（计算机软件与理论专业论文）嵌入式数据采集和频谱分析技术研究.pdf

北方交通大学硕士论文摘要 摘 要 丫5 8 8 1 , 7 0 随着信息技术的飞速发展，人们需要能够准确、快速和便捷地获得 大量数据并能从中迅速提取出有用的信息。近年来，随着微电子技术飞 速发展，嵌入式计算机正在深入应用到工业、农业、教育、国防、科研 以 及日 常生活等各个领域。将嵌入式计算机技术与数据采集技术及数字 信号处理技术结合起来，构成一种体积小、便于携带、易于网络化、造 价相对较低，集信号采集、处理、存储和显示为一体的设备具有广泛的 应用前景。 本论文从现代数据采集和处理系统便携化和网络化的发展趋势着 手，分析了嵌入式技术在数据采集和频谱分析应用中的优势和意义。采 用嵌入式l i n u x 作为操作系统， 针对m o t o r o l a 公司的m c 6 8 v z 3 2 8 和c ir r u s l o g i 。 公司的e p 7 3 1 2 c a r m 7 系列) 两种嵌入式处理器， 设计了 数据采 集电路和接口控制电路。在分析系统软硬件资源的基础上，编写了数据 采集和处理的应用程序，实现了用于频谱分析的f f t算法，研究了嵌入 式系统应用程序的编程方法和设备驱动程序的设计问题。 设计的数据采集电路具有放大、滤波、采样等功能。采用了双f i f o 存储结构，有效地保证了模/ 数转换器4 0 mh z 采样频率。通过c p u的接 口电路设计，实现了信号的幅值控制和采样频率控制。 编写的应用程序实现了数据采集、 存储和显示等功能，具有灵活的 操作性。 在软件设计中， 利用了l i n u x 操作系统的多任务特性， 实现了各 个功能模块在宏观上的并行处理，提高了系统运行效率。 采用5 1 2 点时间抽取 ( d i t ) 基2 f f t算法对所采集的信号进行了频 谱分析，研究了提高f f t运算速度的方法。 实现了在e p 7 3 1 2 和嵌入式l in u x 平台系统下彩色l c d设备的驱动， 论述了设备驱动的工作原理，并总结了开发中所应遵循的原则和方法。 论文对进一步开发针对工业、国防、医疗等各个领域具体应用的网 络化数字存储仪、频谱分析仪和相应的手持式仪器奠定了坚实基础。 关 键 词 :嵌 入 式 系 统数 据 采 集f f t 设 备 缈 月 :二、1 1 北方交通大学硕士论文摘要 abs tract wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , l a r g e a m o u n t o f d a t a , fr o m w h i c h t h e u s e f u l i n f o r m a t i o n c a n b e d e r i v e d , n e e d t o b e o b t a i n e d a c c u r a t e l y , c o n v e n i e n t l y a n d t i m e l y . i n r e c e n t y e a r s , e m b e d d e d c o m p u t e r h a s b e e n u s e d i n m a n y f i e l d s s u c h a s i n d u s t ry , a g r i c u l t u r e , e d u c a t i o n , n a t i o n al d e f e n s e , s c i e n t i f i c r e s e a r c h a n d d a i l y l i f e . t h e c o m b i n a t i o n o f t h e e m b e d d e d s y s t e m , t h e t e c h n o lo g y o f t h e d a t a c o l l e c t i o n a n d d i g i t al s i g n a l p r o c e s s i n g l e a d s t o a t a s k t o d e v e l o p a s m a l l a n d p o rt a b le d e v i c e , w h i c h h a s f u n c t i o n s o f th e d a t a c o l l e c t in g , p r o c e s s in g , s t o r i n g a n d d i s p l a y i n g . i t c a n a l s o b e n e t w o r k e d e a s i l y a n d o f l o w c o s t . t h e r e s e a r c h h a s a n i m p o r t a n t m e a n i n g a n d a b r i g h t p r o s p e c t o f b e i n g u s e d w i d e l y . t h i s p a p e r t o o k t h e m a tt e r d i s c u s s e d a b o v e a s it s a