方向发展。随着技术的进步及各种气体和液体流量计的 广泛应用，油井产量计量中必然越来越多地使用操作简单、读数 方便的流量计。如用于天然气计量的旋进旋涡流量计、涡街流量 计等。 向高精度方向发展。我国油田进入开发后期，需要准确及时地了 解油井的生产状况，为生产管理提供真实可信的数据，对油井计 量精度的要求必然越来越高。 令向快速化方向发展。为了及时掌握油井的生产状况，需要缩短油 井计量周期，对油井进行更加频繁和及时地测量，因此必须提高 油井计量速度。 向自动化方向发展。自动化技术的发展为降低劳动强度和提高劳 动生产率提供了可靠保证。同时，为了实现油井准确、快速地测 量，也必须采用自动化的测量方法。三相分离计量、两相分离计 量和不分离计量的研究和应用将会得到越来越广泛地重视。 本课题的回声仪顺应时代的发展，采用高速的a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 微处 理器能够实时地采集数据并对采集到的数据实时处理；采用的滤波算法 计算液面位置比较准确、误差小。与其他类型的测液面深度的仪器相比， 该回声仪测井速度快、实时性好，同时成本也相对较低。 1 3 本文研究目的与内容 2 0 世纪7 0 年代至今，测井技术有了突飞猛进地发展。现代测井技 术涉及面广，不仅包含普通物理学、核物理学、电子学、数学、化学等 基础学科的理论：而且综合了岩石学、地层学、构造学、沉积学、渗流 力学、油气藏工程学等技术学科的实际知识，尤其是计算机科学、信息 第1 章绪论 论等最新技术的引入，为石油勘探开发提供了极为丰富的信息，发挥着 越来越重要的作用【2 l 。顺应时代的发展本课题研究嵌入式系统在回声测 井技术中的应用。具体研究内容如下： 1 用q td e s i g n e r 工具实现回声仪操作界面设计以及计算液面算 法，完成了l i n u x 下回声仪采集驱动程序设计； 2 利用m a t l a b 对回声仪实测的若干数据进行分析，选择适当的 滤波算法，深度算法； 3 利用m a t l a b 平台的s i m u l i n k 进行数学建模、仿真； 4 将滤波算法转化为c 代码添加到回声仪的液面算法中，研究自 适应滤波算法的实用性； 5 将以上代码移植到a r m 9 平台上进行测试； 6 得出相关结论 第2 章系统设计与q 编程环境介绍 第2 章系统设计与q t 编程环境介绍 2 1 系统设计概述 按照嵌入式系统的工程设计方法，嵌入式系统的设计可以分成7 个 阶段：产品定义、硬件与软件划分、迭代与实现、详细的硬件与软件设 计、硬件与软件集成、接收测试和维护与升级，如图2 1 所示。前三个 阶段确定要解决的问题及需要完成的目标，也常常被称为“需求阶段”； 第四阶段主要解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求；后三个阶 段主要解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统 的协调实现1 们。 ( 1 ) 产品定义：设计一个优秀的嵌入式系统，这是一个必不可少的 阶段。在进行设计开发以前，产品的定位一定要设计好。明确的定位可 以节省很多时间和人力。 ( 2 ) 硬件与软件划分：嵌入式设计关系到硬件与软件，设计人员必 须决定问题的哪一部分在硬件中解决，哪一部分在软件中解决。 ( 3 ) 迭代与实现。 ( 4 ) 详细的硬件与软件设计：硬件设计包括原理图和p c b 布线两 部分。嵌入式系统的软件设计包括b o o t l o a d e r 设计、驱动程序设计、应 用程序设计，如果有需要甚至可能还要自己设计操作系统。 ( 5 ) 硬件与软件集成。 ( 6 ) 接收测试：这个阶段对于嵌入式产品尤为重要。人们可以忍受 p c 死机，但是如果航天飞机的一个控制器出现故障，则后果将不堪设 想。可以说，对嵌入式系统的测试与可靠性的要求比桌面应用软件严格 得多。 ( 7 ) 维护与升级。 嵌入式产品通常是有针对性的，也就是指专门执行某项任务的平 台。并且嵌入式设备要完成的任务通常有严格的要求，所以嵌入式系统 也意味着设计的高度优化。在开始第一步的产品定义时，还要考虑设计 一一一一 亟坚三里盔堂堡主笙奎一 _ i _ - - - _ - _ i - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ - _ _ - - _ _ - 。_ - _ 。- 。- 。- 。_ 一一 是否便于实现：不仅仅在技术上，还要看该产品在市场上是否有竞争力。 第 _ ， 阶 段 ： 第 二 阶 段 ： 第 三 阶 段 ： 第 五 阶 段 ： 第 六 阶 段 ： 第 七 阶 段 ： 图2 - 1 嵌入式系统设计的各个阶段 2 2 嵌入式系统与嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式技术兴起于1 9 6 5 , - 一1 9 7 0 年集成电路化的第三代计算机期间。 在7 0 年代，微处理器不仅用来组成微型计算机，而且用来制造仪器仪 表、医疗设备、机器人等。8 0 年代将嵌入式应用所需要的微处理器i o 接口、a d 、d a 转换、串行接口以及r a m 、r o m 全部集成到一个v l s i 中，制造出面向i o 设计的微控制器，使嵌入式应用得到了全面而快速 地发展。