（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm9200的高精度嵌入式数据采集系统的设计.pdf

摘要 将模拟信号转换为数字信号、荠进行存储和计算机处理、显示的 过程称为数据采集，而相应的系统则为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) 。数据采集是获得信息的基本手段。数据采集技 术作为信息科学的一个重要分支，以传感器、信号测量与处理、微型 计算机等技术为基础而形成的- - f - j 综合应用技术。 本文以磁场强度为采集对象设计了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 和嵌入式 l i n u x 的高精度数据采集系统。首先，详细叙述了数据采集的概念、 意义和发展现状，a r m 体系结构的特点和应用前景，嵌入式系统的 定义、历史、以及发展情况，嵌入式系统设计技术的新发展与新挑战， 嵌入式l i n u x 的特点，国内外嵌入式微处理器与嵌入式软件的研发状 况。其次，详细介绍了数据采集系统器件的选型以及硬件结构；第 三，详细介绍了l i n u x 环境下开发工具的使用。第四，说明了l i n u x 设备驱动的原理，并设计了a d s l 2 5 6 的驱动，介绍了a r m 、l i n u x 环境下数据才应用软件的设计。 系统的处理器采用a r 9 1 r m 9 2 0 0 。a r m 9 t d m i 是一种高效、低 功耗的r i s c 处理器，以该内核为核心的a r 9 1 r m 9 2 0 0 是一款基于以 太网应用的高性价比1 6 3 2 位微控制器，非常适合嵌入式产品。a d 转换芯片采用德州仪器( r n ) 公司的a d s l 2 5 6 ，其是德州仪器公司 推出的具有一流低噪声、高速度的业界最高性能工业用模数转换器。 操作系统采用嵌入式l i n u x 。l i n u x 资源丰富，源码开放深受广大开 发人员的喜爱。 关键词数据采集嵌入式系统a r ml i n u x d e s i g no fe m b e d d e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m w i t h g hp r e c i s i o nb a s e do na r m 9 2 0 0 t h ep r o c e s st h a tc o n v e r ta n a l o gs i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l ，a n ds t o r g e , d i s p l a yi s c a l l e dd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h ec o r r e s p o n ds y s t e mi sc a l l e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m d a t aa c q u i s i t i o ni st h eb a s i cm e a n st h a tc a no b t a i nv a r i o u si n f o r m a t i o n d a t a a c q u i s i t i o ni sa ni m p o r t a n tb r a n c ho ft h ei n f o r m a t i o ns c i e n c e i ti sat e c h n i q u eo f s y n t h e t i c a la p p l i c a t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo ft h es e n s o r , t h et e c h n o l o g y o fs i g n a lm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n g ，c o m p u t e rs c i e n c e ，a n ds oo n t h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o n f o rt h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l db a s e do na i g l r m 9 2 0 0a n de m b e d d e dl i n u x f i r s t l y , t h ec o n c e p t i o n ，s i g n i f i c a n c ea n ds t a t eo fa r t so fd a t aa c q u i s i t i o nw a s i n t r o d u c e di nd e t a i lw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no fa r m a r c h i t e c t u r e ，t h e d e f i n i t i o n ，h