p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d f r o m t h e t r e n d o f i n t e l l i g e n c e , p o rt a b le a n d n e t w o r k e d d e v e l o p m e n t o f m o d e m d a t a c o l l e c ti o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m , t h e p a p e r a n al y z e d t h e a d v a n t a g e s o f a p p l y i n g t h e e m b e d d e d c o m p u t e r t e c h n o l o g y t o d a t a c o l l e c t i o n a n d fr e q u e n c y s p e c t r u m a n a l y s i s f i e l d . t h e e m b e d d e d l i n u x o p e r a t i n g s y s t e m i s u s e d . t h e m o t o r o l a m c 6 8 v z 3 2 8 a n d c i r r u s l o g i c e p 7 3 1 2 ( a r m7 s e r i e s ) a r e s e l e c t e d a s t h e c p u o f t h e s y s t e m . a t t h e s a m e t im e , t h e s a m p l i n g c ir c u i t a n d i n t e r f a c e c o n t r o l c ir c u i t w e r e d e s i g n e d . t h e a p p l i c a t io n p r o g r a m s o f d a t a c o l l e c t i o n a n d p r o c e s s i n g w e r e d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e r e s o u r c e o f t h e s y s t e m . t h e f f t a l g o r i t h m w a s r e a l i z e d . t h e l i n u x d e v i c e d r i v e r s we r e r e s e a r c h e d . t h e u n i v e r s a l me t h o d s v a l i d i n t h e s i mi l a r wo r k we r e a l s o d i s c u s s e d . t h e d a t a c o l l e c t i o n c i r c u i t h a s t h e f u n c t i o n s o f a m p li f y i n g , f i l t e r i n g a n d s a m p l i n g . t h e d e s i g n u s e d t w o f i r s t i n f ir s t o u t m e m o ry t o b u i l d a b i n - m e m o ry m o d u l e t o g u a r a n t e e t h e s a m p l i n g r a t e o f t h e 4 0 m h z a d c . t h e s a m p l i n g r a t e c o n t r o l a n d a m p l i t u d e c o n t r o l w e r e a c c o m p l i s h e d t h r o u g h t h e i n t e r f a c e c i r c u i t d e s i g n . t h e f u n c t i o n s o f d a t a s t o r e a n d d i s p la y w e r e a c h i e v e d a n d h a v e s o m e f l e x i b i l i t y . i n t h i s d e s i g n , m u l t i t a s k i n g w a s u s e d i n t h e s o ft w a r e . a l l t h e t a s k s w e r e r u n n i n g i n t h e p a r a l l e l w a y i n o r d e r t o p r o m p t t h e w o r k i n g c a p a b i l i t y . 