（核技术及应用专业论文）基于arm的核地球物理数据采集卡的研究.pdf

摘要 摘要 核地球物理勘探是2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的一门综合性很强的学科， 它集核探测技术、电子技术、计算机技术为一体，能够快速、准确地分析出核素 的相关信息及参数。目前已广泛应用于铀矿勘探、地质填图、油气勘测以及寻找 各种金属和非余届矿产、进行建材和环境的辐射监测等领域。其中核地球物理数 据的采集和处理是核地球物理勘探研究的重要课题之一，它将直接影响着测量结 果的准确性与可行性。 论文从核数据采集即核能谱测量入手，瞄准国内外核地球物理数据采集技术 的发展趋势，针对目前核数据测量仪中存在的诸如功耗高、体积大，无法及时提 供地理坐标及地球物理参数等问题，在多道脉冲幅度分析器以及系统的单片微机 化、网络化等方面进行了较为系统的研究。 以教育部、高等学校博士学科点专项科研基金项目“基于3 g s 技术的便携式 核地球物理数据采集系统研究( 项目编号：2 0 0 4 0 6 1 6 0 1 4 ) ”和四川省科技厅项目 “铁路护坡突发灾害自动预警系统研究”为依托，以3 2 位a r m 微控制器l p c 2 1 4 2 为平台，并利用g p s ( 全球定位) 技术设计了小型、低功耗核数据采集系统，其 特点如下： ( 1 ) 成功将g p s 技术应用于便携式核地球物理数据采集系统中，能够快速、 准确地提供地理坐标，对测量点进行实时定位。 ( 2 ) 选用小体积、低功耗和贴片式元器件，设计出核数据采集系统的主要组 成部分一多道脉冲幅度分析器，从而提高了系统集成度，增加了系统稳定性。 ( 3 ) 以a r m 7 嵌入式微控制器l p c 2 1 4 2 为控制平台，实现了采集系统微机化。 ( 4 ) 采用1 2 位高速、低功耗a d 器件a d s 7 7 4 ，提高了m c a 转换速度，降低 了m c a 功耗。 这是对传统核地球物理数据采集系统功能的一种扩展，可以预见，研究意义 会更加深远、应用前景更加广阔。 关键词：多道脉冲幅度分析器，嵌入式系统，a r m ，g p s ，r s 2 3 2 串行接口 成都理i ：人学硕十论文：基ta r m 的核地球物理数据采集卡的研究 a b s tt a c t n u c l e a rg e o p h y s i c sp e r a m b u l a t i o ni sac o m p r e h e n s i v e n e s ss u h j e c td e v e l o p e di n1 9 6 0 s ， w h i c hi n v o l v i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r o nt e c h n o l o g y , a n dc o m p u t e r , c a r la n a l y z et h e r e l e v a n c ei n f o r m a t i o na n dp a r a m e t e ro fn u c l i d ea c c u r a t e l ya n da c c e l e r a t e i th a sa p p l i e dt o t h eu r a n i u mm i n ep e r a m b u l a t i o n ，g e o l o g i c a lm a p p i n g ，o i lg a sp e r a m b u l a t i o nf i e l d sa sw e l la s s e e k i n gv a r i o u sm e t a la n dm e t a l l o i dm i n e r a l ，c a r r y i n go u tb u i l d i n gm a t e r i a la n dt h ee n v i r o n m e n t r a d i a t i o na tp r e s e n t a m o n gt h e m ，c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gn u c l e a rg e o p h y s i c sd a t ai so n eo f i m p o r t a n ts u b j e c t so fn u c l e a rg e o p h y s i c sp e r a m b u l a t i o ns t u d y i tw i l lb eh a v i n gd i r e c ti m p a c tt o a c c u r a c ya n df e a s i b i l i t ym e a s u r i n gr e s u l t t h ep a p e rs t a r t sf r o mn u c l e a rd a t ac o l l e c t ，v i d e l i c e t ，n u c l e a rs p e c t r u mm e a s u r e m e n t ， t r e n d st ot h ed e v e l o p m e n to fh o m ea n da b r o a dn u c l e a rg e o p h y s i c sd a t