（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统是一种具有特定功能的计算机系统，它与通信技术和网络技术的 结合，极大的增强了设备的网络和通信的灵活性和智能性。随着信息技术的不断 发展和用户需求的不断增长，嵌入式系统逐渐走进国民生产的方方面面，其应用 也日益广泛。在此基础上，将嵌入式系统融入到测控仪器设备的开发无疑将增强 测控仪器的通信、交互、数据处理等能力，并扩展其使用范围。 本文旨在提出一种基于3 2 位嵌入式系统的通用的仪器仪表平台构架。该平台 以$ 3 c 2 4 1 0 为核心，带有丰富的系统资源，包括2 4 1 0 核心系统、具有高分辨率 触摸屏的人机交互设备、大容量f l a s h 存储卡和硬盘接口、u s b 主从接口、1 0 0 m 以太网口、v g a 接口、音频接口等，可以满足各种仪器仪表的交互式操作、存储、 通讯的要求。本文详细介绍了各个功能模块的硬件实现方法。 本文讨论并制定了仪器模块的接口方案，在主系统上可插接各种测量模块而 构成不同功能的仅器。并实现以下高端仪表中所必需的的功能模块：校准用高精 度基准源的产生模块、6 位半数字电压表模块、阻抗特性分析仪模块、数字存储 示波器模块、微电容测量模块等、v x i 接口模块、g p i b 接口模块等。并将部分 模块产品化。 关键词：$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式系统模块仪器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee m b e d e ds y s t e mi sak i n do fc o m p u t e rs y s t e mw i t hs p e c i a lf u n c t i o n s w h e ni ti si n t e g r a t e dw i t hc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e e h n o l o g y , i tw i l le n h a n c et h e a b i l i t ya n di n t e l l i g e n to fi n s t m m e n t sa n dd e v i c e s n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n ，w i t h t h ec o n s t a n t l yd e v e l o p i n go ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n c r e a s i n go ft h e r e q u i r e m e n to fu s e r s t h ee m b e d d e ds y s t e mi se n t e r i n gi n t oa l lk i n d so ff i e l d so f n a t i o n a lp r o d u c tg r a d u a l l ya n du s e de x t e n s i v e l y t h ed e v e l o p m e n to ft h et e s t & c o n t r o li n s t r u m e n ta n dd e v i c eb a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e mw i l le n f o r c et h ea b i l i t y o fc o m m u n i c a t i o n ，i n t e r c o m m u n i o n ，d a t ap r o c e s s i o na n ds oo n ，a ts a m et i m ei tc a n e x t e n tt h ea p p l i c a t i o n t h i sp a d e rp r o v i d e sas o l u t i o na n dan e wp l a t f o r mo fu n i v e r s a le l e c t r o n i ct e s ta n d m e a s u r ei n s t r u m e n t sb a s e do n3 2 b i te m b e d d e dp r o c e s s o r t h ep l a t f o r mi sb a s e do n $ 3 c 2 4 1 0 a r mp r o c e s s o r , w i t hv a r i o u sp e r i p h e r a lr e s o u r c e s i n c l u d e2 4 1 0 c o r e s y s t e m ； i n t e m c t i v ec l i e n te q u i p m e n t sb a s e do nh ir e s o l u t i o nt o u c h - s c r e e n ；m a s sm e m o r yc a r d o rh d di n t e f f a c e ；u s b h o s tp o r ta n du s b d e v i c ep o r t s ；l0 0 m b p sf a s t - e t h e m e t p o r t ；v g ai n t e r f a c e ；a u d i oi n t e r f a c ee t c t h cp e r i p h e r a lr e s o u r c e sc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fi n t e r a c t i v eo p e r a t i o n s t o r a g ea n dc o m m u n i c a t i o nf o rm o s ti n s t r u m e n t s t h i sp a d e rf o c u s e so nt h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no f t h ep l a t f o r m t h i sp a d e rd i s c u s s e st h ei n t e r f a c eb e t w e e n2 4 1 0s y s t e ma n dm o d u l ei n s t r u m e n t w i t hd i f f b r e n tm o d u l ei n s t r u m e n t sp l u gi n t h ep l a t f o r mf u n c t i o n a l l ya sc o r r e s p o n d i n g i n s t r u m e n t a n dw ed e s i g n e ds e v e r a lm o d u l ei n s t m m e n t s s u c ha s6 - d i g i tv o l t a g e m e t e r , i m p e n d e n ta n a l y z e r , d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e c a p a c i t o rm e t e r , v x ii n t e r f a c e m o d u l e 。