i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s ，n e wt e c h n o l o g i e sa n d c h a l l e n g ei ne m b e d d e ds y s t e m sd e s i g n , t h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e dl i n u x ，t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e ds o f t w a r e s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fd a sa n dc h o i c eo fc o m p o n e n t sw a sb r i e f l y i n t r o d u c e d t h i r d l y , t h eu s eo fd e v e l o p m e n tt o o l si nl i n u xw a si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y a n dt h el i n u xd e v i c ed r i v e r sw a si l l u s t r a t e d t h er e a l i z a t i o no ft h ed r i v e ro fa d s l 2 5 6 w a sa l s op r e s e n t e d l a s t l y , t h ed e s i g no fa p p l i c a t i o n si na r ma n dl i n u xw a s p r e s e n t e d i no r rd e s i g na t 9 1 r m 9 2 0 0w a su s e da st h es y s t e m sp r o c e s s o r a r m 9 t d m ii s f lr i s c p r o c e s s o rw i t hh i g he f f e c t i v e n e s sa n dl o wp o w e rw a s t e a t 9 1 r m 9 2 0 0a d o p t s a r m 9 t d m ia si t sk e r n e la n di sa1 6 3 2 - - b i tm i c r oc o n t r o l l e rf o re t e r n e ta p p l i c a t i o n w i t hh i g h p e r f o r m a n c e ，c o s t e f f e c t i v e t h e r e f o r e ，a t 9 1 r m 9 2 0 0i se s p e c i a l l yf i tf o r e m b e d d e dp r o d u c t s t h ea d s l 2 5 6o ft 1c o r pw a su s e da sa dc o n v e r t i o nc h i p a d s l 2 5 6i sa na dc o n v e r t e rf o ri n d u s t r ya p p l i c a t i o nw i t ht h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e o fl o wn o i s e sa n dh i g hs p e e d t h eo p e r a t i o ns y s t e mu s e de m b e d d e dl i n u x t h e r ea r e a b u n d a n tr e s o u r c e sf o rl i n u x ，a n dl i n u xi sw e l c o m e db yd e v e l o p e r sf o ri t so p e n s o u r c ec o d e k e yw o r d sd a t aa c q u i s i t i o ne m b e d d e ds y s t e ml i n u xa r m 2 独创性声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：立捷蕴- 匕盘 日期 2 p p 占、3 f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：主篷薤堑 日期： 导师签名：圣二丘日期： 2 d 口多，2 f 枷6 亏上6 1 1 课题背景及意义 第一章序论 2 0 0 4 年在北邮自动化学院学习完嵌入式系统软件开发课程后，我就到北京 博创公司进行实习，北京博创公司是一个以a r m 技术为主的技术性研发与生产的 高科技企业，公司的主要产品是u p n e t a r m 系列嵌入式教学科研平台，它是为国 内各高校开展嵌入式教学工作提供的教学实验设备。公司的另一个部门从事基于 a r m 技术的工业控制产品研发。经常承接各种工业控制产品的设计和开发。本系 统就是为航空某研究所设计并实现的嵌入式数据采集系统。 