（物理电子学专业论文）基于arm和linux的采集控制系统设计与实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 豫夕仫 日期：认厂，年厶月6 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：隗少仡 日期归p 年6 月乞日 摘要 大亚湾反应堆中微子实验是由中国科学院北京高能物理研究所主持的、多 个国际科研机构参与的大型国际合作项目。其中慢控制部分气体监控系统由美 国普林斯顿大学承担研发任务。精确、可靠、及时地将气体监控系统的输出信 号测量采集并返给远程的监控终端，同时及时响应远程监控终端的命令为气体 监控系统提供开关量信号，有助于为获取可靠的实验数据提供可靠的保障，有 助于精确研究中微子混合角e 1 3 与其它物理量的关系，有助于保证整个中微子实 验顺利进行。 基于a r m 9 内核嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 具有功耗低、资源丰富、运行速度 快、性价比高等特点。l i n u x 操作系统是一款源码开放、免费的操作系统，具有 驱动丰富、对网络支持能力强等特点。研发基于嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 和l i n u x 操作系统的采集控制系统具有很高的性价比。 该系统面向的应用对象有四种类型的信号，输入的分别是不同量程的电压 信号( 包括0 5 v 、0 1 0 v 、+ 5 v 、士1 0 v ) 、4 2 0 m a 的电流信号、开关量；输出 的是开关量。系统的任务就是实时采集三种类型的输入信号，并通过网络发送 给远程的监控终端；同时实时响应远程的监控终端通过网络发送来的命令，实 现开关量输出控制功能。 该系统主要包括以下几部分：电源部分、嵌入式处理器部分、模拟量输入 部分、开关量输入部分、开关量输出部分、网络通信部分。 为了防止破坏性电压对系统可能产生的破坏，同时为了防止不同装置设备 或传感器噪声串扰对模拟量采集精度的影响，各输入通道、输出通道和后级采 集核心系统进行了隔离，通道与通道之间也进行了隔离，电源也进行了隔离。 经测试和试运行证明，该系统工作正常、稳定、可靠，精度、速度均满足 了项目要求。 关键词：a r m 信号隔离l i n u x 采集控制 ab s t r a c t d a y ab a yr e a c t o rn e u t r i n oe x p e r i m e n ti su n d e rt h ea u s p i c e so ft h ei n s t i t u t eo f h i g he n e r g yp h y s i c s ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s i ti sal a r g e - s c a l ei n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t i o np r o j e c t t h a tan u m b e ro fi n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v e j o i n e d p r i n c e t o nu n i v e r s i t yo fa m e r i c aa s s u m e dr e s p o n s i b i l i t yo fd e s i g n i n gt h eg a s m o n i t o r i n gs y s t e mo ft h es l o wc o n t r o lp a r t i ti sn e e d e dt h a ta c q u i r i n go u t p u ts i g n a lo f t h eg a sm o n i t o r i n gs y s t e ma n ds e n t i n gt ot h er e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a lo v e rt h e n e t w o r ka c c u r a t e l y , r e l i a b l y , t i m e l y ；r e s p o n s i n gt ot h er e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a l s c o m m a n d so v e rt h en e t w o r ka n dr e a l i z i n gt h es w i t c ho u t p u tc