（计算机应用技术专业论文）基于以太网的数据采集系统在fpga上实现.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 随着计算机和自动化测量技术的日益发展，测量仪器和计算机的关系日益密切。计算 机的很多成果很快就应用到测量和仪器领域，与计算机相结合已经成为测量仪器和自动测 试系统发展的必然趋势。高度集成的现场可编程门阵歹u ( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 是超大规模集成电路和计算机辅助设计技术发展的结果，由于f p g a 器件具备集成度 高、体积小、可以利用基于计算机的开发平台，用编写软件的方法来实现专门硬件的功能 等优点，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，缩短了单片数字系统的设计周期、 提高了设计的灵活性和可靠性。 本文研究基于网络的高速数据采集系统的设计与实现问题。论文完成了以f p g a 结构 为系统硬件平台，u c l i n u x 为核心的系统的软件平台设计，进行信号的采集和远程网络监测 的功能。 论文从软硬件两方面入手，阐述了基于f p g a 器件进行数据采集的硬件系统设计方法， 以及基于u c l i n u x 操作系统的设备驱动程序设计和应用程序设计。 硬件方面，f p g a 采用x i l i n x 公司s p a r t a n 系列的x c 3 s 5 0 0 芯片，用v e r i l o gh d l 硬件描述 语言在x i l i n x 公司提供的i s e 辅助设计软件中实现f p g a 编程。将微处理器m i c r o b l a z e 、数据 存储器、程序存储器、以太网控制器、数模转换控制器等数字逻辑电路通过c o r e c o n n e e t 技术用o p b 总线集成在同一个f p g a 内部，形成一个可编程的片上系统( s o p c ) 。采用基于 f p g a 的s o p c 设计的突出优点是不必更换芯片就可以实现设计的改进和升级，同时也可以 降低成本和提高可靠性。 软件方面，为了更好更有效地管理和拓展系统功能，我们移植了u c l i n u x 至l j m i c r o b l a z e 软处理器上，设计实现了平台上的a d c 设备驱动程序和数据采集应用程序。并通过修订内 核，实现了利用以太网t c p i p 协议来访问数据采集程序获得的数据。 关键词：嵌入式系统，现场可编程门阵列，u c l i n u x ，设备驱动，c g i 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dt h e a u t o m a t e dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dc o m p u t e rb e c o m em o r ea n dm o r ec l o s e r m a n y c o m p u t e rs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t sa r eq u i c k l ya p p l i e dt om e a s u r e m e n ta n d i n s t r u m e n ta r e a ,a n dc o m b i n a t i o nw i t hc o m p u t e rh a sb e c a m ea ni n e v i t a b l et r e n df o rt h e d e v e l o p m e n to fm e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n da u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m h i g h l yi n t e g r a t e df i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yi st h er e s u l to fd e v e l o p m e n to ft h ev e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s a n dc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n o l o g y b e c a u s ef p g ad e v i c ec o n t a i nt h e s ea d v a n t a g e ss u c ha s l l i g hi n t e g r a t i o n ，s m a l ls i z e ，u s i n gc o m p u t e r - b a s e dd e v e l o pp l a t f o r m ，i m p l e m e n t i n gt h ef u n c t i o n s o fs p e c i a l i z e dh a r d w