g p i bm o d u l ee t c a n ds o m eo f t h e ma r ei np r o d u c t i o n k e y w o r d s ：a r m 9 2 0 t e m b e d d e ds y s t e m m o d u l ei n s t r u m e n t 声明 y8 5 8 5 6 5 独创性声明 本人声明所呈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 获得电子科技大学或其它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。 签名：主鱼量整日期：2 0 0 6 年1 月l le l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学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应遵守此规定) 签名：煎塑 日期： 导师签名：丝煎 2 0 0 6 年1 月1 1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统发展及现状 1 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、集成 电路技术而发展起来的。嵌入式系统已经成为计算机技术和计算机应用领域的一 个重要组成部分p j ， 嵌入式系统被定义为【io j ：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系 统的开发设计都有其特殊的应用。嵌入式系统也被称为嵌入式计算机，因此嵌入 式系统也被定义为非通用计算机系统。 1 1 2 嵌入式系统的发展历史 嵌入式系统历史悠久，早在电子数字计算机出现之前就有把计算装置植入 导弹、航天器等系统和设备中的嵌入式雏形。到2 0 世纪5 0 年代第一代电子数字 计算机出现的2 0 年内，这类计算机主要由电子管、晶体管、磁芯存储器等组成， 由于体积庞大，价格昂贵，因而阻碍了嵌入式系统的发展。 随着微电子技术的发展，嵌入式计算机在2 0 世纪6 0 年代末，集成电路化 的第3 代计算机时代到来的时期逐步兴起。在军事和空间领域的需求推动下，计 算机的软硬件可靠性达到了能完成人类登月的要求，而在这一时期计算机技术也 取得了重大发展，如大规模集成电路、并行技术、先行控制、流水线、单总线结 构、高速通用寄存器、强有力的中断系统、交叉存取、操作系统等。但由于体积、 质量的严格要求，仍然需要为每个应用领域专门设计专用计算机。 嵌入式计算机的真正发展是微处理器问世之后，微处理器基于超大规模集成 电路技术的进步和发展。许多厂家相继推出自己的微处理器产品，如i n t e l 、 m o t o r o l a 、z i l o g 等。以这些微处理器构成的微型计算机被广泛应用于仪器仪表、 医疗设备、机器人、家用电器等。嵌入式系统以插件板的形式提供，所以又称为 单板机。 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，集成电路规模不断提高，同 时，嵌入式应用所需要的微处理器、i o 端e l 、a d d a 转换器、串行接口以及 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 r a m 、r o m 均集成到一个超大规模集成芯片内，进入单片机时代。 进入2 0 世界9 0 年代，嵌入式技术的应用全面展开。目前己成为通信和消费 类产品的主要平台技术。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。软件无 线电概念的提出，正是这一趋势的集中体现，而软件、集成电路和新型元器件在 产业发展中的作用日益重要。个人领域中，嵌入式产品将主要作为个人移动的数 据处理和通信软件平台。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为 中心的多媒体界面给人很大的亲和力，而先进的触摸屏技术的融合，更加发挥了 这种小型手持嵌入式系统的优势。在自动控制领域，不仅可以用于a t m 机、自动 售货机、工业控制等专用设备，和移动通信设备、g p s 、娱乐等相结合，嵌入式系 统同样发挥巨大的作用。 进入2 l 世纪，计算机软硬件技术的飞速发展，使得高性能嵌入式微处理器应 用成为当前的热点，而实时多任务操作系统正成为这一应用中的重要核心部分。 它与当前智能控制、网络等新技术的迸一步融合，对业界产生深远的影响，也推 动了嵌入式系统飞速发展。 1 1 3 嵌入式系统发展趋势【2 3 1 【2 4 】 嵌入式产品的迅猛发展，不仅为嵌入式市场展现了美好的前景，注入了新的 生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包括： 支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处 理，此外，当然还需要对付更加激烈的市场竞争。 1 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日 趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式 电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设 计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器 d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制 功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求 配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通 信接1 2 1 ，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警、 灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求， 新一代嵌入式设备还需具备1 e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 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 第一章绪论 的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器，如h t m l 、 x m l 等。 