嵌入式系统的应用历史悠久，范围广泛，从过去的4 位单片机到现在的3 2 位甚至1 2 8 位的嵌入式处理器，应用领域发生了很大的变化，尤其目前在国内刚 刚兴起的a r m 技术，应用到了许多产业领域，尤其是使甩数量极大的手持设备和 工业控制领域。 1 - 2 数据采集的概念和基本理论 数据采集是指将温度、压力、磁场、位移、流量等模拟量采集、转换成数字 量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采 集系统。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生 产过程中，应用这一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。在科学研究中，应用数据采集系统可以 获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是探索科学奥秘的重 要手段之一。随着技术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推出，给我们的 生活带来了极大的好处。 数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算 机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要 进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行 显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过 程的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集几乎无孔不入，它已经渗透 n t 地质、医疗器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好地获取信 息提供了良好的途径。 1 3a r m 核心的特点 a r m 即a d v a n c d e d r i s c m a c h i n e s 的缩写。a r m 公司是设计公司，是知识 产权( i p ) 供应商本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特 色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供应商，a r m 公司模式的 强大之处在于它在世界范围有1 0 0 个合作伙伴一一包括半导体工业的著名公司， 从而导致了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于a r m 处理 器核的设计可以很快投入市场。a i l m 处理器的3 大特点如下： 小体积、低功耗、成本低、高性能； 1 6 位3 2 位双指令集； 全球众多的合作伙伴。 a r m 处理器的出色性能使系统设计者可得到完全满足其确切要求的解决方 案。借助于来自第三方开发者的广泛支持，设计者可以使用丰富的标准开发工具 和a r m 优化的应用软件 1 。4 嵌入式系统的定义及发展历史 嵌入式系统本身是一个模糊的定义。由于目前嵌入式系统已经渗入到国民经 济的各个方面，在工业、服务业、消费电子领域的应用范围日益扩大，嵌入式应 用的千差万别，使得给出“嵌入式系统”一个明确的定义变得很困难。 1 4 1 嵌入式系统的历史 嵌入式系统是最近几年才风靡起来的，但是这个概念很早就有，从2 0 世纪 7 0 年代的单片机的出现到现在各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的广泛应 用，嵌入式系统有了3 0 多年的发展历史。 嵌入式最初的应用是基于单片机的，以前大部分的应用使用8 位单片机或4 位单片机，由于资源有限，上面运行的基本都是单线程的程序，还谈不上“系统 “的概念。从8 0 年代初开始，西方先进发达国家纷纷推出嵌入式专用操作系统， 这里比较有名的有r e a d ys y s t e m 公司提出的世界上第一个商用嵌入式实时内核 v t r x 3 2 ，i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r r a t i o n 的p s o s 和风河公司的v x w o r k s 、 q n x 公司的o n x 等等。这些操作系统的出现使得嵌入式开发人员更容易开发出 更复杂更可靠的软件产品，使得嵌入式应用开发更加容易。 9 0 年代以后，嵌入式应用中对实时性要求的不断提高，软件的规模也逐渐 2 增大，实时内核也逐渐演变为实时多任务操作系统。期间出现了众多的商用实时 多任务操作系统，除了像风河等这样的老公司外，同时出现了p a l m0 s 、 w i n d o w s c e 、l y n x 、n u c l e u s 、嵌入式l i n u x ，国内有h o p e n 、d e l t a 0 s 等等。 1 4 2 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 国际电气与电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为：d e v i c e su s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。