a r ew i t ht h em e t h o do fp r o g r a m m i n g ，i tg r e a t l yp r o m o t et h es i n g l e c h i p d i g i t a ls y s t e md e s i g na n da u t o m a t i o n ，r e d u c et h ed e s i g nc y c l eo fs y s t e m - c h i pd i g i t a ls y s t e m ，a n d i m p r o v ed e s i g nf l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe t h e m e t - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w i t hf p g aa ss y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r ma n du c l i n u xa ss o f t w a r es y s t e mp l a t f o r m ，t h es t u d y c o m p l e t e st h ef u n c t i o no fs i g n a la c q u i s i t i o na n dr e m o t en e t w o r ka c c e s s f r o mt h et w oa s p e c t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ed e s i g na b o u tt h e f p g a - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c eh a r d w a r es y s t e ma n dt h eu c l i n u x b a s e dd e v i c ed r i v e r d e s i g na n da p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g f r o mt h eh a r d w a r es i d e ，t h i ss y s t e mw h i c hu s e ss p a r t a ns e r i e sx c 3s 5 0 0c h i pb yx i l i n xi n c u s e sv e r i l o gh d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g et oa c h i e v ef p g ap r o g r a m m i n gb yx i l i n x s i s ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns o f t w a r e c o r e c o n n e c tt e c h n o l o g yw h i c hu s e so p bb u st oi n t e g r a t e d i g i t a ll o g i cc i r c u i t st o g e t h e rs u c ha st h em i c r o p r o c e s s o rm i c r o b l a z e ，d a t am e m o r y , p r o g r a m m e m o r y , e t h e m e tc o n t r o la n dd i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e rc o n t r o l l e rf o r map r o g r a m m a b l e s y s t e m o n - c h i p t h eh i g h l i g h ta d v a n t a g eo ff p g a - b a s e ds o p cd e s i g ni sn o tn e c e s s a r yt o r e p l a c et h ec h i pi no r d e rt oi m p r o v eo ru p g r a d ed e s i g n , a tt h es a m et i m e ，i tc a nr e d u c ec o s ta n d i m p r o v er e l i a b i l i t y f o r mt h es o f t w a r es i d e , f o rb e t t e ra n dm o r ee f f e c t i v e l ym a n a g e m e n ta n de x p a n d i n gt h es y s t e m ， t h i sp a p e rt r a n s p l a n t st h eu c l i n u xo n t ot h em i e r o b l a z