ac o l l e c t i n g t e c h n o l o g y , i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e m so fn u c l e a rd a t am e a s u r em a c h i n es u c ha sh j l g h p o w e rc o n s u m p t i o n = b i gb u l lh a v i n gn ow a yt op r o v i d eg e o g r a p h i cc o o r d i n a t e sa n dg e o p h y s i c s p a r a m e t e ri nt i m e i t i si np r o g r e s si nt h er e s p e c to fm u l t i - c h a n n e la n a l y z e r ( m c a ) a n d p c - d z a t i o n , n e t w o r k - r i z a t i o ne r e o ft h es y s t e m r e l i e do n ”r e s e a r c ho fp o r t a b l en u c l e a rg e o p h y s i c sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do n3 g s t e c h n o l o g y ( p r o j e c tn u m b e t , 2 0 0 4 0 6 1 6 0 1 4 ) a n d “r e s e a r c ho ns y s t e mo fa u t o - - - a l a r mt o e m e r g e n tl a n d s l i d e si nr a i l w a y sc o u n t e r f o r t sa s s i g n e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e eo f s i c h u a np r o v i n c e ”，t a k i n g3 2 - b i ta r m t i n yc o n t r o l l e rl p c 2 1 4 2a sp l a t f o r m ，m a k e i $ eo f t h eg p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) t e c h n o l o g yt od e s i g nt h em i n i t y p e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n n u c l e a rd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m t h ef e a t u r e sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a p p l i n gg p st e c h n o l o g yt op o r t a b l en u c l e a rg e 叩h y s i c sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，i tc a n p r o v i d eh i g h - a c c u r a c yg e o g r a p h i cc o o r d i n a t e sa n dg e o p h y s i c sp a r a m e t e rs p e e d i l y , a c c u r a t e l y , c a l t yo u tr e a lt i m ef i xp o s i t i o no nm e a s u r e m e n tp o i n t s ，a n dp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rm o r g i n f o r m a t i o na n dp a r a m e t e ro f n u c l e a re l e m e n t ； ( 2 ) t h es y s t e mu s e sh i g hd e n s i t yo fi n t e g r a t i o n , l o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e v i c e ， d i m i n i s h e st h eb u l la n dr e d u c e sp o w e rc o n s u m p t i o n , e a s yt ob ec a r r i e d ，h a n d l e dn i m b l y ； ( 3 ) t a k i n ga r mf l u s hm i n ip r o c e s s o rl p c 2 1 4 2f o rp l a t f o r m r e a l i z i n gc o l l e c t i o ns y s t