这主要是从应用上进行定义的，目前看其定义并不能充分表达出嵌入 式系统的精髓。 “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个最基本要 素。今天国内普遍认同的定义是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为 基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 有严格要求的专用计算机系统。 总的说来，嵌入式系统应该是与具体应用紧密结合，强调专用性、可靠性、 成本、体积、资源高度利用，结合先进的计算机技术、半导体技术、电子技术的 综合产物。一般而言，嵌入式系统中的操作系统与应用软件是高度结合的，与 w i n d o w s 有很大区别。 1 5 嵌入式系统的新发展与技术挑战 1 5 1 嵌入式系统设计技术的新发展 随着微电子技术的飞速发展，c p u 已经变成低成本器件。据v i r g i n i at e c h 公司报告，嵌入式系统中所使用的c p u 数量已经超过通用p c 中c p u 数量的3 0 倍。 现在系统研究的重点己从通用系统转向专用系统，以及从一般性能转向可靠 性、可用性、安全性、自主性、可扩展性、功能性、灵活性、成本、体积、功耗 及可管理性上。 1 、 3 2 位嵌入式处理器使用比例不断增长 i n s t a t m d r 曾预测在2 0 0 1 2 0 0 6 年期间，3 2 位向控制器( m c u ) 的复合年 增长率可达2 2 6 。而全球3 2 位m c u 市场在2 0 0 3 年的增长幅度实际己走过3 0 ， 3 在2 0 0 4 年预计将达到3 8 。增长的驱动因索主要有两个方面。一方面因为像数 码相机、m p 3 播放机、p d a 、游戏杌和移动电话手机等手持设备以及各种信息家 电等有更高性能要求的多媒体和通信设备的推出。由于i t 技术发展的推动，3 2 位a r m 体系结构已经成为一种事实上的标准，随着高端3 2 位c p u 价格的不断下 降和开发环境的成熟，促使3 2 位嵌入式处理器日益挤压原先由8 位微控制器主 导的应用空间。随着a r m 处理器在全球范围的流行，3 2 位的r i s c 嵌入式处理 器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。 2 、可供选择的处理器方案增多，s o g 技术成为热点。 各种处理器、d s p 、专用集成电路等不断增多，新的s o c 技术使嵌入式系统 应用发生了革命性的变化，这个变化就是嵌入式系统的设计技术，已从选择厂家 提供的标准产品时代进入了用户具有个性的自行开发设计器件的时代。目前的一 个发展趋势是以f p g a 为代表的现场可编程技术在迅速崛起。可配置、可扩展处 理器逐渐浮出水面。利用半定制器件可以构成基本f p g a 的硬核处理器或基于 f p g a 的软核处理器。并由此可编程片上系统( p s o c 或s o p c ) 应运而生，它集m c u 和f p g a c p l d 的优点于一身，实现可配置s o c ，既适应了设计人员对系统部件集 成的需要，又能实现可配置需求的灵活性。从而为许多现实应用提供一种平衡解 决方案。比如f i l t e r a 公司为嵌入式应用先后推出的n i o s 和n i o si i 软核嵌入 式处理器，以及x i l i n x 推出的3 2 位哈佛结构的m i c r o b a z e 软核嵌入式处理器。 1 5 2 嵌入式系统设计的新挑战 要求更高的应用需求推动嵌入式设计从8 1 6 位转向功能更强大的3 2 位 m c u 。这种升级给工程师提出了一系列前所未有的全新问题。首先，要对开发工 具和软件进行新的投资，并对设计流程进行重新定义；另外，要对原软件能多大 程度地用于新架构、要把已有软件移植到3 2 位的新架构上还必须做多少工作， 以及器件和开发工具的成本、存储器的种类、规模、性能和容量、可选器件的种 类等进行评估。是否向3 2 位升级主要取决于经过综合考虑后的总的系统成本等。 原来国内熟悉8 位m c u 开发的工程师大部分出身于电子工程和其他机电专业，而 非计算机专业。随着嵌入式系统设计技术的发展，已经在很多方面发生了很大的 变化。这与传统的8 位m c u 的开发有着许多明显的不同：首先是开发复杂度大为 提高，其次开发形式、手段和工具也有了很大不同；另外系统越来越多地是建立 在r t o s 平台上，开发所使用的程序设计语言不再是早期效率很低的汇编语言， 而越来越多地使用开发效率很高的高级语言。c 语言己成为主流通用开发语言。 ( 1 ) 开发的复杂度 4 各种多媒体和通信手持设备、信息家电和复杂系统都需要更强大的m c u 来完 成复杂大数据量实时处理。例如，目前移动电话手机需要多屏显示、网页浏览、 文本信息发送、带查找功能的大容量地址簿和语音拨号等功能：最新数码相机及 摄像机的高效率数据压缩、自动识别和各种智能处理等，需要增加d s p 功能；电 话交换机需要分布式处理而采用多处理器结构。因此3 2 位的嵌入式软件开发的 复杂度明显高于从前。 ( 2 ) 开发形式、手段和工具 随着开发对象复杂度的提高，硬件和软件设计比例发生了很大变化。