es o f tp r o c e s s o r , d e s i g n e sa n di m p l e m e n t s t h ea d cd e v i c ed r i v e ra n dd a t aa c q u i s i t i o na p p l i c a t i o n s t h r o u g ha m e n d m e n tt ot h ek e r n e l ，i t a c c e s s e st h ed a t ac o l l e c t e db yd a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mu s i n ge t h e m e tt c p i pp r t o c 0 1 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；f p g a ；u c l i n u x ；d e v i c ed r i v e ；c g i 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本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。 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。 论文作者签名：立i 纽日期：鲨翌：三：岁 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 三 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究意义 2 0 世纪以来，随着工业生产和科学技术的发展，工业生产中使用的机械设备向着大型 化、复杂化、自动化和连续化发展，设备一旦发生故障，轻则停机，造成重大经济损失， 重则造成设备毁坏和人生伤亡，引起严重的社会后果。在我国的大型电厂，若出现故障其 停机一天造成的损失就达一百多万元。同时，设备维修费用在企业经营费用中占了很大的 比重，这些都促使了人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性和安全性的关注与研究。 信息传感技术、现代测试技术等相关学科的发展，特别是计算机技术及网络技术的飞速发 展为设备监测提供了强大的技术支持，使工业生产设备实时监测成为可能。在生产过程中， 应用实时监测系统可以对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，不但为安全生产、 提高产品质量、降低成本提供信息和手段，还有利于提高设备运行的可靠性，延长设备的 寿命，也使得设备的维修工作更加高效而科学，减少不必要的过剩维修、降低维修成本。 国外一些调查资料显示，开展设备监测、诊断可带来可观的经济效益。英国曾对2 0 0 0 个工厂作过调查，结果表明，采用设备监测、诊断技术后维修费用每年节约3 亿英镑，除 去监测、诊断技术的费用0 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑【i 】。因此对设备进行有效的监测有 着明显的经济效益。总之，数据的采集与处理越及时，设备的工作效率就越高，取得的效 益也越大。一些发达国家将新的远程在线监测技术应用于设备的管理和维修，根据对设备 的监测与分析，确定维修工作的背容和时间，制定维修方案。监测技术在生产中的应用， 将改变维修方式，通过了解和掌握设备的运行状态，减少突发性的事故停机和过剩维修， 降低维修费用，提高设备的可用率方面将取得明显的经济效益。 1 2 国内外研究概况 在数字技术飞速发展的今天，将各种模拟信号转化为数字信号并进行相应的处理不仅 可以提高系统性能还可以充分利用数字信号的各种处理算法来提高系统的灵活性和可靠 性。随着单片机的运算速度的提高，在一些由单片机构成的较小系统中对信号进行实时处 理己经成为可能，并且越来越受到人们的重视【2 划。这就要求作为最底层的数据采集系统既 要具有很高的采样速率，又要能提供更丰富的原始数据信息。系统经常需要采集各种模拟 量信号、数字量信号，并对它们进行相应的处理。 目前世界上数据采集系统的常规设计方案为： ( 1 ) 由单片机( 如5 1 ，9 6 等单片机或控制型d s p ) 直接控制的采集方案。这是一种最简单 最常用的控制方式，但是，由于每次采样都要有单片机的参与，占用了单片机的时间，影 响了其数据处理的能力。并且对于多通道、多个a d 转换器的控制，当系统中要采集的信 号量很多时( 特别是各种信号量、状态量) ，仅仅靠用普通m c u ( 微控制器或单片机) 的资源 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 往往难以完成任务。此时，一般只能采取多m c u 联机处理模式，或者依靠其它芯片扩展 系统资源来完成系统的监测任务。这样做不但增加了大量的外部电路和系统成本，而且大 大增加了系统的复杂性，因而系统的可靠性就会受到一定的影响，这显然不是设计者所愿 意看到的。如图1 1 为传统的数据采集系统设计框图。 图1 1 传统数据采集器设计框图 ( 2 ) 由d m a 控制的采集方案。