o n t r o lf u n c t i o ni nt h e s a m et i m e i tw i l lb eh e l p f u lf o ro b t a i n i n gr e l i a b l ee x p e r i m e n td a t a , i tw i l lb eh e l p f u l f o rs t u d y i n gr e l a t i o n s h i pb e w e e nt h en e u t r i n om i x i n ga n g l e0 1 3a n do t h e rp h y 7 s i c a l q u a n t i t i e s ，i t w i l lb e h e l p f u lf o re n s u r i n g t h ep r o g r e s so ft h ee n t i r en e u t r i n o e x p e r i m e n t e m b e d d e dp r o c e s s o r $ 3 c 2 410b a s e do na r m 9f e a t u r e sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , r i c hr e s o u r c e s ，h i g hr u n n i n gs p e e d ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t ，a n ds oo n l i n u x o p e r a t i n gs y s t e mf e a t u r e so p e ns o u r c e ，f r e eo p e r a t i n gs y s t e m ，r i c hd r i v e r , h i g hn e t w o r k s u p p o r tc a p a b i l i t y , a n ds oo n d e s i g n i n gs y s t e mb a s e do n $ 3 c 2 4 10p r o c e s s o ra n dt h e l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi sc o s t e f f e c t i v e o b j e c t - o r i e n t e da p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mi n c l u d e sf o u rt y p e s s i g n a l f r o mt h e p e r s p e c t i v eo fi n p u ta n do u t p u t ，t h e r e a r et h r e ek i n d so fi n p u t s i g n a l ，t h o s ea r e d i f f e r e n tr a n g eo fv o l t a g es i g n a l ( i n c l u d i n g0 - 5 v , 0 - 10 v , 士5 v , 士io v ) ，4 - 2 0 m ac u r r e n t s i g n a l ，a n ds w i t c hs i g n a l ；t h e r ea r eo n l yo n ek i n do fo u t p u ts i g n a l ，i ti ss w i t c ho u t p u t s i g n a l t h et a s ko ft h i ss y s t e mi st h a ta c q u i r i n gt h r e et y p e s i n p u ts i g n a la n ds e n t i n gt o t h er e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a lo v e rt h en e t w o r kt i m e l y , r e s p o n s i n gt ot h er e m o t e m o n i t o r i n gt e r m i n a l sc o m m a n d so v e rt h en e t w o r ka n d r e a l i z i n gt h es w i t c ho u t p u t c o n t r o lf u n c t i o ni nt h es a m et i m e t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ：p