一一一 2 北方交通大学硕士论文摘要 t h e 5 1 2 - p o i n t d l t 2 f f t a l g o r i t h m w a s r e a l i z e d勿 s o f tw a r e a n d t h e w a y s t o p r o m p t t h e o p e r a t i o n r a t e w e r e in v e s t i g a t e d . t h e s y s t e m h a s a c o l o r l c d . t h e d e v i c e d i v e r w a s c o n d u c t e d u n d e r t h e e m b e d d e d l i n u x o p e r a t i n g s y s t e m a n d e p 7 3 1 2 . t h e w o r k i n g f u n d a m e n t a l s o f t h e d r i v e r w e r e d i s c u s s e d a n d t h e p r i n c ip l e s a n d m e t h o d s w e re s u m m a r i z e d . o n t h e b as i s o f t h i s p a p e r , t h e p o r t a b l e d e v i c e s s u c h a s n e t w o r k e d d i g i t a l s t o r a g e d e v i c e a n d fr e q u e n c y s p e c t r u m a n a l y z e r c a n b e d e v e l o p e d f u r th e r . k e y w o r d s : e m b e d d e d s y s t e m d a ta c o l l e c t i o n f f t d e v i c e d r i v e 一 _ 3 北方交通大学硕士论文第一章综述 第一章综述 1 . 1嵌入式系统简介 嵌入式系统 ( e m b e d d e d s y s t e m s ) 是以 应用为中心，以 计算机技术为 基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等综合性严格要求的专用计算机系统。近年来，随着芯片制造技术、通 信技术和网络技术等快速发展，嵌入式系统诸多方面也有突飞猛进的发 展，大约9 0 %的商用微处理器最终是被用在了嵌入式系统上。 芬 1 . 1 . 1嵌入式系统的发展阶段 嵌入式系统的硬件和软件的发展是紧密结合的，它以硬件发展为主 导，软件发展为标志。根据划分的标准不同，嵌入式系统的划分也不尽相 同，以嵌入式操作系统的出现与否，嵌入式系统的发展可以简单地划分为 两个阶段: 第一阶段不存在嵌入式操作系统， 是嵌入技术发展的初期阶段。这一 阶段的主要标志是以专用的单片机或其它可编程器为硬件支撑， 简单的程 序循环为实现任务的主要方法。早期的微处理器都是4 位或8 位，软件一 般多是用汇编语言编写， 有时也直接用机器指令码编写，有的专用微处理 器甚至是由厂家提供特定的代码指令，软件一般不能移植和升级。这一时 期的嵌入式系统功能单一，实现的任务简单。 第二阶段是以嵌入式操作系统的出现为标志的嵌入式系统全方位发 展阶段。随着计算机硬件的发展，出现了1 6位、3 2位甚至6 4位等高性 能微处理器，如 a r m. p o w e r p c等，用户对嵌入式技术的要求越来高， 实现的任务也越来越复杂， 简单的循环控制己不能满足任务要求， 相应的 嵌 入 式 操作 系 统 ( e m b e d d e d o p e r a ti n g s y s t e m s ) 就出 现了 。 近年 来， 随 着 v l s i ( v e ry l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n )设计技术的成熟和 a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c h i p )芯片的大量应用，出现了用 v h d l ( v e ry h i g h s p e e d i n t e g r a t e d c i r c u i t h a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 硬件描述语言将一个嵌入式操作系统或一个嵌入式操作系统和部分应用 一. ，份 ，. .口 .， ， 月， ， b 北方交通大学硕士论文第一章综述 程序集成到一块或几块芯 片中去的 技 术， 也即 所谓的 s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 技术日 渐成熟， 实 现的 功能 越 来越强。 这标志着一个更为复杂的 嵌入式系统时代已来临。 那. 1 . 2嵌入式系 统的 特点 嵌入式系统一般具有以下特点: 由于嵌入式系统是面向具体应用的，是在特定领域内完成特定功能 的专用计算机系统，所以往往不需要大量的外围器件，在体积上，功耗 上有其自 身的优势。 嵌入式系统的硬件必须高效率地设计，量体裁衣，力争在同样的硅 片面积上实现更高的性能。