3 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最 佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既 要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 4 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间 的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习 惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多 媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已 取得初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音 发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。 1 2 嵌入式处理器概况 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产不同型号的芯片。本节主要介绍以下几种嵌入式处理器。 m i p s m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处理 器内核标准，它由m i p s 技术公司开发。m i p s 技术公司是一家设计制造高性能、 高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位。 m i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出r 2 0 0 0 处理器之后， 陆续推出r 3 0 0 0 、r 4 0 0 0 、r 8 0 0 0 等。之后m i p s 公司的战略发生变化，把重点放 在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标准，继承了 原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续 开发了高性能、低功耗的3 2 位和6 4 位处理器内核。 m i p s 的定位很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便携式计 算机系统、数字消费产品、工业控制等领域。 p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器种类很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工 4 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前p o w e r p c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 m h z 7 0 0 m h z 不等， 它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。 x 8 6 x 8 6 起源与i n t e l 架构的8 0 8 0 ，在发展初为2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 。知道现在的p e n t u i m 4 、 a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是第一款主流 的处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可以保证兼容性， 但是同时也限制了c p u 性能的提高 a r m a r m 公司自1 9 9 0 年正是成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造商 出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯片内核具有功 耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂家的大力支持， 在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有了7 0 以上的3 2 位嵌 入式产品市场。在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在 设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经超过了5 0 多家，国内中兴通讯和华为通 讯等公司也已经购买a r m 公司的芯片内核用于通讯专用芯片的设计。目前流行的 a r m 内核有a r m 7 t d m i ，a r m 7 2 0 t ，a r m 9 t d m i ，a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t ， a r m 9 4 0 t ，a r m 9 4 6 t ，删9 6 6 t ，a r m l o t d m i 等，自v 5 以后，a r m 公司提 供p i c c o l od s p 的芯片核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo n c h i p ) 结构的芯片。 由于本文主要论述基于a r m 核处理器架构的测控仪器平台，因此主要以对 a r m 处理器的介绍为主。 1 3a 麟嵌入式处理器简介 1 3 1a r m - - a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a j t m 技术知识产权( i p ) 核的徼处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 第章绪论 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，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 0 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。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进 入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a i 蝴公司的授权，因此既 使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降 低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 1 3 2a r m 微处理器的特点 采用r j s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持t 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 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定； 1 3 3a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，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。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类应用。