o w e rs u p p l ys e c t i o n ，t h e e m b e d d e dp r o c e s s o rs e c t i o n ，a n a l o gi n p u ts e c t i o n ，t h es w i t c hi n p u ts e c t i o n ，t h es w i t c h i i o u t p u ts e c t i o na n dt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns e c t i o n i no r d e rt op r e v e n td a m a g i n gv o l t a g ef r o md a m a g i n gt h es y s t e ma n dp e v e n tt h e d i f f e r e n td e v i c eo rs e n s o rn o i s ec r o s s t a l kf r o ma f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fa n a l o gd a t a a c q u i s i t i o n ，i ta d o p t e di s o l a t i o nm e a s u r eb e t w e e ne a c hi n p u tc h a n n e l ，o u t p u tc h a n n e l a n dt h ec o r eo fp o s t - a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d i f f e r e n tc h a n n e l sh a v ea l s ob e e ni s o l a t e d ， p o w e rs u p p l yh a v ea l s ob e e ni s o l a t e d t h et e s t i n ga n dt r i a lr u np r o v e dt h a tt h e s y s t e mw o r k e dc o r r e c t l y , s t a b l y , r e l i a b l y t h ep r e c i s i o na n ds p e e dm e tt h ep r o j e c t sr e q u i r e m e n t k e y 期m 妊一删s i g n a li s o l a t i o n l i n u x a c q u i s i t i o na n dc o n t r o l i i i 目录 1 引言一1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状与方案比较2 1 3 本课题要完成的工作3 2 系统的硬件设计4 2 1 整体硬件的工作原理和总体架构4 2 2 电源部分设计5 2 3 嵌入式处理器部分设计7 2 4 模拟量输入部分设计1 1 2 4 1 精密电流环接收器r c v 4 2 0 11 2 4 2 模拟隔离放大器选型11 2 4 3 模数转换器选型一1 3 2 4 4 电流输入电路1 6 2 4 5 电压输入电路一1 7 2 5 开关量输入部分设计一j 1 7 2 5 1 光电隔离器t l p 5 2 1 2 工作原理1 7 2 5 2 开关量输入电路18 2 5 3 光电隔离器在电路中的作用一1 9 2 6 开关量输出部分设计1 9 2 7 网络通信部分设计2 0 3 系统的软件设计2 2 3 1 开发前的准备工作2 2 3 2 相关设备驱动程序设计2 4 i v 3 2 1m a x l 2 7 0 设备驱动程序设计2 4 3 2 2 开关量输入设备驱动程序设计31 3 2 3 开关量输出设备驱动程序设计一3 3 3 3 应用程序设计3 5 3 3 1 应用程序总体框架一3 5 3 3 2 采集和控制进程一3 6 3 3 2 1 采集和控制进程概述3 6 3 3 2 2 模拟量采集线程3 7 3 - 3 2 3 开关量输入采集线程4 0 3 3 2 4 采集数据上传给网络线程4 1 3 1 3 2 5 开关量输出控制线程4 6 3 3 3 用户配置功能进程4 8 4 总结与讨论5 2 4 1 测试结果5 2 4 2 电磁兼容性措施5 3 4 3 电容耦合隔离放大器应用中的噪声分析5 5 4 4 改进措施5 7 4 5 总结5 8 参考文献5 9 个人简历6 0 致 射61 v 1 前言 1 引言 1 1 课题背景 大亚湾反应堆中微子实验是由中国科学院北京高能物理研究所主持的、多 个国际科研机构参与的大型国际合作项目。 