e m p c r i z a t i o n ； ( 4 ) t a k i n g1 2b i th i g hs p e e d , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na dc o m p o n e n ta d s 7 7 4 ，i m p r o v i n g m c ac o n v e r s i o nr a t e ，r e d u c i n gt h em c a p o w e rc o n s u m p t i o n n l i si sai n n o v a t i o nt ot r a d i t i o n a ln u c l e a rg e o p h y s i c sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m t h e s t u d y i n gs i g n i f i c a n c ei sm o r ef a r - r e a c h i n ga n dt h ea p p l i c a t i o ni sw i d e r k e y w o r d s ：m c a ，e m b e d d e ds y s t e m ，a 砌讧，g p s ，r s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e n 独创性声明 本人声明所星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，也不包含为获得虞壑堡王太堂或其他教 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谢意。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名： 眦 玩 二岬年j ，月南 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、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。本人授权盛嫠堡兰太堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 幻司年r月。 日 第一章：绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 随着科技进步的发展，核地球物理仪器的发展趋势是：向轻便化、定位一 体化、高精度( 高灵敏度、高分辨率) 、多参数( 多功能、多通道) 、大数据量 随机处理，与实时显示、智能化等方向发展。数据采集卡的主要任务是提供高 精度地理坐标及地球物理参数。 2 0 世纪4 0 年代末，威尔森( w i l s o n ) 等人首先采用a d c 电路对信号脉冲 幅度进行数字化测量，被测量的脉冲信号通过a d c 电路转换成相应的标码值， 并利用计算机的存储器，把a d c 电路与存储电路结合起来，构成多道脉冲幅度 分析器( m c a ) 。多道脉冲幅度分析器不仅能够自动获取核能谱数据，而且一次 测量就能得到整个能谱。从而大大缩短了数据采集时间，测量精度也显著提高。 从上世纪5 0 年代起，多道脉冲幅度分析器得到了迅猛发展，逐渐成为获取核能 谱数据的通用仪器。“ 核地球物理勘探是上世纪6 0 年代迅速发展起来的一门综合性很强的学科， 它集核探测技术、电子技术、计算机技术为一体，能够快速、准确地分析出核 素的相关信息及参数。目前已广泛应用于铀矿勘探、地质填图、油气勘测以及 寻找各种金属和非金属矿产、进行建材和环境的辐射监测等领域。其中核地球 物理数据的采集和处理是核地球物理勘探研究的重要课题之一，它将直接影响 着测量结果的准确性与可行性。 传统的核地球物理数据采集系统硬件上大多采用分离元器件以及8 位单片 机来设计，功耗大、设计复杂、存储数据的内存容量小、数据传输速率低并且 难于调试；在软件设计上也多采用冗长繁琐的汇编语言来实现，设计效率低、 可移植性差、性能难以保证。 随着科学技术的日益完善，g p s ( 全球定位) 技术迅猛发展，己从少数科研 单位和军事部门迅速扩展到民用领域，能在全球范围内提供高精度的地理位置、 速度和时间信息，为海陆的石油勘探、地球物理测量以及大地测量提供了新的 平台。同时。一些新型低功耗集成电路、a s i c 集成电路、微处理器技术、计算 机技术的不断引入，使核地球物理数据采集系统的功能日益完善和强大，为核 地球物理数据采集系统向轻便化、智能化、微机一体化以及网络化等方向发展 提供了必要条件。 目前，嵌入式系统的应用已经进入到一个高、低端并行发展的阶段，其标 志就是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 成都理l ：人学硕十论文：基ra r m 的核地球物理数据采集卡的研究 处理器核，具有体积小、功耗低、集成度高、内存容量大、运算速度快、硬件 调试方便和可移植操作系统等优点。有利于系统的后续开发和升级。 为适应核地球物理数据采集系统轻便化、智能化、微机一体化等多功能要 求，笔者在对目前核地球物理数据采集系统广泛采用的硬件、软件架构研究基 础上，设计了以3 2 位a r m 微控制器l p c 2 1 4 2 为控制平台，利用g p s 技术对便携 式核数据测量仪器进行实时定位的核地球物理数据采集系统。