另外，尽管半导体技术的发展使处理器速度 不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍 然是宝贵的，为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二 进制代码长度、 提高执行速度。 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系 统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身 中，而不是存贮于磁盘等载体中。 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的 合理调度是保证每个任务及时执行的关键，这种任务调度只能由 优化编 写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是十分重要的。 嵌入式系统与外界的接口设备是针对具体应用的设备，往往具有特 殊性，不同的应用领域之间差别很大。新的嵌入式系统为适应嵌入式分 布处理结构和网络需求，往往配备标准的一种或多种网络通信接口，同 时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应 用软 件的 特定编程模式， 如w e b 或无 线we b 编程模式， 还需要相应的浏 览器，如h t m l , wml等。 1 . 1 .3嵌入式系统的应用 嵌入式系统是一种专用技术，它的目的就是要把各种应用变得更简 单、更方便、更普遍、更适用。 嵌入式系统在应用数量上已经远远超过了各种通用计算机，一台通 -一一一一-一-一-一一一一 z 北方交通大学硕士论文第一章综述 用计算机的外部设备中就包含了5 -1 0 个嵌入式微处理器。 在制造工业、 过程控制、网络、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事 装各等方面均是嵌入式计算机的应用领域。在个人消费产品领域中，目 前嵌入式设备主要有掌上电脑、智能手机等。其中，智能手机除了提供 比普通手机更为人性化的应用外，还提供了网络浏览、收发邮件和查看 电子地图等功能。 嵌入式系统技术的高度发展，也给测量与仪器技术带来了前所未有 的发展空间和机遇，为数据采集的微型化、网络化铺平了道路。 1 . 2数据采集和处理技术的发展 数据采集是指将温度、压力、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，数据采集系统也得到快速的应 用和发展。在生产过程中，需要对生产现场的工艺参数进行采集、监视 和记录，以便提高产品的质量，降低成本。在科学研究中，应用信号采 集系统可以获得大量的有用信息。在现代科学技术不断应用于日常生活 的今天，数据采集技术也为创造一个更加舒适、健康的生活环境，提高 生活质量发挥重要作用。 数据采集系统的任务，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。数据采集的最终目的是要从采集到 的关于被测对象的大量数据中提取出 有用的， 反映被测量特征的信息来， 这就需要对数据进行处理。数字信号处理技术是利用计算机或专用处理 设备，以数值计算的方法对信号进行变换、综合、估值与识别等加工处 理，借以达到提取信息和便于应用目的的一种技术。 肚.2 . 1数据采集和处理的智能化、 便携化发展趋势 自 从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到数据采集、处理领 域之后，该领域的面貌发生了日 新月异的变化。相继出现的包含数据采 集、处理功能的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器，都无一 例外地利用计算机的软件和硬件优势，既增加了系统功能，又提高了技 8 北方交通大学硕士论文第一章 综述 术性能。 近年来， 新型微处理器由于采用流水线、 r i s c结构等先进技术， 极大地提高了 计算机的 数值处理能力和速度。数 据采集与处理与计算机 技术紧密的结合，己是当前该领域发展的主潮流。配以相应的软件和硬 件，计算机能够完成许多仪器、仪表的数据采集、数据处理及其它功能。 这样，一台计算机实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。因此，有 人提出了“ 计算机就是仪器” 、 “ 软件就是仪器”的概念。 在数据采集和数字信号处理的许多应用领域中，对于便携式多功能 的智能设备的需求越来越大。例如，在医疗领域中，便携式的心电图分 析仪可以为医生提供更加方便、快捷和准确的服务，它能使医生在第一 时间掌握病人的病情，并进行记录，挽救病人的生命。 在工业应用中， 便携式的数据采集和处理设备是工作人员的有效检测工具。它不但能准 确记录被测对象的变化情况，还可以 进行数据分析，并从中提取有用信 号，有时甚至能够得出检测结论，进而直接调整系统，杜绝隐患。这种 便携式和智能化的数据采集和处理技术有以下优点:首先，它可以将数 据的采集、处理、分析等多种功能集于一体，实现软硬件方面的资源共 享。其次，便于操作和携带的特点使采集方式更加灵活和及时。另外， 采集的数据可以 方便存储，可实现数据的快速显示和传输。