大亚湾反应堆中微子实验的主要物理目标是精确测量中微予混合角0 1 3 。无 论从理论还是实验上来说，精确测量s i n 2 2 0 1 3 都具有重大的科学意义。首先，它 是中微子物理中六个最基本的参数之一，其数值的大小决定了未来中微子物理 的发展方向。它的大小直接决定了中微子振荡中的c p 破坏强度。后者是目前最 有希望解释宇宙中物质反物质不对称现象的( 1 e p t o g e n e s i s 机制) 。如果它是如 人们所预计的在o 0 1 0 0 3 左右的话，则中微子的c p 相角可以测量，宇宙中物 质与反物质的不对称可能得以解释。如果它太小，则中微子的c p 相角无法测量， 目前用中微子来解释宇宙中物质与反物质不对称的理论在近期内便难以证实。 其次，s 辞2 0 1 3 接近于零也预示着新物理或一种新的对称性的存在。因此不论是 测得s i n 2 2 e 1 3 或只给出其上限值，均有极为重要的意义，绝不亚于s n o 与 k a m l a n d 实验。第三，它与基本粒子物理的大统一理论有关。它是轻子味混合 的六个基本物理参数中的两个未知参数之一，测量它的大小将有助于我们了解 轻子味混合与夸克味混合之间的关系。如果0 1 3 不是太小，那么有可能在1 0 1 6 g e v 能量标度下实现大统一。第四，中微子振荡是目前唯一超出粒子物理标准模型 的物理现象。影响标准中微子混合与振荡的新物理效应很有可能比0 1 3 所引起的 次级效应更小，因此精确测定它的数值将使我们能够寻找与鉴别新物理【l 】。 大亚湾反应堆中微子实验的物理目标是测量s i n 2 2 0 1 3 ，并且测量精度要达到 0 0 1 以上。这一目标的实现直接取决于对系统误差的控制，计算表明，实验的 总误差必须小于0 5 i 。为此，需要设计出高精度的采集控制系统。同时，由 于实验计划运行近十年，这对采集控制系统的可靠性、稳定性也提出了更高的 要求。 大亚湾反应堆中微子实验属于大型的国际合作项目，慢控制部分需要测量 和控制的物理量总共有上千个，由多个单位、多个部门分担实现。美国普林斯 顿大学承担了慢控制部分气体监控系统的研发任务。气体监控系统总共有四种 1 前言 类型的信号：其中输出三种，包括各种类型的电压信号( 包括0 - 5 v 、0 1 0 v 、 5 v 、1 0 v ) 、4 2 0 m a 的电流信号、开关量；输入仅一种，开关量。精确、 可靠、及时地将气体监控系统的输出信号测量采集并返给远程的监控终端，同 时及时响应远程监控终端的命令为气体监控系统提供开关量信号，有助于为获 取可靠的实验数据提供可靠的保障，有助于精确研究中微子混合角0 1 3 与其它物 理量的关系，有助于保证整个中微子实验顺利进行。 大亚湾反应堆中微子实验有三个实验站，它们之间最远的距离有两千米以 上，各站点间数据通信通过以太网来实现，因此研制的采集控制系统既要微型 化、高可靠性，同时还要具备网络互连功能。 1 2 研究现状与方案比较 目前流行的采集控制装置，基本上可以分为三种类型：一种是基于单片机 形式的；另一种是基于工控机或者c a m a c 系统计算机形式的；最后一种就是 基于当前流行的a r m 嵌入式处理器形式的。其性能比较如表1 1 所示。 表1 1 三种形式的采集控制装置性能比较 泌芋基于单片机 基于a r m 嵌入式处 理器 基于工控机或者 c a m a c 系统计算机 体积 功耗 功能 网络互连 人机交互 操作系统 成本 微型化 较低 一般 无 一般 不支持 低廉 微型化 低 强 支持 强 支持 低廉 庞大 高 强 支持 强 支持 昂贵 从表1 1 可以看出，研发基于a r m 嵌入式处理器的采集控制装置，具有最 高的性能价格比。 l i n u x 操作系统是一款源码开放、免费的操作系统，发展迅猛，在嵌入式领 域已经得到了广泛的应用，发展前景良好。l i n u x 操作系统具有强大的网络功能、 良好的用户交互功能、完全符合p o s i x 、真正的多任务多用户、极强的平台可 伸缩性等特点；而且中国科学院北京高能物理研究所慢控制相关工作一直选择 2 1 前言 l i n u x 操作系统作为基础平台，经验丰富，积累较多。因此，该系统的软件开发 选定l i n u x 作为基础平台。 1 3 本课题要完成的工作 该课题的工作任务是：设计研发采集控制系统，运系统能够实时测量采集 慢控制部分气体监控系统的输出信号，并通过网络发送给远程的监控终端；同 时能够实时响应远程监控终端通过网络发送来的命令，为气体监控系统提供开 关量信号。 主要工作包括： ( 1 ) 系统的硬件设计 四通道电压输入电路设计； 四通道电流输入电路设计；、 八通道开关量输入电路设计；、 八通道开关量输出电路设计； 嵌入式处理器电路设计； 网络通信电路设计。 ( 2 ) 系统的软件设计 l i n u x 操作系统下相关的设备驱动程序设计； l i n u x 操作系统下采集控制功能的应用程序设计； l i n u x 操作系统下通过w e b 服务器实现与用户交互功能的应用程序设计。 ( 3 ) 测试和运行 仪器调试、装机完毕后，在恒温箱内进行2 4 小时0 4 0 温湿度测试； 在深圳大亚湾中微子实验现场试运行。 3 2 系统的硬件设计 2 系统的硬件设计 2 1 整体硬件的工作原理和总体架构 本系统面向的应用对象有四种类型的信号。从输入输出的角度来划分，输 入信号有三种，分别是不同量程的电压信号( 包括0 5 v ，o i o v ，+ 5 v ，士1 0 v ) 、 4 2 0 r n a 的电流信号、开关量；输出信号仅有一种，就是开关量。系统的任务就 是实时采集三种类型的输入信号，并通过网络发送给远程的监控终端；同时实 时响应远程的监控终端通过网络发送来的命令，实现开关量输出控制功能。 对于不同的系统或装置，其地电位或基准电压之间存在有压差，有时可能 高达上千伏，为了消除该压差影响，常采取隔离措施；同时为了防止不同装置 设备或传感器之间噪声的串扰，也要求采取隔离措施。该系统的输入信号可能 来自于不同的装置设备或传感器，开关量输出也可能用于不同的装置设备或传 感器，因此为了防止破坏性电压可能对系统的破坏，同时为了防止不同装置设 备或传感器噪声串扰对模拟量采集精度的影响，信号在输入和输出时，必须采 取隔离措施。不仅各输入通道、输出通道和后级采集核心要隔离，通道与通道 之间也要隔离，电源也要隔离。 该项目硬件设计的整体架构如图2 1 所示。整个项目的硬件实现是基于 a r m 9 内核嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 的。从电路功能模块来划分，硬件部分主要 四路电压 四路电流 八路开关量输入 八路开关量输出 f l a s hr a m i i v 篓h 嚣p 1 分别隔b i 芝专：1 2 2 一 离放大h 看品卜 变换h 滤波ll 仕。i 光藕隔离 光藕隔离 a r m 9 内核 嵌入 式处 理器 $ 3 c 2 4 1 0 i 堡垡皇堕 图2 1 系统硬件架构图 4 u a r t 1 0 m 网卡i 仁ji n t e m e t 2 系统的硬件设计 包括以下几部分：电源部分、嵌入式处理器部分、模拟量输入部分、开关量输 入部分、开关量输出部分、网络通信部分。 2 2 电源部分设计 本项目选用台湾明纬公司开关电源r s 2 5 2 4 作为供电总电源。r s 2 5 2 4 的 额定功率为2 5 w ，额定输出电压为廷v ，转换效率为8 3 。开关电源的2 4 v 输 出电压，一部分直接为开关量输出部分继电器操作线圈供电；另一部分经多路 d c d c 电源隔离模块转换为各个电路模块供电。电源供电关系如图2 2 所示。 。l 曹辖供由l j 瑟差巢翁出酆坌缕电器 7 l 且以仄吧广_ 1 操作线圈供电电压 i 嘏h 蓊谳辩 输出广1v 卜 ，l 毅h 熹鼎u 警譬禚嚣 i 双路输出d c d cr 叫雾? 济拼模铲人嵛郎 给a d c 直接供电；给线 性稳压器a m s l l l 7 3 3 和a m s l l l 7 1 8 v 供电， 1 个5 w 、+ 5 v 单l 分别产生两路3 3 v 和一 路1 8 v 电压，3 3 v 电压 路输出d c d c 卜-给光隔电路、网卡、微 处理器最小系统供电， 1 8 v 电压给微处理器内 核供电 图2 2 电源供电示意图 d c d c 电源隔离模块采用的是广州金升阳公司生产的宽电压输入、隔离稳 压正负双路单路输出型d c d c 。采用d c d c 电源隔离模块给各个电路模块供 电，有效解决了电源隔离问题，减小了不同电路模块之间的耦合性，增强了硬 件电路之间工作的安全性和独立性。d c d c 电源隔离模块双路输出和单路输出 的典型接法如图2 3 所示。由于开关电源的输出电压含有较大的纹波，因此在每 5 2 系统的硬件设计 个d c d c 的输入端加上滤波电容c i n ，以减小d c d c 输入电压纹波；d c d c 的输出一般也含有较大的纹波，为了减小输出纹波，d c d c 的输出端加上滤波 电容c o u t 。 c i n i d e 。i 摹躞 v i i r l g n o t 辛( d c c 。- n t 半f d c 洲+ e + v o u t 耐 一r o u t + r o u t 0 v 图2 3d c d c 电源隔离模块典型接法 本项目采用了金升阳公司三种型号的d c d c ：w r a 2 4 1 5 c k s 一1 w 、 v r a 2 4 1 5 d 一5 w 、v r b 2 4 0 5 d 。5 w 。它们的共同点为：输入电压为宽范围1 8 3 6 v ， 典型输入电压为2 4 v ，输出电压纹波典型值仅为2 5 m v ，这使它们非常适合为电 源必须隔离的模拟电路供电。