该系统具有集成 度高、功耗低、能够随时对测量点进行实时定位，准确、快速地提供地理坐标， 为及时获取更多的核素信息提供了科学依据。这是对传统核地球物理数据采集 系统功能的一种扩展，研究意义会更加深远、应用前景更加广阔。 1 2 国内外研究现状及发展方向 核地球物理数据采集系统通常包括核辐射探测器和多道脉冲幅度分析器。 核辐射探测器是将外界的入射射线能量转换成与之成比例的电脉冲，通过后续 电路整形、放大送入多道脉冲幅度分析器。核辐射探测器经历了气体探测器( 5 0 年代以前) 、时烁体探测器( 4 0 年代末) 和半导体探测器( 6 0 年代以来迅速发 展) 3 个发展阶段。集成度( 从以前的探测器与前置电路分开到现在的集成) 、 能量分辨率都得到了提高，线性范围也得到了改善，给核数据采集系统提供了 广阔的发展前景。 多道脉冲幅度分析器是核地球物理数据采集系统的核心部分。从上世纪5 0 年代起很快发展起来，成为获取核能谱数据的通用仪器；7 0 年代中期，多道脉 冲幅度分析器主要以集成电路和微控制器为基础；8 0 年代末期，智能化多道脉 冲幅度分析器开始出现，单片机取代了传统仪器中的定时器、计数器、控制器 和运算器，并充分利用单片机具有的数据存储、数据处理以及与微机的通信能 力；自9 0 年代初以来，贾文懿、周蓉生、方方教授先后研制了以台式微机i s a 总线方式、以单片机为控制核心、以嵌入式系统p c i 0 4 为控制核心等系列多道 脉冲幅度分析器u w 。 自上世纪六十年代以来，人们就开始对核地球物理勘探中的能谱测量进行 不断的研究和应用。而西方国家一直没有间断。1 9 7 2 年，美国开始正式将核地 球物理勘探中的y 谱测量应用于找铀矿、地质填图、找金属矿和油气用等地学 领域。 我国自上世纪七十年代初开始进行野外y 能谱测量技术及应用研究，特别 是近年来，y 能谱仪的研制取得了长足的进步。 从目前检索到的核地球物理数据采集系统资料表明：迄今为之，没有人将 g p s 技术与a r m 联合应用到核地球物理数据采集系统中来。并且，现在使用的 2 第一章：绪论 核数据采集系统存在着以下问题需要完善： ( 1 ) 硬件方面：分离元器件居多，集成度不高、体积大、功耗高、硬件电 路复杂、不便于设计和调试、系统的稳定性差； ( 2 ) 软件方面：微控制器固件程序多采用单一的汇编语言编写，设计难度 大、程序的可读性及可维护性差、不利于系统的升级开发。 在科学技术同新月异的今天，人们研制出了新型高精度、高分辨率、探测 效率更好的核辐射探测器，为核辐射信号的准确获取提供了保障；另外，3 2 位 高速、大容量a r m 微控制器的出现，使核数据采集系统提高大量数据处理能力、 移植操作系统进行多任务、实时处理操作成为可能；最后，由于g p s 、g p r s 技 术的迅猛发展，使核数据采集系统向智能化、网络化方向发展成为必然趋势。 1 3 项目依托 本论文以教育部、高等学校博士学科点专项科研基金项目“基于3 g s 技术 的便携式核地球物理数据采集系统研究( 项目编号：2 0 0 4 0 6 1 6 0 1 4 ) ”和四川省 科技厅项目“铁路护坡突发灾害自动预警系统研究”为依托，选定“基于a r m 的核地球物理数据采集卡的研究”为论文题目，从数据采集系统的硬件设计、 微控制器的选择、软件编写、调试等方面入手，在吸收已有的科研成果基础上， 进行研究并完成论文的撰写工作。 1 4 主要研究内容 通过分析消化目前国内外现有的核地球物理数据采集系统广泛采用的软、 硬件架构，吸收借鉴最新研究成果和经验，本论文的研究内容主要包括： 硬件方面： ( 1 ) 进行甄别电路、控制电路以及峰值保持电路的设计与调试。 ( 2 ) 选用1 2 位高速、低功耗的a d 转换芯片a d s 7 7 4 ，进行模数转换电路 的设计与调试。 ( 3 ) 以高速、低功耗的3 2 位a r m 微控制器l p c 2 1 4 2 为控制平台，对其资 源进行合理分配，设计出多道脉冲幅度分析器。 ( 4 ) 选用串行通信接口芯片m a x 2 3 2 ，完成硬件通信电路的设计与调试。 ( 5 ) 选用经济、实用的单频测量型g p s 接收机，完成其与微控制器l p c 2 1 4 2 硬件接口电路的设计与调试。 ( 6 ) 采用m a x 6 3 9 、l m 2 9 4 0 以及a s l l l 7 电源芯片，完成对系统各部分供电 电路的设计。 软件方面： 成都理f ：人学硕十论文：基y - a r m 的核地球物理数据采集卡的研究 ( 1 ) 完成g p s 接收模块程序的编写，快速、准确地提供地理坐标，用以对 核数据采集系统进行实时定位： ( 2 ) 完成a d 转换中断服务程序的编写； ( 3 ) 完成定时器中断服务程序、擦写f l a s h 程序的编写； ( 4 ) 完成与上微机串口通信程序的编写。 最后将系统各部分进行集成、测试，并利用”7 c s 源进行实测。 1 5 成果特色 对比目前国内、外现场核地球物理数据采集系统，该论文具有一定的特色， 主要表现在： ( 1 ) 系统采用集成度高、功耗低、贴片式元器件构成核数据采集系统的重 要组成部分一多道脉冲幅度分析器；从而减小了系统体积、降低了功耗，携带 方便、操作灵活。 ( 2 ) 将g p s 技术成功应用于便携式核地球物理数据采集系统中，能够快速、 准确地提供地理坐标，对便携式核数据测量仪器进行实时定位。 ( 3 ) 选用了p h i l i p s 公司生产的3 2 位高速、大容量、低功耗、体积小、贴 片式a r m 微控制器l p c 2 1 4 2 构成多道脉冲幅度分析器和g p s 模块的控制核心， 具有资源丰富、可移植操作系统等优点。 ( 4 ) 以a d s l 2 集成开发环境为平台，采用c 语言并利用3 2 位a r m 指令集 进行以l p c 2 1 4 2 为控制核心的各功能模块的软件设计。 4 第一二章：研究方案 第二章研究方案 2 1 系统整体方案选择 通过前期调研，结合现有的国内外核数据测量技术，该系统最终确定以3 2 位a r m 微处理器为控制平台，并利用g p s ( 全球定位) 技术对便携式核数据采 集系统提供高精度地理坐标进行实时定位。在信号调理电路中，其主要任务是 探测器信号的获取以及信号的整形放大；在信号数据采集电路中，其核心部分 是信号的峰值检测电路；在信号数据处理部分，其主要任务是基于a r m 的嵌入 式系统设计以及相应的软件开发。表2 - 1 列出了几种典型的微处理器系统对比 情况。 表2 - 1 几种典型的微处理器系统对比结果 处理器 8 位单片机3 2 位a r m 处理器d s p 数字信号处理 相关指标器 性能一般高中等 开发难度简单不大较大 开发成本稍贵便宜稍贵 性能指标较弱强强 开发周期短稍长稍长 操作系统支持弱强稍强 由表2 1 不难看出，随着科学技术的发展和一些高集成度新电子产品的不 断出现，3 2 位a r m 微处理器在性能、开发成本、操作系统的支持等方面有着明 显的优势。可以预见，3 2 位a r m 微处理器会在以后的智能仪器中成为主流。系 统的方案选择应该在满足系统功能要求的前提下，以其性能及开发成本为核心 指导思想。因此，在系统方案选择上，选择了基于a r m 的嵌入式系统作为整个 系统的核心，并在此基础上进行相应的软、硬件开发。 本人设计的核地球物理数据采集卡主要包括：线性脉冲幅度放大器( 信号 调理电路) 、多道脉冲幅度分析器( m c a ) 、g p s 接收模块、嵌入式微机系统、供 电系统电路以及相应的处理控制软件系统构成。其硬件框图如图2 - 1 所示。 成都理l ：人学硕十论文：基y - a r m 的核地球物理数据采集卡的研究 ；囵一圈 拇删嚣系统 ( 挢头) 图2 - 1 核地球物理数据采集系统总体框图 2 2g p s 接收模块 传统的核地球物理仪器一般只包括核辐射探测器和多道脉冲幅度分析器， 如图2 2 所示。其只能简单地确定出某一些核素的对应能量、对应道址以及衰 变系数等核素信息。随着科学技术的发展，g p s 技术的应用领域日益广泛，将 g p s 技术应用于核地球物理数据采集系统中，快速、准确地获取高精度地理坐 标，对便携式核数据测量仪器进行实时定位。这是对传统核地球物理数据采集 系统功能的一种扩展，研究意义会更加深远、应用前景更加广阔。 核辐射 探测器 多道脉冲幅度 分析器 数据处理及结果 显示器件 图2 2 核地球物理仪器结构框图 g p s 接收模块包括：g p s 接收机和g p s 天线，两者配合使用。各部分基本功 能如下： g p s 接收机的功能是接收g p s 卫星发射的信号，并进行处理和测量，以获 取导航电文及必要的观测量。g p s 接收机有导航型和测地型两种，在测地型接 收机中，包括单频和双频接收机。单频接收机价格低廉，在l o k m 以内的短基线 测量上采用差分定位方法可获得较高的定位精度，因此，其成为首选。测量型 单频接收机的主要参数包括绝对定位精度、定时精度以及功耗等。 g p s 天线基本作用是把来自卫星信号的能量转化成相应的电流量，并经过 前置放大器送入射频部分进行频率转换，以便接收机对信号进行跟踪、处理和 量测。g p s 天线的主要参数包括阻抗、增益、相对中心误差等。 6 ，圈l 第一二章：研究方案 经过分析论证，本数据采集系统选用了经济、实用的m o t o r o l ay p0 n c o r e 单频测量型接收机和浙江中裕z 1 卜e i v 测量型单频g p s 天线。关于g p s 接收 机的工作原理、指令系统将在后面第四章详细说明。 2 。3 多道脉冲幅度分析器 由上面图2 2 可以看出，多道脉冲幅度分析器是整个核地球物理仪器的重 要组成部分，其功能一方面对来自放大器的脉冲信号进行采集、模数转换，同 时存储转换结果；另一方面将存储的转换结果进行数据分析并直接显示或者通 过计算机接口传送到上位计算机进行数据处理和显示。多道脉冲幅度分析器的 原理结构框图如图2 3 所示。 2 4a r m 嵌入式系统 a r m 嵌入式系统主要包括a r m 微控制器、数据存储、数据处理、人机接口、 软件系统等部分。多道脉冲幅度分析器转换出的数字量以及g p s 接收机接收到 的卫星星历数据尚需要进一步的处理和显示，通常的做法是将存储在a r m 微处 理器中的数据传送给上位机来完成。 从半导体发展以及系统开发成本、可靠性等方面来考虑，选用低功耗、高 集成度的芯片，把各种功能都集成在一块芯片上，是我们今后仪器硬件开发的 发展方向。这样做的好处是： ( 1 ) 功能的集成，与分立元件相比具有功耗更低的优势； ( 2 ) 高度集成各个功能模块，在硬件电路上，减少了外部引线，从而提高 系统的可靠性，同时也降低了硬件的开发难度；另一方面，集成度高还减少了 芯片的使用数量，降低了开发成本。 ( 3 ) 在底层软件驱动程序开发上，我们只需要对相应的资源进行配置，降 低了驱动程序的开发难度，同时也缩短了开发周期。 鉴于以上思想，在本系统中我们选用了基于a r m 的嵌入式系统作为本系统 的控制核心。 