最后，该类 设备便于组合，功能扩展性好。 2 .2 . 2数据采集和处理的网络化发展趋势 近1 0 年来，以i n t e rn e t 为代表的网络技术的出 现， 为数据采集、 测量 及仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化数据采集技术与 具备网络通讯功能的新型采集、处理系统应运而生。把t c p / i p 协议作 为一种嵌入式的应用， 嵌入到现场智能仪器中， 使信号的收、 发都以t c p / i p 方式进行， 这样，测控系统在数据采集、信息发布、系统集成等方 面都以i n t e m e t 互联， 便于实现测控网和信息网的统一， 形成具有开 放性、 可互操作性、分散性、网 络化、智能化的系统，在这种系统中，传统仪 器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可传输至网络所及的任何领 域，实时、动态 包括远程)的在线测控成为现实。这类网络将有与信 息网络相似的体系结构和通信模型。但网络的功能将远远大于系统中各 独立个体功能的总和。 例如，在这种网络系统中，可以实现高档采集、测量设备以及信息处理 一 一一 一 一 ， 9 北方交通大学硕士论文第一章综述 的地区性、全国性乃至全球性资源共享，可以实现远程设备的故障诊断 和控制等功能。 1 .2 .3嵌入式技术应用于数据采集和处理领域中的优势 在数据采集和信号处理的智能化、网络化的发展趋势下，出现了许 多适应发展要求的新技术，其中得到了广泛应用的虚拟仪器技术具有一 定的代表性。 虚 拟仪器的 概念是美国n i 公司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 在2 。 世纪8 0 年 代中期提出来的。所谓虚拟仪器是以通用计算机作为仪器统一的硬件平 台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智 能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，是一种充 分利用计算机智能资源的全新仪器系统。系统中数据分析和结果输出完 全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采 集硬件，就可构成基于计算机的能够满足应用要求的新系统。与传统仪 器相比，虚拟仪器有许多优点:对采集、测试量的处理和计算可更复杂， 并且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存 储和交换测试数据，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家 定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的 应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何 使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体 现了”软件就是仪器” 的设计思想。 一般的具有数据采集、处理、存储和显示功能的虚拟仪器系统由被 测对象、数据采集卡、p c机及其相应软件构成。目 前大多数虚拟仪器都 是采用l a b v i e w( l a b o r a t o ry v i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h - 实验室虚拟仪器工程平台 ) ，在这种基于图形 化编程语言的开发环境中， 通过三种编程语言v i s u a l c + + , v i s u a l b as i c 和 l a b v i e w 可以编写相应的 应用程序，完成对系统的控制。虚拟仪器充分利用了现有计算机的总线、 接口、电源及软件资源，可以方便地利用成熟的各种网络技术，实现采 集、处理的网络化要求。 虚拟仪器具有许多优点，但也存在着不足。例如，虚拟仪器系统在 使用中受到p c机箱和总线限制， 且有电源功率不足，机箱内部的噪声 电平较高，插槽数目 不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点影响。 一 一 一. 一一， 一 一加一一-. ，-. 一一一 1 0 北方交通大学硕士论文第一章 综述 而且，目前l a b v i e w软件价格昂贵， 使得系统的成本较高。 且基于p c的 方式使得该类仪器的 使用空间、 范围 和便携性能受到了一定的限制， 工作 人员不能随时随地的使用虚拟仪器系统。 而由嵌入式技术实现的类似仪器 具有很大的优势。 嵌入式计算机技术具有的耗电低、体积小、可靠性高、灵活方便等优 点，为数据采集和信号处理装置的实现提供了良 好的平台。 在硬件方面，嵌入式微处理器可提供的各种接口资源十分丰富，可根 据需要灵活使用。 在软件方面， 嵌入式操作系统越来越成熟，多任务和实 时的特性得到普遍应用。相应的开发工具支持也更加完善。 在网络方面， 现代嵌入式操作系统和嵌入式c p u都支持t c p / i p 等网 络协议结构嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产 品将成为互联网的主要终端之一。 