软件开 发的比重越来越大，复杂系统的设计已不可能由- 个设计师包括硬件和软件，而 必须由一个团队来分工合作完成。由此也推出了开发形式、手段和工具的发展， 特别是硬件软件协同设计和验证技术、设计管理技术( 如软件版本管理软件) 和各种嵌入式系统设计工具软件的发展。 对于3 2 位嵌入式处理器来说，随着时钟频率越来越高( 5 0 5 0 0 m h z 以上) ， 加上复杂的封装形式( 如b g a ) ，i c e 已越来越难胜任开发工具的工作。目前替 代的基本方法是借助于j t a g 接口构成j 1 a g 萌试器，直接从c p u 获取调试信息 而使得产品的设计简化，从而使得开发工具的价格反而要低于i c e 。 磬软件和硬件工程师并行工作是一种发展潮流。通过协同设计，特别是协同验 证技术，软件工程师能尽早在真实硬件上测试，而硬件工程师能尽早在原型设计 周期中验证他们的设计。 ( 3 ) 开发平台 由于3 2 位架构的m p u m c u 的资源丰富，指令集相对庞大，而且系统软件也 更加复杂，特别当系统有多任务实时保证的要求时，通常要选用一种r t o s 作为 开发平台来对应用软件中的多任务进行调度。当系统需要连接i n t e r n e t 网实现 图形用户界面( g u i ) 或文件系统( f s ) 时，若采用支持t c p i p 协议栈g u i f s 的嵌入式操作系统，可极大地降低复杂多任务系统开发的难度。 r t o s 和像嵌入式l i n u x 这样的多任务操作系统的引入解决了嵌入式软件开 发标准化的难题，促进嵌入式开发软件的模块化和可移植化，为软件工程化打下 基础。随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用程序越来越大，这对开发人员 的知识结构、应用程序接口和程序档案的组织管理等都提出了新的要求。引入操 作系统相当于引入了一种新的开发模式，是以前单片机开发质的飞跃。 ( 4 ) 开发语言 在从8 1 6 位m c u 向3 2 位转换时，所用软件开发语言也发生了变化。过去大 部分8 1 6 位m c u 都没有太多的性能冗余，软件编写必须完全适合其有限的处理 功能，因此软件开发大部分用汇编语言编写。当前的3 2 位嵌入式c p u 其性能相 当高，使用c 编译器的编译出的程序效率也很高，基本上可以满足绝大部分的 应用需要，只有在特殊的地方才需要使用汇编语言。 1 6 嵌入式l i n u x 概况 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储嚣分 配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统( e m b e d d e d o s ) 。嵌入式系统从诞生到现在已经有3 0 多年了，然而只是到嵌入式操作系统 ( e m b e d d e do s ) 被引入时，嵌入式系统才真正可以称作为系统了。嵌入式操作 系统发展到今天，目前市场已是异彩纷呈。除v x w o r k s 外，还有被多媒体手机广 泛采用的p a l mo s ，p s o s ，q n x ，n u c u l e u s ，小巧精悍的u c o s i i 以及这几年风头 正盛的微软的w i n c e 。再有就是“后发制人”的各种嵌入式l i n u x 。 各种嵌入式l i n k l x ( e m b e d d e dl ir l u x ) 都是源自于应用在x 8 6 体系结构上的 标准l i n u x 。只是对标准l i n u x 经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有 几百k 或者几m 字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用扬合的 专用l i n u x 操作系统。所以它们和标准l i n u x 有着绝对的相似性，和标准l i n u x 有着一致的结构，并保有其绝大部分的功能。只是和具体应用领域密切相关的部 分存在一些差异。以下列出目前流行的几款嵌入式l i n u x ： e t l i n u x设计用于在小型工业计算机，尤其是p c 1 0 4 模块上运行的l i n u x 的完全分发版。 l e m运行在3 8 6 体系机器上的小型( 8m b ) 多用户、网络版本。 l o a f “ l i n u x0 naf o p p y ”分发版，也是运行在3 8 6 体系机器上。 u c l i n u x 在没有m m u 的系统上运行的l i n u x 。目前已知支持m o t o r o l a6 8 k 、 m c f 5 2 0 6 和m c f 5 2 0 7c o l d f i r e 微处理器。 u l l n u x在3 8 6 体系机器上运行的t i n yl i n u x 分发版。 t h i n l i n u x面向专用的照相机服务器、x 一1 0 控制器、m p 3 播放器和其它类似的 嵌入式应用的最小化的l i n u x 分发版。 r t l i n u x 针对于实时性要求较高的嵌入式设备改造的实时嵌入式l i n u x 。 表1 - 1 几款嵌入式l i n u x 的介绍 从以上所列可以看出，嵌入式l i n u x 种类是很多的，事实上目前已经开发成 功的嵌入式操作系统中，大约有一半使用的是l i n u x 。