9 0 年代，嵌入式应用面向实时信号处理算法的d s p 向高速、 高精度、低功耗发展。9 0 年代末本世纪初，在计算机、控制、网络相互 融合的基础上，出现了信息家电i a ( i n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n ) 的新浪潮， 使消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一体化趋势目渐明显，嵌入式系统再 度成为研究与应用的热点。 嵌入式系统一般定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软 硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统，它将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系 统之中，简单地说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于 b i o s 的工作方式，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。 第2 章系统设计与q t 编程环境介绍 特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统是将先进的计算机 技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。它 般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应 用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功 能。 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，是计算机 基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在操 作系统平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程 序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务， 合理地利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行 选配实时操作系统( r t o s ) 开发平台，这样才能保证程序的实时性、 可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 所以嵌入式的r t o s 是整个嵌入式系统的核心。r t o s 从应用形式 上可分为集成式多任务r 1 的s 、网络型r t o s 与嵌入式r t o s 。而就嵌 入式o s 而言，它可大致分为嵌入式与实时嵌入式o s ；前者如微软的 w i n d o w sc e 、s u n 公司的j a v ao s 、朗讯公司的i n f e m o 和嵌入式l i n u x 、 中科院的e a s ye m b e d d e do s 等，后者如w i n d r i v e r 公司的 v x w o r k s t o n a d o ，a t i 公司的n u c l e u sp l u s 等。 本系统采用嵌入式l i n u x 操作系统，与其他嵌入式操作系统相比， 它有其自身优势。 ( 1 ) l i n u x 具有优良的开发工具，可以跨越i c e 等屏障 原来开发嵌入式系统的关键是需要一套好用的开发和调试工具，而 且不同开发阶段还需要不同的工具。传统的开发调试工具是i c 卜在 线仿真器。它取代目标板的微处理器，给目标程序提供仿真环境，同时 可以连接监视器，允许开发者调试和监视程序的运行。但是，这种设备 价格昂贵。实际研究发现，一旦软硬件能够支持串口连接并使之正常工 作后，可以使用其他的调试办法。现代的嵌入式系统大多采用相当成熟 的微处理器，因此很容易支持串口连接并使之正常工作。串口连接成功 后，可以进行其他方式的开发调试。所以不用i c e 也可以很方便地调试 系统。 武汉工程大学硕士论文 l i n u x 利用g n u 项目的c 编译器编译程序，使用g d b 源程序级调 试器调试程序，它们均提供合适的手段使开发者能够开发嵌入式l i n u x 系统。通过串口和g d b 通讯，可以进行c 源程序级的调试，甚至还可以 通过串口把其他的程序下载到r a m 或f l a s h 存储器。g d b 可以使软硬件 的初始化代码运行促使核心全部启动，一旦核心正常运行，开发者就可 以使用像埏d b 等更高级的调试工具，如果连接网络，还可以使用更方 便的x g d b 调试应用程序。 ( 2 ) 完备的网络支持与高效的网络通信性能 l i n u x 内核对网络协议栈的设计是从简洁实用的角度出发，实现了 一个较完整的网络协议集。在高层的网络协议中，l i n u x 支持邱、t e l n e t 和r l o g i n 协议，l i n u x 还能提供对网络上其他机器内文件的访问。