嵌入式技术目 前的发展速度迅速， 新的软硬件技术层出不穷，使得利 用嵌入式技术开发的产品成本不断降低， 为嵌入式系统在数据采集和处理 技术的应用创造了有利的条件。 娜.3本论文的研究内容 本文研究嵌入式数字采集和信号处理技术所涉及到的软硬件设计问 题。数据采集电路部分能够实现 4 0 m h z采样频率的数字存储示波器的基 本功能。信号处理部分能够实现对所采集的信号进行频谱分析的功能。具 体的研究内容如下: 设计数据采集电 路， 此电 路要便于与m o t o r o l a 公司的m c 6 9 v z 3 2 8 和 c i r r u s l o g i c 公司的e p 7 3 1 2 ( a r m 7 系列)两种嵌入式处理器接q, 具有 放大、滤波、 模数转换功能以及幅值和采样频率控制的功能。 选择嵌入式操作系统， 研究能够实现数据采集、存储和显示等功能的 应用程序设计问 题。 在软件设计中，要考虑操作系统的多任务特性，实现 各个功能模块在宏观上的并行处理，提高系统运行效率。 选择f f t 算法， 实现对所采集的信号进行频谱分析的功能， 并且研究 提高f f t 运算速度的方法。 在研究嵌入式操作系统的设备驱动程序方法的基础上， 设计彩色l c d 设备的驱动程序。 一一一一一 i 之 北方交通大学硕士论文第二章嵌入式数据采集和频谱分析系统方案设计 第二章 嵌入式数据采集和频谱分析系 统方案设计 本章研究嵌入式数据采集和频谱分析系统方案设计问题。 数据采集 的频率为4 0 m h z ，系统具备对所采集的信号进行存储、显示和进行频谱 分析功能。 本章在分析和比较了常用的嵌入式操作系统基础上，阐明了选择嵌 入式l i n u x 操作系统的原因。针对两种常见的嵌入式c p u ，研究了数据 采集电路的实现方案，分析了实现频谱分析所采用的f f t算法的实现问 题。 2 . 1嵌入式操作系统比 较 实现嵌入式数据采集和频谱分析，首先要选择一个适合的嵌入式操 作系统。目前国内外己有几十种商业操作系统可供选择，比如，l i n u x , v x wo r k s , p s o s , n e c u l e u s , p a l m o s和 wi n d o w s c e 等，目 前在我国 应用较多的为l i n u x 和wi n d o w s c e , 解. 1 . 1嵌入式 wi n d o w s c e 操作系统 wi n d o w s c e 是微软开发的一个可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是 适用于掌上电脑类的电子设备的操作系统。 win d o w s c e的图形用户界面 相当出 色。 其中c e中的c代表袖珍 ( c o m p a c t ) 、消费 ( c o n s u m e r ) 、 通信能力 ( c o n n e c t iv i t y ) 和伴侣 ( c o m p a n i o n ) ; e 代表电子产品 ( e l e c t r o n i c s )。wi n d o w s c e是所有源代码全部由 微软自 行开发的嵌入 式新型操作系统， 其操作界面虽来源于wi n d o w s 9 5 / 9 8 ， 但wi n d o w s c e 是基于wi n 3 2 a p i 重新开发的、 新型的信息设备平台。 wi n d o w s c e具有 模块化、结构化和基于wi n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 wi n d o w s c e不仅继承了传统的wi n d o w s 图形界面， 并且在 wi n d o w s c e 平台上可以使用win d o w s 9 8 / 2 0 0 0 / x p 上的编程工具 ( 如v i s u a l b a s i c , 一 - ， ， ， ， 叭 ， 叫 ， 月 月 . 1 2 北方交通大学硕士论文第二章嵌入式数据采集和颇谱分析系统方案设计 v i s u a l c + + 等)。绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在 wi n d o w s c e平台上继续使用。 wi n d o w s c e的设计目 标是: 模块化及可伸缩性、 实时性能好， 通信 能力强大，支持多种c p u 。它可以 满足多种设备的需要，这些设备包括 工业控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，还有像照相机、 电话和家用娱乐器材之类的消费产品。 wi n d o w s c e具有如下特点: 首先，具有灵活的电源管理功能，包括睡眠和唤醒模式。 第二， 使用了 对象存储 o b j e c t s t o r e ) 技术， 包括文件系统、 注册表 及数据库。此外，它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括 按需换页、 共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆 ( h e a p ) 等。 