此方案硬件电路复杂，若与单片机配合使用，需要单片 机具有总线挂起功能( h o l d 功能) ，否则还需要进行总线切换。在总线挂起的时候，单片机 就不能访问外部存储器和外部端口，如果单片机要访问外部数据，也只能等待总线的释放， 这样就带来很多不方便，也影响了数据的及时处理。 。 显而易见，传统的设计思路不但要使用大量的外围芯片，而且需要主处理器直接去控 制各种采集模块和控制模块，并完成各模块和通道的自检。因此，这种解决方案需要占用 主处理器大量的i o 资源和处理时间。然而，一般处理器的i o 资源极其有限，而且又要 求大量的汇编软件配合，这就使设计移植变得比较困难；此外，由于i o 的频繁操作也不 利于系统调度软件的设计和其他软件模块的实时执行，因而在现场更难以组成分布式控制 管理系统。可见，如果采用传统的设计方法，不但使系统设计较为庞大，而且开发成本高、 设计周期长、设计效率低。所以，传统的设计思路在远程数据采集系统中是不可取的。 随着工艺水平的进步，c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el _ x , g i ed e v i c e ) f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) p 】等可编程器件的速度和规模都有很大的提高，而且它们还具有 集成度高、体积小、功耗低、设计灵活等优势，这样就为利用可编程器件实现高速数字信 号处理开辟了道路。目前，新一代的c p l d f p g a 等可编程器件不仅在速度上能满足高速 数字信号处理的要求，而且可编程资源也大大增加，在系统级集成方面也能满足需要，从 而提高了系统的灵活性和适应性。因此，在开发周期较短或对系统灵活性要求较高的情况 下，f p g a c p l d 能够提供比专用高速数字信号处理器件更高的系统速度和更好的解决方 案【引。 利用c p l d f p g a 的i o 端口多，且具有自由编程支配、定义其功能的特点，再配以 v e r i l o gh d l t 9 】语言编写的c p l d f p g a 内部执行软件，就能很好地解决采集的信号路数多 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 的问题。因为用v 舐l o gh d l 语言编写的执行软件内部对各组数字量是按并行处理的，并 且c p l d f p g a 硬件的速度是纳秒级的，这是当前任何m c u 都难以达到的速度，因此用 c p l d f p g a 设计的系统要比其它系统更能实时地、快速地监测信号量的变化【1 0 小】。如图 1 2 为基于f p g a 的数据采集系统框图。 图1 2 基于f p g a 的数据采集框图 目前，大多数数据采集监控系统都为独立系统，只能进行数据的现场采集或存储，已 远远不能满足工业生产的需求，迫切要求实现远程测控。远程数据采集系统不仅可以实现 远程数据的采集，还能对远程设备进行故障诊断和控制，充分利用了嵌入式系统集成度高、 可靠性好、免维护的特点，提高了终端设备的工业适应性，满足了野外设站、无人值守的 应用要求。 当今互联网运用日趋广泛，已经进入了我们日常生活的方方面面，利用i i l t 锄e t 在远 程数据采集和控制方面的一种应用成为热点【1 5 郇】。采用以太网技术可以通过t c p i p 协议 进行数据传输，无需进行协议转换，易于使用和维护。以太网自身的特点也使得它能够应 用于多种测控现场的数据采集控制。利用以太网进行数据的实时传输有许多明显的优点： 拥有良好的性价比，具有传输速度高、低功耗、易于安装和兼容性好的特点；通过i l l t 锄e t 可以在任何地方任何时候共享设备完成数据采集，使得测试时上位机可以远离现场；由于 传输的是数字信号，因而又具有较强的抗干扰能力；基于b s 的服务方式使多数人能够同 时得到一个设备中的数据，从而降低了数据传递的成本，加快了数据传递的速度，提高了 设备的利用率，可以产生巨大的经济效益。因此，基于以太网的嵌入式数据采集系统具有 很高的研究价值和应用前景。 1 3 本文主要研究内容 课题的研究背景是以太网的嵌入式数据采集系统在可编程逻辑器件上实现，本文选择 了使用) ( i l i l l ) 【公司的f p g a 来进行开发，f p g a 的硬件体系结构的设计大多采用高速的接 口技术和总线规范，具有较高的f o 能力，这为系统能在以太网下进行高速的数据传输提 齄芯 变琏：一 一片蛾姗胍一礴一 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 供了良好的基础，同时它具备很好的可编程性，编程模式简单，并且由于f p g a 具备高度 的集成性，我们可以极为灵活的设计系统组成。通过设计m i c r o b l a z ei p 核，将a d c 控制 器、以太网控制器、以及其它i 0 设备接口控制封装成一个可运行系统，能够对输入的模 拟数据信号进行采集，并希望将现场采集到的实时数据通过以太网直接传送到内嵌的w 曲 页面上。本文研究工作的重点有以下几个方面。 ( 1 ) 深入分析f p g a 特性，利用x i l i n x 公司提供的设计软件用硬件设计语言设计一个 专门为处理实时数据的m i c r o b l a z ei pc o r e 。