w r a 2 4 1 5 c k s 1 w 的额定功率为1 w ，+ 1 5 v 双路 输出；v r a 2 4 1 5 d 一5 w 的额定功率为5 w ，士1 5 v 双路输出；v r b 2 4 0 5 d 5 w 的额定 功率为5 w ，单5 v 输出。电路中使用了8 个w r a 2 4 1 5 c k s 1 w ，分别给八路模拟 输入通道隔离前的隔离放大器部分、r c v 4 2 0 供电；使用了1 - j k v r a 2 4 1 5 d 5 w ， 给所有模拟输入通道隔离后的隔离放大器部分、o p 0 7 供电；使用了1 个 v r b 2 4 0 5 d 5 w ，一路给模数转换器直接供电，另一路分别给两片a m s l1 1 7 3 3 和一片a m s l1 1 7 1 8 线性稳压器供电，分别产生两路3 3 v 和一路1 8 v 电压，一路 3 3 v 电压专门给嵌入式处理器电路、网卡供电，另一路3 3 v 电压给光隔电路、状 态指示灯等供电，1 8 v 电压专门为嵌入式处理器内核供电。 a m s l l l 7 系列电源芯片分为固定电压输出和可调节电压输出两种类型，本 项目采用的均为固定电压输出类型。a m s l11 7 3 3 和a m s l1 1 7 1 8 的区别仅在 于输出电压不同，a m s l l l 7 3 3 输出电压为3 3 v ，a m s l l l 7 1 8 输出电压为1 s v 。 a m s l1 1 7 3 3 的典型电路接法如图2 4 所示，a m s l1 1 7 1 8 的电路接法和 a m s l1 1 7 3 3 相同。 6 2 系统的硬件设计 图2 4a m s l l1 7 - 3 3 典型接法图 1 1 i 1 m f 2 3 嵌入式处理器部分设计 微处理器在整个电路中居于核心地位。选择合适的微处理器，需综合考虑 以下几个因素： ( 1 ) 运行速度。运行速度直接决定了整个系统工作的效率。微处理器运行速 度越快，数据处理能力就越强：运行速度越慢，数据处理能力就越差。操作系 统从本质上来说也是一个程序，只不过这个程序移植性更强、事物处理能力更 强；但从另一个角度来说，在操作系统下运行用户进程时，操作系统自身的任 务调度、进程管理等也会占用处理机资源。传统的8 位、1 6 位微控制器或单片 机运行速度有限，数据处理能力有限，如果想运行操作系统，就要求处理器必 须具备更快的数据处理能力。为了运行操作系统，必须采用3 2 位的嵌入式处理 器。 ( 2 ) 成本。目前市场上的微处理器价格从几元到几百元，甚至更昂贵的都有。 选择成本合适的微处理器，对整个系统的成本控制有重要的影响。特别在产品 进入量产阶段，成本因素更是不可忽略。 ( 3 ) 功耗。随着便携式设备的发展和广泛应用，低功耗的应用场合越来越多。 在进行系统设计时，必须考虑功耗因素的影响。 ( 4 ) 功能。现在的微处理器功能越来越强大，集成的外设也越来越多。芯片 厂商现在一般都把微处理器做成s o c 形式。一个微处理器上往往已经集成了 u a r t 、u s b 控制器、s p i 控制器、1 2 c 控制器、看门狗、l c d 控制器、1 2 s 控制 器、多通道a d c 、锁相环、实时时钟、定时器等外设，甚至现在最新推向市场 的有些微处理器把网络控制器也集成了进去。用户在使用这些微处理器时，根 7 2 系统的硬件设计 本就不需要再进行任何扩展，大大降低了系统成本，简化了电路设计难度。 ( 5 ) 可靠性和抗干扰性。选择可靠、稳定的微处理器，对保证系统正常稳定 的工作，具有相当重大的意义。特别是在干扰大、环境恶略的应用场合，如果 微处理器的抗干扰能力差的话，会造成微处理器程序跑飞等问题，影响系统正 常工作。对工业场合来说，任何意外都可能造成很大损失，这对微处理器的可 靠性和抗干扰性都提出了很高的要求。 基于a r m 内核的嵌入式处理器具有耗电少、成本低、功能强等特点。目前 市场上应用比较广泛的是基于a r m 7 内核和a r m 9 内核的芯片。基于a r m 7 内 核的芯片一般没有m m u ，不能运行l i n u x 操作系统，一般是三级流水线。基于 a r m 9 内核韵芯片般都有啪僚7 ，可以运行嵌入式l i n u x 、w i n c e 等操作系统， 一般是五级流水线。a r m 9 核的性能是a r m 7 核的二倍。为了运行操作系统， 并且结合性能、价格、功耗等因素综合考虑，最终选定嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为本系统的主控芯片。$ 3 c 2 4 1 0 是一款目前国内市场占有率比较高、应用较为 广泛的嵌入式处理器。经过长期的市场考验，$ 3 c 2 4 1 0 的可靠性和抗干扰能力都 有相当的保证。它是三星公司推出的1 6 3 2 位基于a r m 9 2 0 t 内核的r i s c 处理 器。 $ 3 c 2 4 1 0 接口丰富，集成了大量的内部电路和外围接口，它的内部结构如图 2 5 所示。 本项目设计时要用到$ 3 c 2 4 1 0 的外设有： ( 1 ) s p i 控制器。$ 3 c 2 4 1 0 集成有两个s p i 控制器0 和s p i 控制器1 ，本系统 使用的是s p i 控制器1 。$ 3 c 2 4 t 0 通过其集成的s p i 控制器1 和扩展a d c 进行 数据通信。 ( 2 ) f 口和c 口。$ 3 c 2 4 1 0 拥有多达1 1 7 个i o 口，可以分为8 组：a 口 h 口。在进行电路设计时，开关量输入电路和开关量输出电路分别用到了f 口和c 口。 ( 3 ) u a r t 。$ 3 c 2 4 1 0 有三个u a r t ，分别是u a r t 0 、u a r t l 、u a r t 2 ，本系统仅用 到了u a r t 0 ，用来下载程序以及作为l i n u x 操作系统的控制台。 8 2 系统的硬件设计 i _ g dl c d c o t 啦 d m a 1 2 c 正当 、r 1 正当 、广1 l ， 4 立 、 图2 5s 3 c 2 4 1 0 内部结构图 9 2 系统的硬件设计 $ 3 c 2 4 1 0 片内没有f l a s h ，因此需外扩f l a s h 存储器。目前嵌入式设备 上大容量存储一般都采用n a n df l a s h 。本项目采用n a n df l a s h 芯片 k 9 f 1 2 0 8 作为存储器，用来存储程序和数据。k 9 f 1 2 0 8 的容量为6 4 m ，能够满 足系统的需要。k 9 f 1 2 0 8 和$ 3 c 2 4 1 0 接口电路图如图2 6 所示。 f 刁嘲 图2 6k 9 f 1 2 0 8 和$ 3 c 2 4 1 0 接口图 $ 3 c 2 4 1 0 片内没有大容量的r a m ，因此需外扩r a m 存储器，来运行操作 系统和用户程序。本项目选择由两片s d r a m 芯片k 4 s 5 6 1 6 3 2 组成6 4 m 的r a m 存储器，来运行操作系统和用户程序。k 4 s 5 6 1 6 3 2 和$ 3 c 2 4 1 0 的接口电路如图 2 7 所示。一片k 4 s 5 6 1 6 3 2 接数据总线的d a l 阪0 d a l 队1 5 ，另一片k 4 s 5 6 1 6 3 2 接数据总线的d a t a l 6 d a 队3 1 。 1 0 2 系统的硬件设计 图2 7k 4 s 5 6 1 6 3 2 和$ 3 c 2 4 1 0 接口图 2 4 模拟量输入部分设计 2 4 1 精密电流环接收器r c v 4 2 0 r c v 4 2 0 是美国b b 公司( 现已被t i 公司收购) 推出的一款精密电流环接 收器芯片，无需借助任何外围器件，它可以将4 2 0 m a 电流输入信号直接转换 成为0 5 v 电压输出信号。它的内部有一对7 5 q 精密采样电阻，用来检测输入 电流，并有4 ：1 的输入衰减。它的共模抑制比可以高达8 6 d b ，允许输入共模信号 高达士4 0 v 。r c v 4 2 0 允许通过最大4 0 m a 的连续电流，以及2 5 0 m a 、o 1 秒的瞬 态电流。较之由分立元件构成的电流电压转换电路，r c v 4 2 0 具有更高的转换 精度、更低的成本。 2 4 2 模拟隔离放大器选型 目前，模拟隔离放大器按照隔离原理可以分为三种：变压器耦合式隔离放 大器、电容耦合式隔离放大器、光电耦合式隔离放大器。模拟隔离放大器的生 产厂家较少，目前主要有t i 公司、a d i 公司、h p 公司和国内的一些公司。t i 2 系统的硬件设计 公司的隔离放大器大部分是基于电容耦合隔离原理的；a d i 公司的隔离放大器 全部是基于变压器耦合隔离原理的；h p 公司的隔离放大器全部是基于光电耦合 隔离原理的；国内公司生产的隔离放大器则种类比较多，基于什么原理的都有。 变压器耦合式隔离放大器精度高，成本低，但抗干扰能力较差；光电耦合式隔 离放大器抗干扰能力强，但线性度低，精度较低，成本也较高；电容耦合式隔 离放大器精度较高，成本较低，同时抗干扰能力较强。综合比较几种类型的模 拟隔离放大器，结合成本、精度等因素，选用电容耦合原理隔离放大器。调研 显示，国内厂家生产的电容耦合隔离放大器精度一般不高，一般不会超过千分 之一；t i 公司生产的隔离放大器精度较高，精度、工艺比较有保证。通过对t i 公司在产的多款隔离放大器综合比较，最终选定t i 公司的i s 0 1 2 4 隔离放大器 用于本项目实现模拟信号隔离功能。i s 0 1 2 4 的内部工作原理如图2 8 所示。 图2 8i s 0 1 2 4 内部工作原理图 i s 0 1 2 4 是t i 公司系列隔离放大器中采用两个1 p f 的电容实现耦合隔离的隔 离放大器。