锄4 鹘一le t ，j i 竺h 竺竺l 一 既入式系统 一i 电路l 控制电路 i 一 i 礓 l裂惦强 l p c 2 1 4 2 峰值 加转换电路l 置 r 图2 3 多道脉冲幅度分析器的原理结构框图 7 成都理f ：人学硕十论文：基丁a r m 的核地球物理数据采集卡的研究 2 5 接口方式选择 为了充分利用p c 机、笔记本电脑和掌上电脑存储容量大、计算能力强等特 点完成数据的备份、处理和计算工作，我们将核数据采集系统的测量数据通过 接口传送给它们。常用的接口方式如表2 2 所示。 表2 - 2 几种常用微机接口特点比较 心口方式 串行口红外线端口 并行口u s b 接口 优缺蠢 ( i r d a ) 优点设计简单，传输距无线传输软，硬件设计简速度快， 离远，传输线少单，速度快u s b 2 0 达到 4 8 0 m b p s 缺点传输速度慢，最大传输距离近，只传输距离近，小于软硬件设计复 速度2 0 k b p s有儿厘米，有方 1 m ，需要的传输线 杂 向性较多 从表2 - 2 不难看出，对于数据的传输速度没有严格要求的接口设计来说， 串口软硬件设计简单、传输线少、传输距离远等特点比较适合这一接口需要。 设计中，我们采用a r m 微控制器的高速串口通讯，传输速率达到1 1 5 2 0 0 b p s ， 基本解决了串口通讯较慢的特点。鉴于此，本系统中我们设计了以r s 2 3 2 为通 信标准的串行接口与上微机进行通信。 2 6 数据存储 我们知道，r a m 作为系统的数据存储器存储数据时，在系统掉电情况下， 不能保证测量的数据不丢失。由于f l a s h 具有掉电情况下数据不丢失的特点， 所以选择满足系统要求容量的f l a s h 存储器是一个非常关键的问题。本系统中 选用的a r m 微处理器系统l p c 2 1 4 2 ，具有6 4 k b y t e 片上f l a s h 系统可以对此片 上f l a s h 进行软件读、写操作。根据实际需要，本系统把这个f l a s h 划分为两 个空间部分，分别为程序存储部分( 占8 k b y t e ) 和数据存储部分( 占4 0 k b y t e ) ， 其中数据部分分别存放6 p s 观测数据( 占2 0 k b y t e ) 和核能谱数据( 占2 0 k b y t e ) 。 因此，片上f l a s h 能够满足系统对程序代码以及测量数据进行保存的需要。 然而，为了便于保存临时变量数据，系统中还必须有定容量的s r a m 作为 系统的缓存，本系统利用l p c 2 1 4 2 片上的1 6 k s r a m 作为数据缓存。 8 第二章：a r m 嵌入式微处理器系统 第三章a r m 嵌入式微处理器系统 3 1a r m 微处理器概述 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，它是一家微处理器行业的知名企 业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c ( 精简指令集) 处理器。 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 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。” 在科学技术飞速发展和一些高集成度新电子产品不断出现的今天，3 2 位a r m 微处理器凭借着其高速、大容量、低功耗、体积小等特点在性能、开发成本、 操作系统的支持等方面有着明显的优势。可以预见，3 2 位a r m 微处理器会在以 后的智能仪器中成为主流。这也是本系统中选用a r m 微处理器代替普通单片机 的主要原因。 3 ，1 1a r m 的体系结构 a r m 处理器为r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 芯片，即精简指 令集计算机，其简单的结构使a r m 内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。 它具有经典r i s c 的特点： - 大的、统一的寄存器文件； 一 装载保存结构，数据处理操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器 进行操作； - 简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决 定： 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外，a r m 体系结构还提供了： - 每条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器控制，以实现a l u 和 移位器的最大利用； - 地址自动增加和减少的寻址模式优化程序循环； - 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量； - 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 a r m 体系结构从最初开发到现在有了巨大的改进，并仍在完善和发展。为 了表达清楚，a r m 公司定义了5 种主要的a r m 指令集体系结构版本，以版本号 v l v 5 表示。v 1 、v 2 只有2 6 位的寻址空间，没有商业化，现在已经废弃不 再使用。