本系统硬件部分由m i c r o b l a z e 、i l m b 总线、 d l m b 总线、b r a mm e m c 、b r a m 、1 0 1 0 0 e t h e r n e t 、m d m 调试模块、g p i o 接口、u a r t 串口、o p b t i m e r ( 时钟控制器) 、a d c ( 数模转换控制器) 、以及o p b 总线等i pc o r e 组成。 ( 2 ) 深入了解嵌入式操作系统的特性，从而实现将嵌入式操作系统往f p g a 上的移植。 ( 3 ) 针对数据采集系统在实际应用中的需要，为了能够收集、存储、显示采集的数据， 还要做必要的上层软件设计，通过l i n u x 下的s o c k e t 编程、c g i 程序设计和f l a s h 技术的 应用，最终实现远程监测系统。 1 4 本文组织结构 全文共分六章，详细说明了基于以太网的嵌入式数据采集系统的软硬件设计和实现过 程。各章的主要内容如下： 第一章为绪论。首先引入了课题的研究背景，然后介绍了数据采集系统的国内外研究 概况，最后指出课题的主要研究内容。 第二章为数据采集系统功能需求和总体架构总体设计方案的介绍。对系统的总体功能 系统及其需求进行了分析，探讨了系统的总体架构，给出了系统软硬件架构，并对底层软 件即驱动程序和嵌入式操作系统进行了设计。 第三章为现场可编程门阵列的介绍。介绍了f p g a 的特点、设计流程、设计及仿真工 具，最后对开发f p g a 所用的硬件描述语言进行了介绍。 第四章为数据采集系统上层软件的实现。对系统的上层软件进行了详细设计，重点设 计了系统的嵌入式w e b 服务器、嵌入式数据库s q l i t e 。 第五章为数据采集系统远程监测技术实现关键的研究。利用c g i 程序实现了w e b 浏览 器与w e b 服务器之间的交互，开发了f l a s h 结合c g i 的动态网页程序，利用f l a s h 的无状 态刷新机制解决监测页面的闪烁问题。通过u d ps o c k e t 网络数据通信技术实现了远程监测 端与监测装置之间的数据通信。采用多线程编程提高了监测页面的显示速度和控制命令的 执行效率，最终较好地实现了远程实时监测。 第六章为总结与展望。总结了本文所做的工作，并提出课题尚待深入和继续研究的内 容。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章数据采集系统功能需求及总体方案 2 1 系统功能需求分析 本系统的实现目标就是使用户在通过身份验证后，在网络的各个地方通过浏览器或者 其他客户端软件来监测设备的运行动态情况，可以在线对设备进行实时监测，系统通过对 设备的历史运行信息进行分析来评估设备的性能，根据评估的结果对设备提出预反应式的 维护。本监测系统要实现的技术性能指标如下： 1 系统同时也充当网络服务器，将信号转换、采样及t c p i p 通信等功能集成到一块， 所以装置结构简单、尺寸微小、价格低廉。 2 数据发布及时、可靠，刷新速度快，保持和现场的同步。 3 客户端可做到无需任何额外程序，通过w e b 浏览器就能对设备进行监测，使系统 不受平台限制，广泛适用。 4 友好的图形化人机界面，具备数据显示、数据查询、报警显示等多项功能，提供丰 富、形象的数据显示形式，如实时波形图、虚拟仪表等。 5 用户的管理：赋予不同用户不同的权利，使得不同级别的用户可进行不同的操作。 6 配置与维护：有权限的用户应可以进行参数的配置，例如：数据采集通道选择、电 流电压单位选择等。高级用户可登陆设备状态监测网站，对各个数据库及服务器端程序进 行管理维护。 系统各模块功能如下： 用户管理模块用于对使用本系统的用户进行管理，进行用户身份认证和系统操 作权限管理。 系统设置模块用于对系统本身各个参数、全局变量等的设置和管理，如数据通 信环境变量的设置等。多通道选择用于对实际传感器以及采集现场设备的信号进行多路采 集和采集通道切换，同时也使输入输出通道任务清晰明确。 监测控制模块一用于对监测通道的数据采集、波形图显示、数值显示的启动和停 止。 监测警报模块用于对时域信号设置预警报警系数或预警报警曲线，在频域设置 预警和报警频带，当信号超越界限时发出预警或报警信息。 数据存储模块用于把实时信号及预警和报警信息保存在数据库或者文件中，供 以后进行各种历史数据分析和报警确认处理。 监测数据通信模块用于向远程用户和局域网用户提供数据通信接口。 本系统的主要功能是实现远程用户对现场设备运行情况的掌握。在对设备进行监测的 过程中，首先应处理好整个系统的数据流。本系统的数据流分为两种，一种是数据采集参 数信息流，另一种是实时状态信息流。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 数据采集参数信息流 数据采集参数信息流主要是实现以下两个功能： ( 1 ) 初始化数据采集系统 通过数据采集程序来初始化各个采集通道的参数，采集频率。 ( 2 ) 通道配置参数查询和设置 可以查询、设置各个通道参数配置表，得到当前各个通道的一级和二级门限值、比例 和偏移的值、采集频率等。 2 实时状态信息流 ， 通过远程监测来获得设备各个监测通道的实时数据，如振动、位移、温度、电流、电 压等设备运行信息。 