现在除了一些传统的l i n u x 6 公司( 如r e d h a t 、m o n t a v i s t a 等) 正在从事嵌入式l i n u x 的开发和应用之外， 许多著名的i t 巨头企业像i b m 、i n t e l 、m o t o r o l a 等也开始进行嵌入式l i n u x 的研究。 1 6 i 嵌入式l i n u x 的特点 l i n u x 拥有的许多优良特性，使得其在嵌入式系统中应用十分合适。这些特 性可以归纳为以下几点： 1 ) 广泛的硬件支持： 目前l i n u x 已经能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体系结 构，并且成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的c p u 上。 2 ) 内核高效稳定 l i n u x 内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，l i n u x 的内核设计非常精巧，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模 块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得l i n u x 系统内核可以裁剪得非常小 巧，很适合于嵌入式系统的需要。 证3 ) 开放源码，软件丰富 l i n u x 下的软件基本上是全部开放源代码的，从操作系统、编译器、调试器 到系统程序和应用软件，它为用户提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系统干 差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关 重要了。 4 ) 优秀的开发工具 g n u 网站提供绝大部分的优秀开发工具软件，包括针对不同硬件平台移植的 g c c 、g d b 等编译器和调试器工具，像i b m 这样的大公司也为l i n u x 提供了优秀 的开发工具e c l i p s e ，r e d h a t 公司出品的开发光盘更是提供了的。另外还有众多 的集成开发环境可以使用。 5 ) 完善的网络通信和文件管理机制 l i n u x 支持所有标准的i n t e r n e t 网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统 当中。此外，l i n u x 除支持标准的e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统外， 对嵌入式系统中专用的的j f f s 2 ，y a f f s 2 等文件系统也能很好的支持。 6 ) 广泛的开发人员支持 目前在互联网上拥有众多的嵌入式l i n u x 开发人员，网上论坛的内容也很丰 富。国内与l i n u x 相关的网站至少不下于1 0 0 个，我在g 0 0 g l e 上搜索“l i n u x 网 站”共搜出1 0 7 万个网址，足见目前l i n u x 的火爆。 1 7 国内外嵌入式系统开发现状 1 7 1 国内外3 2 位嵌入式微处理器的研发现状 a r m 公司是著名r i s c 生产厂家，目前是嵌入式3 2 位c p u 内核的领导者， g a r t n e ri n c2 0 0 3 年6 月统计，2 0 0 2 年a r m 在全球半导体i p 供应商中排名第1 ， 占市场份额1 9 8 。销售收入达1 8 亿美元，比2 0 0 1 年增长1 0 。a r m 公司在 全球有超过i 0 0 个半导体厂商的合作伙伴，其中不乏像摩托罗拉、诺基亚、英特 尔、高通、t i 、三星等著名厂商。a r m 公司的3 2 位r i s cc p u 至2 0 0 3 年底的统 计，已占领全球7 6 8 的市场份额。a r m 处理器具有小体积、低功耗、低成本、 高性能和1 6 3 2 位双指令集等特点。目前有大量的半导体厂商购买使用a r m 的 i p 来生产自己的相关产品，这样用户在选择开发产品时，核心软件将可以具有 兼容性，并且可以获得广泛的各种功能芯片选择，同时也促进了嵌入式芯片成本 的降低。 m o t o r o l a 使用a r m 的2 0 0 m h z9 2 0 tr i s c 核，生产了自己的属于龙珠系列的 3 2 位m x 一1 高档的无线接入的移动式新产品，其中包括m p 3 和j p e g 的解码播放 器，以及静态的和具有视频功解的数码相机，它还同时具有集成的外设部件，该 部件包括s o n y 存储棒、电源管理器以及l c d 控制器，外设不用时即被关断，整 个设备在1 8 v 电池下工作。龙珠系列的s u p e rv z 更支持彩色t f t 显示，a d 转换，u s b 以及s r 删的工作，时钟频率达6 6 m i z 。 著名的m i p st e c h n o l o g ie s 在基于l o a d s t o r e 的m i p s 结构之上，应用m i p s i m i p si i 指令集的超集，并加进嵌入式需要的一些新指令，引用了6 4 位m i p s r 4 0 0 0 和r 5 0 0 0 所特有的存储器管理和特权管理机制，以及d s p 的m u l 乘法、m a d d ( 乘一加) 和0 1 前沿计数指令，形成称为m i p s 3 2 的新结构，它具有3 2 个3 2 位寄存器并向上与m i p s 6 4 结构相兼容。 