v 3 寻址范围扩展到3 2 位( 事实上也基本废弃) ，具有独立的程序。先 9 成都理i ：大学硕十论文：基y - a r m 的核地球物理数据采集卡的研究 前存储于r 1 5 ( 程序计数器) 的程序状态信息存储在新的当前程序状态寄存器 c p s r 中，且增加了程序状态保存寄存器s p s r 。以便出现异常时保存c p s r 中的 内容。v 4 版本不在为了与以前的版本兼容而支持2 6 位体系结构，并明确指明 了哪些指令会引起未定义指令异常发生，它相对v 3 版本作了以下的改进： - 半字加载存储指令； - 字节和半字的加载和符号扩展指令； - 具有可以转换到t h u m b 状态的指令； - 用户模式寄存器的新的特权处理器模式。 在v 4 版本的基础上，v 5 对现在指令的定义进行了必要的修正，对v 4 版本的体 系结构进行了扩展并增加了指令，具体如下： - 改进了t 变量中a r m t h u m b 状态之间的切换效率； 允许非t 变量和t 变量一样，使用相同的代码生成技术； - 增加计数前导零指令和软件断点指令； - 对乘法指令如何设置标志作了严格的定义。 本系统采用的l p c 2 1 4 2 微控制器属于v 5 版本。 3 1 2a r m 的系列 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核，目前最新的系列已经是a r m l l 了，而a r m 6 核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列包括： a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的 x s c a l e 、s t r o n g a r m 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。 从系统的基本要求和成本两个方面来考虑，a r m 7 系列微控制器成为首选。 为此我们选用了a r m 7 t d m i - - s 微控制器l p c 2 1 4 2 作为多道脉冲幅度分析器及g p s 模块的控制核心。 3 1 3a r m 的功能特点 a r m 微处理器采用r i s c 架构，它具有如下特点： - 小体积、低功耗、低成本、高性能； - 支持h h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位 器件； 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； 1 0 第二章：a r m 嵌入式微处理器系统 一寻址方式灵活简单，执行效率高； - 指令长度固定。 3 1 4a r m 的应用领域 a r m 微处理器的主要应用领域包括： - 核地球物理数据采集； - 工业控制领域； - 网络应用领域： 无线通讯领域； - 成像和安全产品； 消费类电子产品。 3 2a r m 7 t d 嗣l s 简介钉 l p c 2 1 4 2 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器。a r m 7 t d m i s 是目前低端的a r m 核，它增加了 6 4 位乘法指令( 带m 后缀的) 、支持片上调试系统( 带d 后缀的) 、高密度1 6 位的t h u m b 指令集扩展( 带t 后缀的) 和e m b e d d e d i c e 观察点硬件( 带i 后缀 的) 。a r m 7 t d m i s 是a r m 7 t d m i 的可综合( s y n t h e s i z a b l e ) 的版本( 软核) 。 a r m t t d m i - - s 是一个通用的3 2 位微处理器核，它具有优异的性能，但功耗 却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机( r i s c ) ，指令集和相 关的译码机制比复杂指令集计算机( c i s c ) 要简单得多。这样的简化实现了： - 高的指令吞吐量； - 出色的实时中断响应； - 小的、高性价比的处理器宏单元。 a r m 7 t d m i - - s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特的结构化策略，它非 常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。它 具有两个指令集：3 2 位的a r m 和1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集的1 6 位 指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密度，却仍然保持a r m 的大多数性 能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位处理器所不具有的。这是因 为t h u m b 代码和a m 代码一样，在相同的3 2 位寄存器上进行操作。t h u m b 代码 仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接到1 6 位存储器系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 。 