第三，拥有良 好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，支持直接的 局域连接以及拨号连接， 提供与p c 、内部网以及i n t e r n e t 的连接和通信 功能。 第四， 支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而 不是等待低级别的i s r完成。故该操作系统具有嵌入式操作系统所要求 的实时性特点。 第五， 更好的线程响应能力。 对高级别i s t( 中断服务线程) 的响应 时间上限的要求更加严格，通过改进线程响应能力，帮助开发人员掌握 线程转换的具体时间，并通过增强监控能力和对硬件的控制能力帮助他 们创建新的嵌入式应用程序。 第六，具有 2 5 6 个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的 时序安排方面具有更大的灵活性。 第七，wi n d o w s c e的a p i 是wi n 3 2 a p i 的一个子集，支持近1 5 0 0 个w i n 3 2 a p i 。有了 这些a p i ， 足可以编写任何复杂的应用程序。 在掌上型电脑中，wi n d o w s c e包含如下一些重要组件:p o c k e t o u t l o o k 及其组件、 语音录音机、移动频道、远程拨号访问、 世界时钟、 计算器、多种输入法、g b k字符集、中文t t f字库、英汉双向词典、袖 珍浏览器、电子邮件、p o c k e t o f f i c e 、系统设置、wi n d o w s c e s e r v i c e s 软件。 一一一 1 3 北方交通大学硕士论文第二章嵌入式数据采集和频谱分析系统方案设计 歼. 1 .2嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x自1 9 9 1 年诞生以来， 其发展日新月异。 嵌入式l i n u x 作为l i n u x 发展的一个新的方向，在嵌入式操作系统领域也有着不俗的表现，正成 为许多商业团体、 机构和个人研究和开发的对象。 嵌入式l i n u x 系统融合 了l i n u x 操作系统和嵌入式系统两者，主要特点如下: 首先，源代码开放。l i n u x 作为一个自由软件，是网络时代的产物， 有着庞大的开发群体，在过去十几年里，其内核不断被修改和优化，为 使用者提供了优异的性能。开放源代码方式使众多开发者可以互享彼此 的成果，降低了开发成本。 第二，具有广泛的硬件支持特性，适用于多种 c p u和外设芯片，具 有很好的可移植性。它不但适用于i n t e l x 8 6 系列微处理器，而且能运行 于a r m, mo t o r o l a 6 8 k , p o w e r p c等多种微处理器上，同时对各类总线 及 c d r o m、显卡、声卡等外设有很好的支持。很多c p u包括家电业的 芯片，都开始做l i n u x的平台移植工作，其移植速度远远超过j a v a的 开发环境。 第三，程序高度模块化，可裁剪性好，并很好地支持多任务和多进 程管理。 第四，有着强大的网络和文件支持功能。l i 二 具有u n i x的所有基 本功能，有着强大的网络支持功能，支持t c p / i p , p p p等网络协议，并 且紧跟网络发展需要。当新的网络标准出现后， l in u x 几乎马上就会支持 它，例如现在l i n u x 就支持i p v 6 ，且比wi n d o w s n t 及s o l a r i s u n i x好 得多。l i n u x 支持e x t 2 , e x t 3 , ms d o s 等 1 7 种文件系统。 第五，有着比较完备的开发工具，突破了i c e ( i n - c i r c u i t e m u l a t o r ) 的开发限制。一般嵌入系统本身没有自 行开发能力，用户通常不能对其 中的程序功能进行修改。在程序设计完成以后，必须利用一套专用开发 调试工具对系统进行维护。 传统的开发调试工具是i c e ， 它能取代目 标板 的微处理器，给目 标程序提供仿真环境。但i c e价格昂贵，增加了嵌入 式 系统的开 发成 本。 而 嵌入式l i n u x 是基于g n u的g c c 编译器来 编译 c / c + + 源程序， 并能用功能强大g d b 调试器来调试源程序。 此外， 还可以 利用更高 级的 调试 工具， 如k g d b 或x g d b 等来 调 试。 这些工具都是免费 的。 第六、 系统运行既健壮又安全。 由于嵌入式系统的运行环境复杂多变， 1 4 北方交通大学硕士论文第二章 嵌入式数据采集和频谱分析系统方案设计 因此要求运行在其上的操作系统具备安全、可靠的特点。 2 . 1 .3嵌入式l i n u x 与wi n d o w s c e的比较 嵌入式 l i n u x o s 与wi n d o w s c e相比， 具有如下优点:第一， l i n u x 是开放源代码的，不在存黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x爱好者都是 l in u x 开发者的强大技术支持者;而wi n d o w s c e是非开放性o s ，使第 三方很难实现产品定制。 