t o s h i b a 公司购买了m i p s 3 24 k c 核，开发了自己的t x l 9 系列的嵌入式产 品，旨在将t o s h i b a 原有的1 6 位c i s c 结构转型为3 2 位r i s c 结构，开发静态 数码相机视频数码摄像机和c d r o m 播放器等产品。 p a l m c h i p 公司也购买了m i p s 3 24 k c 核，开发可编程的s o c 平台，瞄准移 动通信计算和存储设备的嵌入式市场。 a r cc o r e s 的3 2 位a r c t a n g e n ta 4 是低功耗、可编程的r i s c d s p 单核结 构，可根据用户的要求灵活地增减功能，d s p 的新增功能有语音压缩与解压，另 有改进的高速缓存以及高效电源等。有的i p 厂商，以a r c 的t a n g e n ta 4 为中 心部件，研制了可编程的低功耗r i s c d s p 平台。t a n g e n ta 4 的核小到低于1 0 0 0 0 个门以下，其中断系统是可编程的，其数据存储器存在4 级流水线，非常适合集 成片上外设。 h i t a c h i 在2 0 0 1 年底推出一款新型s h 7 7 2 7 处理器。它的r i s c 核含有1 6 个3 2 位通用寄存器，5 个3 2 位控制寄存器和4 个3 2 位系统寄存器，在此核的 基础上增加s u p e r h - 3 的d s p 核所形成，片上还集成了可寻址4g b y t e 寻址的 m m u ( 存储管理单元) 和l c d 控制器，时钟频率在1 6 m h z 以上。c p u 部分工作电 压为1 3 5 2 0 5 v ，i 0 工作电压为3 3 6 v 。 i n t e l 公司为插足移动设备市场，也生产了r i s c d s p 结构的名为s t r o n ga r m 的s a 一1 1 1 0 、和x s c a l 系列处理器，i n t e l 公司的奋斗目标是生产低功耗、高性 能的a s s p ( 标准专用产品) 。专用标准产品具有袖珍、无线接入、多媒体的特 色，具有8 k b y t e 数据高速缓存、m m u 、读写缓冲器和5 1 2 字节增强高速缓存， 供频繁使用的结构变量所用。其软件与a r mv 4 、v 5 相兼容，电池供电的优化 是靠专用的低电压工艺技术和电源管理器来保证的，凡当前用不到的部分就停止 供电。i n t e l 的s t r o n g a r m 和x s c a l e 微处理器支持m p 3 音频解码、m p e g - 4 视频解码、语音和手写输入的识别、软件m o d e m 和j a v a 解释程序的运行。 a t m e l 公司原先是专业生产8 位微控制器的厂家，目前也开始开发了多款 基于a r m 内核的微控制器。其a t 9 1 系列包括基于a r m 7 t d m i 内核和a t m 9 2 0 t 内核。 三星公司的a r m 系列在国内使用广泛，其a r m 产品从a r m 7 到a r m l 0 内核有许多型号供用户选择。 1 7 2 嵌入式l i n u x 软件研发状况 目前在世界范围内对嵌入式操作系统的研究和开发方兴未艾，有许多厂家开 发了各具特色的嵌入式操作系统，有p a l mo s 、u c o s i i 、r t l i n u x 、u c l i n u x 、 v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、o n x 、红旗嵌入式l if l u x 、中软实时l i n u x 等等 许多操作系统。在国内基于l i n u x 的嵌入式开发逐渐热起来，但由于难度较大， 目前基于l i n u x 的嵌入式产品还是相对较少。由于l i n u x 功能强大、可靠、灵 活而且具有伸缩性，再加上它支持大量的微处理器体系结构、硬件设备、图形支 持和通信协议，这些都使它作为许多方案和产品的软件平台越来越流行。全世界 有大量的开发人员在支持l i n u x 的开发，他们为开发源码社区贡献了大量的源代 码，其中有许多都是水平极高的。l i n u x 发展到今天，为全世界开发者提供了大 量的软件财富，是我国在软件行业赶超西方发达国家的宝贵资源，我们应该充分 利用好这个好机会，为我们的软件发展充分吸收其中的精华和营养。 在国内比较有名的研究开发嵌入式l i n u x 的厂家是华恒公司、西安傅里叶公 9 司、蓝点公司、中科红旗等，他们开发了多款开发板，分别使用p o w e r p c 、 a r m 、m i p s 等设计的芯片，使用嵌入式l i n u x 进行开发，是国内嵌入式开发的 先行者。 1 8 研究内容和目标 论文的主要目标是总结自己在设计并实现数据采集系统的过程和思想详细 说明嵌入式系统软件的实现方法。论文将主要论述以下几个方面： 1 、a r m 微处理器的体系结构和高精度a d 模块的硬件系统平台。 2 、嵌入式l i n u x 体系结构。 3 、l i n u x 在a r m 平台的移植与相关驱动程序。 