成都理i ：人学硕十论文：基丁a r m 的核地球物理数据采集卡的研究 3 3l p c 2 1 4 2 主要性能及功能模块介绍嗍 本系统中使用的a r m 微控制器是p h i l i p s 公司生产的a r m 7 系列的l p c 2 1 4 2 芯片。其管脚图如图3 1 所示，结构框图如图3 2 所示。该芯片包含一个支持 仿真的a r m 7 t d m i sc p u 、与片内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线、中断控 制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b a r m a m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 1 4 2 将a r m 7 t d m i s 处理器配置为小端 ( 1 i t t l e - - e n d i a n ) 字节顺序。 a h b 外设分配了2 m b 的地址范围，位于4 g ba r m 存储器空间的最顶端。每 个a h b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。l p c 2 1 4 2 的外设功能( 中断控制器除外) 都连接到7 p b 总线。a h b 至uv p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。v p b 外设也分 配了2 m b 的地址范围，从3 5 g b 地址点开始，每个v p b 外设在v p b 地址空间内 都分配了1 6 k b 地址空间。 片内外设与器件引脚的连接由引脚连接模块控制。该模块必须由软件进行 控制，以符合外设功能与引脚在特定应用中的需求。 l p c 2 1 4 2 具有如下主要特性： 超小l o f p 6 4 封装的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - - s 微控制器； - 1 6 k b 的片内静态r a m 和6 4 k b 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接 口j m 速器可实现高达6 0 h z 的工作频率； 第二章：a r m 嵌入式微处理器系统 一 通过片内b o o t 装载程序可实现在系统在应用编程( i s p i a p ) 。单个 f l a s h 扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ，2 5 6 字节编程时间为1m s ； - e m b e d d e d l c e - - r t 和嵌入式跟踪接口提供实时调试( 通过片内 r e a l m o n i t o r 软件) 和高速跟踪指令执行； 图3 2l p c 2 1 4 2 结构框图 - 1 个1 0 位a d 转换器，每个通道的转换时间低至2 4 4 p s ； - 1 个1 0 位的d a 转换器提供可变的模拟输出； - 2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带4 路捕获4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 和看门狗； - 低功耗实时时钟( r t c ) 具有独立的电源和专门的3 2 k h z 时钟输入； - 多个串行接口，包括2 个u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b s ) 、 s p i 和具有缓冲作用及数据长度可变功能的s s p ； - 向量中断控制器( v i c ) ，可配置优先级和向量地址； - 多达4 5 个可承受5 v 电压的通用i o 口( l o f p 6 4 封装) ； - 多达9 个边沿或电平触发的外部中断引脚； - 通过一个可编程的p l l ( 1 0 0 肛s 的配置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； - 片内集成振荡器可操作频率为1 3 0 m l - l z 的外部晶体或频率高达5 0 m h z 的外部时钟： 成都理i ：人学硕十论文：基ta r m 的核地球物理数据采集卡的研究 - 低功耗模式：空闲和掉电； - 可通过个别使能禁止外围功能和外围时钟分频来优化功耗； - 通过外部中断、u s b 、掉电检测( b o d ) 或实时时钟( r t c ) ，可将处理器 从掉电模式中唤醒： - 单电源供电，含有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路。c p u 操作 电压为3 o 3 6 v ( 3 3 v 1 0 ) ，i 0 口可承受5 v 电压。 3 3 1 快速通用并行i 0 口 l p c 2 1 4 2 在先前l p c 2 0 0 0 器件基础上引入了加速g p i o 功能： - g p i o 寄存器被转移到a r m 局部总线，以实现高速i 0 时序； - 屏蔽寄存器允许将端口位集作为一组，而其它位不变： - 所有g p i o 寄存器为字节可寻址； - 整个端口值可用一条指令写入。 其主要特性： 单个位的方向控制； - 输出置位和清零可单