第二，l i n u x的源代码随处可得，注释丰富，文 档齐全， 易于解决各种问题。 第三， l in u x 的内核小、 效率高; 而wi n d o w s c e在这方面则占用过多的r a m,应用程序庞大。 第四， l i n u x 是开放源 代码的o s ，在价格上极具竞争力，适合中国国情。而使用wi n d o w s c e 需要版权费用。 第五， l i n u x 不仅支持x 8 6 芯片， 还是一个跨平台的系统。 到目前为止，它可以支持2 0 - 3 0 种c p u 。第六，l i n u x内核的结构在网 络方面是非常完整的，它提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太 网 络，还有无线网 络、 t o k e n r i n g 令牌环) 和光纤甚至卫星的 支持。第 七， l i n u x 在内核结构的设计中，考虑了适应系统的可裁减性的要求， win d o w s c e 在内 核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的 要求。 由于以上几个特点和优势，结合本次设计的要求，在本课题中采用 了嵌入式l i n u x 操作系统。 2 .2可选用的嵌入式处理器 在本次论文设计中，搭建硬件平台时使用了 两种嵌入式处理器，即 m o t o r o l a 公 司的m c 6 8 v z 3 2 8 ( 龙 珠 系列 ) 芯片 和c ir r u s l o g i c 公 司的 e p 7 3 1 2 嵌入式系统芯片。 那.2 . 1处理器简介 mo t o r o l a 公司的mc 6 8 v z 3 2 8 : mc 6 8 v z 3 2 8 是一种主要针对手持设备的3 2 位微处理器，它属于 d r a g o n b a l l ( 龙珠) 系列， 但较之于该系列以 前的产品具有更高的性能， 例 如速度更快、功耗更低，内置l c d控制器，可直接挂接最大6 4 0 x 5 1 2 点阵式图形l c d等，它基于mo t o r o l a f l x 6 8 k核，运行在3 3 mh z 时， 一 -一一-一-一- 1 5 北方交通大学硕士论文第二章嵌入式数据采集和频谱分析系统方案设计 v z 3 2 8 处理能力为5 a mi p s 。主要特性如下所述: . 时钟周期6 0 n s ，工作电压3 . 3 v . 5 4 个1 / o口， 这些端口 大部分是复用的， 可对相应的寄存器进行 设置来改变u o的用途 . 通用异步收发器支持的最高波特率为1 1 5 2 0 0 b / s ，同时支持红外 通讯 . 支持单色 l c d显示屏，支持2 位，4 位和 1 位的数据线接口， 最大支持6 4 0 x 5 1 2 象素的l c d ，具有4 级或 1 6 级灰度显示 c i r r u s l o g i c 公司的a r m e p 7 3 1 2 : a r m即a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s的 缩写。 a r m 3 2 位体系结构目 前 被公认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c微处理器结构。所有a r m处 理器共享这一体系结构。 r i s c指令结构特点如下: . 指令规整、对称、简单。数量小于1 0 0 条，基本寻址方式2 -3 种 . 单周期指令 . 有大量的寄存器 a r m处理器是加载涛储( l o a d / s t o r e ) 体系结构， 这是典型的r i s c结 构的处理器。只有加载和存储指令可以访问 存储器，数据处理指令只对 寄存器进行操作。a r m体系结构v 4 t 及以 上版本定义了称为t h u m b 指 令集的1 6 位指令集。 t h u m b 指令集的功能是3 2 位a r m指令集的功能子 集，t h u m b 在性能和代码密度之间取得了出色的折中。 e p 7 3 1 2 属于a r m 7 系列， 适用于对价位和功耗敏感的消费类应用。 a r m系列具有如下特征: . 嵌入式i c e - r t逻辑 . 非常低的功耗 . 能提供0 .9 m i p s / m h z 的 三级流水线 c ir r u s l o g i c 公司的a r m e p 7 3 1 2 嵌入式系统芯片的主要应用领域 为:手持计算、 个人数字音频播放器和i n t e rn e t 电器设备。e p 7 3 1 2 主要 特点有: . 2 . 5 v下动态可编程的时钟速度为 1 8 . 3 6 . 4 9 和7 4 mh z ， 其性能 可与基于 l 0 0 mh z 的i n t e l 奔腾 p c相媲美 - . 一 一 ， ， 一_ 1 6 北方交通大学硕士论文 第二章嵌入式数据采集和频谱分析系统方案设计 具有 l c d控制器 支持全j a t g边界扫描和嵌入式i c e 2 7 个通用 u o口 2 .2 .2两款嵌入式处理器的对比 以上两种处理器， 均适合于构成数据采集和频谱分析的嵌入式系统 这主要表现在:它们的功耗都很低，这对于研制有便携式特点的系统来 说是十分重要的; 其次， 它们都提