l i n u x 还可以支持s l i p ( s e r i a ll i n ei n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 和p l i p ( p a r a l l e ll i n e i n t e r f a c ep r o t o c 0 1 ) 协议，使得通过串口和并口线进行连接成为可能。另 外l i n u x 还支持a x 2 5 协议、i p x 协议、a p p l e t a l k 、s a m b a 等网络协议。 除此之外，l i n u x 对网络中最常用的t c p i p 协议提供了最完备地支 持。 ( 3 ) l i n u x 内核健壮，运行稳定 l i n u x 本身的健壮性、可靠性、稳定性已不容置疑，而嵌入式l i n u x 是由l i n u x 发展而来的，故必然会秉承l i n u x 的这些特性。嵌入式系统 所要求的健壮性、稳定性要比通用计算机系统要求的高，原来那种“尽 可能提高软件的质量，事后发现b u g 再去打补丁”的思路在嵌入式系统 的开发中是行不通的。而选用l i n u x 作为嵌入式操作系统，就首先为提 高嵌入式系统的健壮性与稳定性打下了基础。 ( 4 ) 开放源码，开发出的嵌入式产品的t o c 低 l i n u x 开放源码的开发模式已得到了广泛地认可，现在大部分嵌入 式l i n u x 的厂商代码也都采用了开放源码的技术思路。不仅l i n u x 本身 是开放源码的，许多基于l i n u x 的系统软件、应用软件、驱动程序等都 是开放源码的，这些均是在开发嵌入式应用系统时可以利用的资源。源 代码的开放性与后p c 时代智能设备的多样性相适应。 l i n u x 本身及其运行其上的许多软件都是以“c o p y l e f t 的方式发 第2 章系统设计与q t 编程环境介绍 布的，这就使得基于嵌入式l i n u x 开发出的嵌入式产品的整体拥有成本 ( t o c ) 低。拥有商业版权的嵌入式操作系统、嵌入式系统开发工具是 十分昂贵的，当厂商采用这些工具开发嵌入式系统时，他们必然会把自 己购买商业版权的费用转移到最终的嵌入式产品中。 ( 5 ) 支持多种处理器 l i n u x 已被成功移植到多种处理器架构上，例如m i p s 、p o w e rp c 、 m o t o r o l a6 8 k 、s t r o n g a r m 等。 当然，l i n u x 应用于嵌入式系统也并非十全十美。比如，基于模块 机制的内核裁剪的灵活性不如基于微内核机制；嵌入式l i n u x 的实时性， 尤其硬实时性还有待改进。但嵌入式l i n u x 的众多优势足以弥补这些缺 点【l t b 1 3 1 。 计算机应用最广泛的领域是嵌入式系统的发展已有几十年的历史， 但这才仅仅是个开始。拥有众多技术优势的l i n u x 必然会越来越广泛地 应用到嵌入式系统中，嵌入式l i n u x 将是嵌入式系统的重要组成部分。 2 3 系统硬件平台设计 2 3 1 硬件平台的选择 硬件平台的选择涉及到成本、速度和稳定性等多方面的综合考虑。 在考虑成本时，一定要考虑产品的整体成本，而不能只看c p u ；有时一 个快速而廉价的c p u 可能成了这个产品耗价问题的根源；在考虑速度 方面，实际中观察c p u 到底需要多快方能把工作做好，然后把这个速 度乘3 才是系统所要的c p u 速度，因为c p u 在理论上所能达到的能力 到了现实中总是难以置信地大打折扣，而且缓存对系统的影响也很大。 同时也要计算出总线需要运行多快，如果有二级总线( 像一条p c i 总线 那样) ，也要把它们包含进来；一条慢的或过多参与d m a 传输的总线 能够让一个快速的c p u 变成在爬行。有集成外设的c p u 很不错，因为 很少有硬件需要调试，而且为支持主流c p u ，它们的驱动程序经常是可 用的。而正因为这些外设被集成在一起，所以这种硬件平台的方案不会 武汉工程大学硕士论文 是低成本的。 2 3 2 硬件平台 本硬件系统是利用声波来测量油井的装置，主要测试抽油井的动态 液面深度或静态液面深度。根据套管内液面柱高度及其变化推算出油层 压力与井底压力及其变化情况，从而确定油层的采油效率，使抽油泵保 持最佳沉没度。系统的功能框图如图2 2 所示。 一触摸g l c d l 电源管理系统 ， 复位电路 - 采 1 2 s 总线 集 放 时钟电路 s 3 c 2 4 1 0 记 4 -大 传发 录 电 一感一生 电 路 器器 s d r a m 卜 路 lf l a s h 卜 图2 - 2 系统功能框图 系统工作原理是：首先将发生器与井口套管连接好，打开套管阀门， 转动发生器的扳机，使击针在弹簧作用下撞击子弹引爆，产生一个压力 脉冲：该脉冲通过套管环形空间的气体介质向下传播，碰到油管接箍、 音标、液面及其它障碍物产生反射；传感器将这些反射脉冲信号接收并 转换成电信号送到放大电路中；在放大电路中将传感器接收的信号进行 滤波、放大后，通过系统程序将其图形显示在l c d 上；根据显示图形 曲线上的接箍波数目、音标波位置、液面波位置，即可方便地计算出液 面深度；同时如果确认记录的数据正确，记录油井号以及记录时间将其 存储在系统存储器中，这样方便以后调用。 