4 、数据采集软件的应用软件。 1 0 第二章系统结构与硬件连接 2 1 系统总体结构 数据采集和处理系统的组成，从硬件上看，包括模拟系统和数字系统两部分； 从功能上看，既要能完成数据采集，也要能进行大量的数据处理和控制。要设计 这样一个系统必须兼顾多方面的要求，其核心是保证适当的采样精度和采样速 度。本数据采集和处理系统以磁场数据作为采集对象，以超高精度作为主要要求， 包括磁场模拟信号采集。a d 转换、数据缓存以及基于以太网的数据传输四部分。 系统结构简图如下： 职 镕 e c 一一 器 3 6 多 一 路 模 开 拟 关 网信 号 l 采集控制b = = = 校准控制| c = = 2 2 系统硬件结构 图2 - i 系统的总统结构 本系统是一款功能强大的微功耗嵌入式高精度数据采集系统，采用基于 a r m 9 内核的工业级处理器和l i n u x 操作系统。本系统具备丰富的外围控制接口 和通信接口，可通过i o 输出的形式控制外围部件以及进行多路模拟信号的切换， 采集到的高精度数据可以通过r s 2 3 2 或者高速以太网等方式传送到远程监控端。 由于系统采用了功能强大的处理器以及l i i u x 操作系统，除了可以完成高精度数 据的采集外，还可以允许用户完成数据处理以及其他的一些应用层的功能。 本产品可广泛用于工业模拟信号的采集以及远程传输。例如在产品质量检验 中心、野外测控、医疗设备等领域的数据采集以及波形分析和处理系统，也可构 成工业生产过程控制监控测量系统。系统的硬件构架如图2 2 2 2 1 系统微处理器 本系统采用的微处理器新片a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司推出的一款3 2 位嵌 入式芯片。a t 9 1 r m 9 2 0 0 是完全围绕a r m 9 2 0 t a r m t h u m b 处理器构建的系统。 它有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计 算机宽范围应用提供了一个单片解决方案。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的外部总 线接口( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外配置的无 缝连接。( e b i ) 有同步d r a m ( s d r a m ) 、b u r s tf l a s h 及静态存储器的控制 器，并设计了专用电路以方便与s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连 接。 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理时 间来提高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 孙设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与片内或片 外存储器传输数据时不用经过处理嚣。这就减少了传输连续数据时处理器的开 销。包含双指针的p d c 控制器极大地简化了a r 9 1 r m 9 2 0 0 的缓冲器连接。 并行i o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输入输出口线，以 最大程度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断，开漏能力及 可编程上拉电阻。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备端口及 与多数外设和在网络层广泛使用的1 0 1 0 0b a s e t 以太网媒体访问控制器 ( m a c ) 。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、f l a s h 卡红外线及智能卡中使用。 为完善性能，a t 9 2 r m 9 2 0 0 集成了包括y r a g i c e 、专门u a r t 调试通道 ( d b g u ) 及嵌入式的实时追踪的一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试 所有的应用特别是受实时性限制的应用成为可能。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的基本特性如 下： ( 1 ) 工作于1 8 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s ，存储管理单元；1 6 一k 字节的 数据缓存，1 6 - k 字节的指令缓存，写缓冲器。 ( 2 ) 低功耗：v d d c o r e 电流为3 0 4 m a 待机模式电流为3 1 m a 。 ( 3 ) 附加的嵌入式存储器：s r a m 为1 6 k ，r o m 为1 2 8 k 。 ( 4 ) 外部总线接口( e b i ) ：支持s d r a m ，静态存储器，b u r s tf l a s h ， 无缝连接的c o m p a c t f l a s h ，s m a r t m e d i a 及n a n df l a s h 。 ( 5 ) 提