系统数据流图如图2 1 所示： 用尸 图2 1 系统数据流图 2 2 系统总体架构设计 图2 2 给出了一个相对完整的基于以太网的嵌入式数据采集系统模型结构【1 6 】。本系统 据此模型结构抽象微缩化成三层： 现场设备层：包括多个现场数据采集单元。主要完成现场数据的检测、采集和传送。 控制层：完成前端数据的处理与保存，并实现服务器功能，可以通过i n t e r n e t 接口以 w e b 浏览的方式与远程监测端通信。 i n t e r n e t 网络层：通过h u b 集线器、交换机、路由器完成整个系统的信息收集和发布， 即通过访问位于现场的所有数据采集设备中的w e b 服务器，把位于监测之下的所有现场 数据采集单元的数据信息做全球发布，使位于办公室的管理者和各个生产部门只需安装一 个w e b 浏览器，如i e 等，就可以通过w e b 浏览的方式直观地看到现场的设备工作状态。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 擎嚣奄鸯孵累 向向藩崔皇黛。l l l “撼髫铲“j ! 毳。茹：五 图22 基于以太罔的数据采集系统结构模型 这种层次划分的优势是应用程序运行在w e b 服务器和嵌入式操作系统上，用户不直 接和数据采集系统的硬件打交道，只通过w e b 服务器进行数据控制和采集等操作，这样 用户界面简单统一，后端控制数据设备、采集设备的改变都不需要调整用户前端，系统维 护升级方便，同时，对客户机要求不高，大大降低了成本。 本文设计开发了此系统的核心，主要包括两个模块：数据采集和存储模块和远程监测 服务器模块。采用分布式监测上、下两级结构 ”】。上缓应用层进行状态监测任务下级 系统层机完成数据采集。上下级的工作流程是：系统层实现数据采集和简单处理，然后传 送到应用层主控模块，由主控模块对处理后的数据进行存储。将数据通过 n t c r n e t 传送到 远程监测端。数据采集与嵌入式模块之间的数据通讯通过t c p f l p 实现，如图2 3 所示： f l a s h 监测软件 必坐塑 ，j 唧秽厂一丽丽 s o c k e t 厂_ i 一一= _ ，二一= _ 2 堕坚型j w e b 浏览器 h 1 t 怫 0 t c p i p 协议、 数据库应用层 ! 陌两酉i 磊石i 一压菊磊i 磊丽一； 泵磊酾磊硐 系统层 图2 j 分布式系统通讯模式圉 2 3 嵌入式系统硬件设计 嵌入式系统的硬件部分，包括微处理器、存储器及外设器件和端l ：i 等，从而实 现对众多上层应用的底层硬件支持。在数据采集系统中，硬件的功能是控制高速a d 转换 器完成现场数据采集，并将数据存储在高速大容量缓存中。缓存中的数据经嵌入式处理器 完成所需要的处理之后，以同定格式存储在系统b l o c kr a m 或永久性存储介质中。图 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 为硬件平台功能流程图。 二 匿 一丫一 设备初始化 启动a d c 数据采集 ， 一 厂1 i f o 凄冲数再_ j r 数据存入b l o c kr a m 图2 4 硬件平台功能流程图 本设计采用的硬件平台式x i l i n x 公司的x c 3 s 5 0 0 es p a r t a n 3 e ，它是一款针对低功耗 低成本的解决方案而提出一款f p g a 器件。虽然是走运用低成本低功耗的技术开发路线， 但其内部的各个功能一应俱全。s p a r t a n 3 e 系列f p g a 基于v i r t e x e 架构，提供了5 0 万门 的f p g a 密度，提供了常用的1 8 种i o 接口标准，从简单的p c i 总线控制器接口、p s 2 控制器接口、u s b 控制器接口、l c d 控制器接口、v g a 显示控制器到可以扩展价格低廉 的d d r 控制器接口；存储器方面有1 6 m b i t 串行f l a s h 、1 2 8 m b i ts t a r t f l a s h 、2 5 6 m b i td d r s d r a m ；在嵌入式开发方面，s p a r t a n 3 e 集成了基于r i s c ( 精简指令集) 的3 2 位m i c r o b l a z e 处理单元，8 位p i c o b l a z e 嵌入式控制器单元。它可以通过设置n o rf l a s hp r o m 来选择 f p g a 的多种启动方式。由于其硬件体系结构设计采用高速的接口技术和总线规范，具有 较高的i o 能力，这为系统在以太网下进行高速的数据传输提供了良好的基础，其网络特 性打破地域限制，使终端设备的管理走向集中，更具实时性，可以随时随地通过网络监控 终端设备，目前己被广泛应用于各种工业控制系统中。 2 3 1m i e r o b l a z e 软i p 处理器 i p 字面意思是知识产权，在微电子领域，具有知识产权的功能模块称为i p 核。可 以用来生成a s i c 和p l d 逻辑功能块，口核可以有很多种，如u a r t 、c p u 、以太网控制 器、p c i 接口等。根据i p 核描述的所在集成电路的设计层次，口可以分为硬i p 、软i p 、 固口。