第2 章系统设计与q t 编程环境介绍 2 3 3a r m 9 微处理器 a r m 作为一种嵌入式系统处理器，以高性能、低功耗、低成本等 优点占领了大部分市场。目前最为流行的当属a r m 7 和a r m 9 系列。 随着人们对系统功能提出了更高的要求，a r m 7 在高端应用中已经显得 力不从心，性能更加强劲的a r m 9 处理器逐渐占据了高端产品市场。 与以前各系列的处理器相比3 2 位高端嵌入式微处理器一般具备4 个特 占 j 、 1 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并有较短的 中断响应时间，从而使内部代码和实时操作系统的执行时间减 少到最低限度； 2 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件 结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用， 需要设计强大的存储区保护功能，同时也利于软件诊断； 3 可扩展的处理器结构，能迅速地扩展满足应用的高性能的嵌入 式微处理器； 4 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及 移动的计算和通信设备，靠电池供电的嵌入式系统更是如此， 功耗只能为m w 甚至p w 级。 本系统采用了三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，它 为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制 器的解决方案。为了降低整个系统的成本，$ 3 c 2 4 1 0 a 提供了以下丰富 的内部设备：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ， 4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口，i i c b u s 接口，u s b 主机，u s b 设备，s d 主卡& m m c 卡接口，2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍频器。 $ 3 c 2 4 1 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，o 1 8 u m 工艺的c o m s 标准宏单 元和存储器单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对 武汉工程大学硕士论文 成本和功耗敏感的应用。同样它还采用了一种叫做a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 新型总线结构。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的显著特性是它的c p u 核心，是一个由a r m ( a d v a n c e r i s cm a c h i n e s ) 有限公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。 a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b ab u s 和h a a r d 高速缓冲体系结构。 这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，每个都是 由8 字长的行( 1 i n e ) 构成。 通过提供一系列完整的系统外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 a 大大减少了整个 系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。$ 3 c 2 4 1 0 a 中集成了 以下片上功能n 钔： 1 8 v 2 0 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 具备1 6 k b 的i - c a c h e m m u ； 外部存储器控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专用d m a ； 4 通道d m a 并有外部请求引脚； 3 通道u 舢盯( 1 r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f 0 和16 字节r xf i f o ) 2 通 道s p i ： 1 通道多主i i c b u s 1 通道i i s b u s 控制器。 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版； 2 端口u s b 主机1 端口u s b 设备( 1 1 版) ； 4 通道p w m 定时器和l 通道内部定时器； 看门狗定时器； 1 1 7 个通道i o 口和2 4 通道外部中断源； 功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式； 8 通道1o 比特a d c 和触摸屏接口； 具有日历功能的r t c ； 具有p l l 片上时钟发生器 基于这些功能，采用该芯片作为系统的c p u ，可以大大降低成本。 