它采用士4 5 & 1 5 v 双电源工作，最大非线性仅为o 1 9 6 0 ，隔离电压至 少2 0 0 0 v d c ，增益固定为1 。i s 0 1 2 4 的这些特性使其非常适用于必须要进行信 号隔离、测量精度要求高的数据采集场合。i s 0 1 2 4 隔离放大器输入和输出靠两 个1 p f 的隔离电容进行信号耦合，输入部分电路完成将模拟输入信号转换为一 个由5 0 0 k h z 三角波的调频信号，这个调制信号可以通过隔离电容发送到输出部 分。输出电路完成将调频信号解调的过程，使输出变成一个和输入完全相等的 1 2 2 系统的硬件设计 模拟信号。但是i s 0 1 2 4 输出信号中总有一个由调制信号引起的5 0 0 k h z 的纹波， 峰一峰电压值一般为2 0 m v ，为了减小输出纹波，保证放大器的线性，必须在 i s 0 1 2 4 的输出端加一个低通滤波器。 i s 0 1 2 4 有两种封装，d i p 1 6 和s o 2 8 。本项目采用的是d i p 一1 6 封装的 i s 0 1 2 4 ，它的管脚分布如图2 9 所示。 + v 8 ， 魄l v 捌f c _ m d 2 c , m a l “k 图2 9i s 0 1 2 4 管脚分布图 i s 0 1 2 4 各个管脚的功能如表2 1 所示。 表2 1i s 0 1 2 4 各个管脚功能 2 4 3 模数转换器选型 模数转换器( a d c ) 是数据采集系统一个非常重要的组成部分，它对整个 系统的精度有着至关重要的影响。高精度的模数转换芯片需要综合考虑各种性 能指标，包括位数、分辨率、采样率、量化误差、参考电压的稳定度、线性度 误差、温度漂移误差、电源抑制比等等。同时要综合具体的工作环境、采集对 象、精度要求、成本和功耗等因素，选择比较合适的模数转换芯片。 1 3 2 系统的硬件设计 $ 3 c 2 4 1 0 片内集成有8 通道1 0 位模数转换器，无论是转换精度，还是分辨 率，均不能满足测量要求，因此，必须外加模数转换器。综合考虑各种因素， 本项目选择了m a x i m 公司的m a x l 2 7 0 这款模数转换芯片。m a x l 2 7 0 是 m a x i m 公司推出的一款多量程、1 2 位逐次逼近式模数转换器。 m a x l 2 7 0 具有以下几个特点： ( 1 ) m a x l 2 7 0 的工作电压为单电源+ 5 v 。 ( 2 ) 它有8 个模拟输入通道，每个通道的输入量程都可以通过软件独立的被 设置为：0 5 v 、0 1 0 v 、5 v 、- t - 1 0 v 。 ( 3 ) m a x l 2 7 0 的采样速率最高可以达到1 1 0 k s p s ，从而保证了数据采集的实 时性。 ( 4 ) 它的最大非线性误差仅为0 5 l s b ，从而保证了采集数据的线性度。 ( 5 ) m a x l 2 7 0 可以使用内部或外部的参考基准源，它的内部有一个4 0 9 6 v 的基准源。使用内部基准源，可以简化电路设计，同时降低系统成本。 ( 6 ) 可以使用内部或者外部时钟。 ( 7 ) m a x l 2 7 0 可以通过s p i 、q s p i 、m i c r o w i r e 总线与微控制器或处理 器通信。 m a x l 2 7 0 有两种封装：p d i p 2 4 和s s o p 2 8 。本项目采用的是p d i p 一2 4 封 装，p d i p 一2 4 封装的m a x l 2 7 0 管脚分布如图2 1 0 所示。 v d du d g n d 匡 n c 医 d g n d 臣 s c l k 巨 西区 d i n 臣 s s i l 舱匝 n c 百 d o u t 匝 一5 1 - 1 酬匝 g ；n d 匝 h 棚朋 i l i 双x 韶刀 到n , c 习r e f 习s c 习r e f a l 3 0 羽c h 7 固c h 6 司c h 5 囝c h 4 词c h 3 习c h 2 司c h l 司c h 0 图2 1 0m a x l 2 7 0 管脚分布图 1 4 2 系统的硬件设计 m a x l 2 7 0 各个管脚的功能如表2 2 所示。 表2 2m a x l 2 7 0 各个管脚功能 本项目中m a x l 2 7 0 使用内部基准源、内部时钟，供电电源为一个5 v 输出、 功率为5 w 的d c - d c 电源模块。$ 3 c 2 4 1 0 有两个s p i 控制器：s p l l 和s p l 0 ，本 项目使用的是s p l l 控制器。m a x l 2 7 0 通过s p i 总线与$ 3 c 2 4 1 0 的s p l l 控制器 相连接，并进行数据通信。但由于$ 3 c 2 4 1 0 的i o 口逻辑高电平是3 3 v ，而 m a x l 2 7 0 的逻辑高电平是5 v ，因此在它们之间必须通过逻辑电平转换芯片 s n 7