硬i p 的芯片中物理掩膜布局已经得到证明，所有的验证和仿真工作都已经完成， 用它可以直接生产硅片，系统设计者不能再对它进行修改。而软i p 是以行为级和r t l 级 的v e r i l o g 或v h d l 代码的形式存在，它要经过逻辑综合和版图综合才能最终实现在硅片 上。固口则介于两者之间。 x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 3 2 位软处理器核支持由i b m 开发的片上总线通信链 c o r e c o n n e c t 技术，该技术能够使多个芯片核相互连接成为一个完整的新芯片，最终完成 可编程系统芯片( s o p c ) 的设计。c o r e c o n n e c t 总线架构如图2 4 所示。它包括片上外围总线 ( o p b ) ，处理器本机总线( p l b ) ，设备控制寄存器( d c r ) 总线以及1 个总线桥和2 个判优器。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图2 5c o r e c o r m e c t 总线架构 使用e d k ( 嵌入式开发套件) 可以进行m i c r o b l a z ei p 核的开发。开发套件中集成了硬件 平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试工具等。e d k 中 提供一个集成开发环境x p s ( x i l i n xp l a t f o r ms t u d i o ) ，以便使用系统提供的所有工具， 完成嵌入式系统开发的整个流程。e d k 中还带有一些外设接口的i p 核，如l m b 、o p b 总线接 口、外部存储控制器、s d r a m 控制器、u a r t 、中断控制器、定时器等。利用这些资源，可 以构建一个较为完善的嵌入式微处理器系统。 利用m i c r o b l a z e 构建基本的嵌入式系统如图2 6 所示。通过c o r e c o n n e c t 技术利用 标准总线接口l m b 总线和o p b 总线，m i c r o b l a z e 就可以自动和i l m b 总线，d l m b 总线，b r a m m e m c ，s d r a mm e m c ，b r a m ，1 0 1 0 0 e t h e r n e t ，m d m 调试模块，g p i o 接口，u a r t 串口，o p bt i m e r ( 时钟控制器) 各种外设相连。 巨习 图2 6m i c r o b l a z ei p 核架构图 e d k 中提供的i p 核均有相应的设备驱动和应用接口，使用者只需利用相应的函数库， 就可以编写自己的应用软件和算法程序。对于用户自己开发的i p 核，需要自己编写相应 的驱动和接口函数。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 2 外围部件 x c 3 s 5 0 0 es p a n a n 3 e 还提供了双通道4 位模拟信号放大控制器( a m p ) 、1 6 路1 2 位模 拟数字转换器( a d c ) 、1 路1 6 位数字模拟转换器( d a c ) 、1 0 1 0 0m b p s 以太网控制器、 r s 2 3 2 串口控制器、i d e 接口、v g a 显示接口、l c d 接口、u s b 接口等。在f p g a 丰富 的资源上，系统进行了必要的配置和扩展： 1 系统通过1 6 路1 2 位a d c 接口对设备的电压或电流信号进行采集：支持单、双极 性电压信号，输入范围：1 0 v - 1 0 v 、5 v 5 v 、叽l o v ，输入电流信号为标准和2 0 m a 电流 信号。 2 f p g a 内嵌l o m l o o m b p s 以太网m a c ，以太网m a c 是o s i 参考模型中界于物理 层( p h d 与逻辑链路层( l l c ) 之间的m a c 子层的硬件实现，支持m i i ( m e d i ai n d e p e i l d e n t h t e 血c e ) 和r m i i ( r e d u c e dm e d i ai n d 印e i l d e n ti n t e r f a c e ) 模式的数据传输。f p g a 外接了一块 物理层芯片，用于支持以太网通讯。 硬件结构如图2 7 所示： 晤j 订 l 藁鸶 爿陬筷1 高i 压力f 厂 l 7 u 转块门 l 流屉j 匝砑甬口爿 图2 7f p g a 数据采集硬件架构图 暮 祷 2 4 嵌入式系统软件设计 2 4 1 嵌入式开发环境的建立 嵌入式系统软件的开发，必须建立起一个配套的开发环境，此开发环境包括操作系统 配置工具、编译环境、下载工具和调试环境，并通常由主机系统和目标系统两部分组成。 目标系统在这里就是由x c 3 s 5 0 0 es p a r t a n 3 e 及其软件系统构成的嵌入式应用系统。主机 系统一般是指由p c 机及其软件开发平台。 常见的嵌入式操作系统的主机软件开发平台是基于l i n u x 的开源操作系统。