第2 章系统设计与q t 编程环境介绍 2 40 t 编程环境 2 4 1 q t 简介 q 是由挪威t r o l l t e c h 公司开发的支持多操作系统、面向对象、高 度封装的跨平台c + + 图形用户界面应用软件框架，它能提供一个开发商 业级别、多平台应用的软件环境。q t 最初主要是为了跨平台的软件开发 者提供统一的、精美的图形用户编程接口，但是现在它也提供了统一的 网络和数据库操作的编程接口。q t 是以工具开发包的形式提供给开发者 的，这些工具开发包括了图形设计器、m a k e f i l e 制作工具、字体国际化 工具和q t 的c + + 类库等。q t 的类库等价于m f c 的开发库，但是q 的 类库是支持跨平台的类库，也就是说q 类库封装了适应不同操作系统 的访问细节，这正是q 的魅力所在! 目前q t 支持的操作系统平台包括： 夺w i n d o w s 系列； 夺u n i x l i n u x 和很多其他x 1 1 平台； 夺m a c i m o s h im a co s x ： 夺嵌入式的，包含有f r a m b u f f e r 的l i n u x 平台。 q 版本众多，但总体上可分为q t d e s k t o p 桌面和q t e m b e d d e d 嵌 入式两大平台系列。q t d e s k t o p 桌面可在w i n d o w s 、x 11 和m a c 平台之 上运行。q v e m b e d d e d 是一个为嵌入式设备上的图形用户接口和应用开 发而定制的c + + 工具开发包，它通常可以运行在多种不同的处理器上部 署的嵌入式l i n u x 操作系统上。如果不考虑x 窗口系统的需要，基于 q t e m b e d d e d 的应用程序可以直接对缓冲帧进行写操作。除了类库以外， q t e m b e d d e d 还包括了几个提高开发速度的工具，使用标准的q t a p i ， 可以非常熟练地在w i n d o w s 和u n i x 编程环境里开发应用程序f l o j 。 q t e m b e d d e d 提供了信号与插槽的组件化编程机制，这种机制和以 前的回调函数有所不同。它还提供了一个通用的w i d g e t s 类，通过这个 类可以很容易地把子类转换成客户自己的组件或对话框。针对一些通用 的任务，q 还预先为客户定制了类似消息框和向导的对话框。 q t e m b e d d e d 包括了自身的窗口系统，并支持多种不同的输入设备。开 武汉工程大学硕士论文 发者可以使用熟悉的开发环境来编写代码。q t 的图形设计器( d e s i g n e r ) 可以用来可视化地设计用户接口，设计器有一个布局系统，它可以使开 发者设计的窗口和组件自动根据屏幕空间的大小而改变布局。开发者可 以选择一个预定义的视觉风格，或建立自己独特的视觉风格。使用 l n ) ( l i n u x 操作系统的用户，可以在工作站上通过一个虚拟缓冲帧的 应用程序仿真嵌入式系统的显示终端。q t e m b e d d e d 为带有轻量级窗口 系统的嵌入式设备提供了标准的a p i 。q t e m b e d d e d 面向对象的设计思 想，使得它能一直向前支持键盘、鼠标、图形加速卡这样的附加设备。 通过使用q t e m b e d d e d ，开发者可以感受到在q t x 11 ，q t w i n d o w s 和 q t m a c 等不同的版本下使用相同的a p i 编程带来的便利。 选定嵌入式硬件平台 在工作的机器上安装q t e m b e d d e d i 具 开发包 根据目标硬件平台，交叉编译 q t e m b e d d e d 的库 i 1 r , 在工作的机器上进行应用程序的编 码，调试 上 根据目标硬件平台，交叉编译嵌入 式应用 上 在嵌入式硬件设备上调试运 行应用 绷 发布嵌入式应用 图2 - 3q t e m b e d d e d 应用开发流程图 本课题是在基于q t j e m b e d d e d 的图形设计器( q td e s i g n e r ) 下完成 回声仪界面程序设计，应用q t e m b e d d e d 开发一个嵌入式应用的开发过 程如图2 3 所示。 第2 章系统设计与q t 编程环境介绍 2 4 2q t 编程环境的优越性 q t 遵循g p l 协议，开发主要的源代码。用户可在g p l 的规定下自 由添加新特性。q t 是基于c + + 构造的，所以具有面向对象编程( o o p ， o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 的一切优点。q t 具有良好的可移植性和 快速性。它利用预编译器和宏在代码级实现其跨平台特征而非运行级 的，因此使得不同的平台需要单独编译q t 库，而不需要虚拟机的支持。 如果说j a v a 是一次编译，到处运行，q 则是一次编码，到处编译，这 样q 开发的程序运行效率要高于j a v a 开发的程序。同时q 也是一个 g u i 仿真工具包，这意味着它不使用工具包作调用。