其优势在 于，交叉编译环境使用的主机系统和目标系统的操作系统保持一致，即主机和目标系统都 使用l i n u ) 【内核，这在编译l i n u x 内核的时候比较有利，可以直接利用交叉编译器对通用 的l i n u x 内核进行编译，编译完毕之后就能直接在目标系统上运行【2 0 】。 但在l i n u x 系统下，一些软件如代码编辑工具和网络连接软件等，仍然没有w i n d o w s 下的方便易用，而频繁的重启切换操作系统也很麻烦而且浪费不少时间。为了解决这个问 题，本文在开发过程中使用了虚拟机，通过交叉串口线和同轴电缆，可使用各种工具便利 地将主机、虚拟机、x c 3 s 5 0 0 es p a n a l l 3 e 三者连接起来。这样，在这种开发环境下，嵌 入式“n u ) 【软件开发的流程如图2 8 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 j 虻) 图2 8 嵌入式“n u x 开发流程 建立好嵌入式开发环境，就可以进行系统的软件开发了。 2 4 2 系统软件架构 本系统中软件的功能是通过以太网接口和嵌入式操作系统的软件支持，将硬件部分构 建成为一个w e b 服务器，采用动态网页的形式完成远程浏览器端对所采集的数据的实时 访问，并且可以在浏览器端修改数据采集系统的控制参数，控制参数经网络传送至w e b 服务器，w e b 服务器将用户修改后的控制参数交给控制程序，控制程序根据得到的参数控 制整个数据采集系统，从而完成仪器的远程监控，实现了设备的网络化访问。根据这种特 性本系统的软件设计分为底层软件设计和上层软件设计。其中，底层软件包括设备驱动程 序和嵌入式操作系统，上层软件包括w e b 服务器、s q l i t e 数据库。在此软件架构基础上开 发数据采集程序、远程监测程序和f l a s h 动态网页程序。整个软件结构如图2 9 所示。 一黜蝴酾!一蝴一赫一一一 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 卜困 产 j 多 匹丑笸 j e l 图2 9 软件架构图 2 4 j 设备驱动程序 设备驱动程序是用户应用程序访问外部设备的接口【2 1 1 。它像一个个独立的“黑盒子， 使某个特定硬件响应一个定义良好的内部编程接口，这些接口完全隐藏了设备的工作细 节。用户的操作通过一组标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。将这些 调用映射到作用于实际硬件的设备特有操作上，则是设备驱动程序的任务。这个编程接口 能够使得驱动程序独立于内核的其他部分而建立，必要的情况下可以在运行时“插入内 核。 驱动程序开发过程与标准l i n u x 的驱动程序丌发没有本质的区别。在基于l i n l l ) 【内核 的系统中，因为有设备驱动程序的存在，对应用程序看来，硬件设备就像一个文件，应用 程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。同时，设备驱动程序是内核的一部分， 它完成以下的功能：对设备初始化和释放；把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；检测和处理设备出现的 错误。图2 1 0 表示了驱动程序与硬件系统的关系及其在内核中所处的地位【2 2 1 。 莘 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 直i 盏i1 奎卤庄竖! 竺i 竺罡上 丫 内存 内核 磁盘和c d 等控制台等网络接口硬件 图2 1 0 驱动程序与硬件系统的关系 1 设备驱动程序分析 在基于l i n u x 内核的操作系统中，外部设备分成三种类型：字符设备、块设备和网络 接口设备【2 3 1 。 a 、字符设备 字符设备是个能够像字节流( 比如文件) 一样访问的设备，由字符设备驱动程序来实 现这种特性。这样的驱动程序通常会实现o p e n ，c l o s e ，r e a d 和w r i t e 系统调用。通过文件 系统节点可以访问字符设备，例如串e i d e v t t y l 和打印f o q , d e v l p l 。字符设备和普通文件系 统间的唯一区别是：普通文件允许在其上来回读写，而大多数字符设备仅仅是数据通道， 只能顺序读写。当然，也存在这样的字符设备，看起来像个数据区，可以来回读取其中的 数据。 b 、块设备 块设备通常是指以块为单位进行读写的设备，如硬盘、光盘等设备。块设备也是通过 d e v 目录下的文件系统节点来访问。块设备( 例如磁盘) 上能够容纳文件系统。块设备和 字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式，也就是内核和驱动程序的接口不同。 块设备除了给内核提供和字符设备一样的接口外，另外还提供了专门面向块设备的接口， 块设备的接口必须支持挂装文件系统。文件系统可能是除驱动程序外l i n u x 系统中最重要 的模块类型，与块设备驱动程序联系紧密。 c 、网络接口设备 任何网络事务都要经过一个网络接口，即一个能够和其它主机交换数据的设备。通常 接1 3 是个硬件设备，但也可能是个纯软件设备。 网络接e l 由内核中的网络子系统驱动，负责发送和接收数据包，【2 4 1 它不用了解每项事 务如何映射到实际传送的数据包。内核和网络