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，主要应用 于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄 像机等。包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应 用场合。 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制 器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。 主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网 6 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 络设备等领域。a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和 a r m 9 6 6 e - s 三种类型，以适用于不同的应用场合。 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同 时，a r m i o e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。主要应 用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领 域。包含a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j - s 三种类型，以适用于不同的 应用场合。 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术 的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功 耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政 务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r e s c l l 0 、s e c u r c o r es c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是款全性能、高性 价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数 字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 1 4 嵌入式系统在仪器仪表中的应用 高级嵌入式计算机系统和网络技术的应用，使仪器仪表将传感测量、补偿计 算、工程量处理与故障诊断、网络通信等功能集于一身，并能充分利用网络时代 的优势，完成远程维护、远程控制、故障预报等以前无法实现的功能。在这其中， 芯片、总线、接口技术，成为仪器仪表的内核，嵌入式系统成为技术的代表，并 由此形成了仪器仪表行业发展的趋势。并正在全面渗入到仪器仪表工业。 首先，嵌入式计算机技术为仪器仪表与测量的相关领域的应用开辟了广阔的 前景。运用智能化软硬件，使每台仪器或仪表能随时准确地分析、处理当前的和 以前的数据信息，恰当地从低、中、高不同层次上对测量过程进行抽绿，以提高 现有测量系统的性能和效率，扩展传统测量系统的功能，如运用神经网络、遗传 算法、进化计算、混沌控制等智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、 高机动灵活等性能。 其次，也可在分散系统的不同仪器仪表中采用微处理器、微控制器等微型芯 片技术，设计模糊控制程序，设置各种测量数据的临界值，运用模糊规则的模糊 第一章绪论7 推理技术，对事物的各种模糊关系进行各种类型的模糊决策。其优势在于不必建 立被控对象的数学模型，也不需大量的测试数据，只需根据经验，总结合适的控 制规则，应用芯片的离线计算、现场调试，按我4 1 的需要和精确度产生准确的分 析和准时的控制动作。 特别是在复杂信号测量中，嵌入式技术的应用更为广泛。用软件实现信号滤 波，如快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等技术，是简化硬件，提高 信噪比，改善传感器动态特性的有效途径，但需要确定传感器的动态数学模型， 而且高阶滤波器的实时性较差。运用神经网络技术，可实现高性能的自相关滤波 和自适应滤波。充分利用人工神经网络技术强有力的自学习、自适应、自组织能 力，联想、记忆功能以及对非线性复杂关系的输入、输出间的黑箱映射特性，无 论在适用性和快速实时性等各方面都将大大超过复杂函数式，可充分利用多传感 器资源，综合获取更准确、更可信的结论。其中实时与非实时的、快变与缓变的、 模糊和确定性的数据信息，可能相互支持，也可能相互矛盾，此时，对象特征的 提取、融合，直至最终决策，作出正确的判断，将成为难点。于是神经网络或模 糊逻辑将成为最值得选用的方法。例如，气体传感阵列用于混合气体识别，在信 号处理方法上可采用自组织映射网络和b p 网络相结合，先进行分类，再识别组分， 将传统方法的全程拟合转化为分段拟合，以降低算法的复杂度，提高识别率。又 如，食品味觉信号的检测和识别的难度，曾一度是研究与开发单位的主要障碍所 在。如今可利用小波变换进行数据压缩和特征提取，然后将数据输入用遗传算法 训练过的模糊神经网络，则大大提高了对简单复台味的识别率。再如，在布匹面 料质量的评定，柔性操作手对触觉信号的处理，机器的故障诊断领域，嵌入式技 术也都取得了大量的成功实例。 另外，也由于采用了各种嵌入式实时操作系统。使不同任务可实现多线程同 时安全运行，进行多线程并行测试；同时，还具有强大的仿真功能，可以在不连 接实际仪器的情况下，开发测试程序。 再次，由于仪器与计算机一旦组成网络，即可凭借智能化软硬件，充分发挥 灵活调用和合理配置网上各种计算机和仪器仪表的各自资源特性和潜力，产生出 缀合优势。例如，目前已可使用连接到w e b 的数字万用表和示波器，通过因特网 和模式识别软件区别不同的时空条件和仪器仪表的类别特征以及测出临界值，作 出不同的特征响应；也可使用分布式数据采集系统代替过去单独使用的数据采集 设备，以至可跨越以太网或其他网络，实施远程测量和采集数据，并进行分类的 存储和应用。 网络化的智能测量环境将网上各种类型，不同任务的计算机和仪器仪表有机 地联系在一起，完成各种形式的任务要求，如在某地采集数据后送往各种需要这 些数据的地方，把相同数据按需拷贝多份，送往各需要部门；或者定期将测量结 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 果送往远方数据库保存，供需要时随时调用。而多个用户可同时对同一过程进行 监控，例如各部门工程技术人员、质量监控人员以及主管领导人员可同时分别在 相距遥远的各地监测、控制同一生产运输过程，不必亲临现场而又能及时收集各 方面数据，进行决策或建立数据库，分析现象规律。一旦发生问题，可立即展现 眼前或重新配置，或即时商讨决策，立即采取相应措施。 综上所述，随着嵌入式技术应用的日益深入及应用范围与规模的不断扩大， 仪器仪表产业的发展水平必将快速迈向更高阶段。 1 5 项目背景 本项目是准备申报总装备部国防科技预研基金项目分布式网络化远程测试 与诊断技术研究的预研性课题，目的是利用分布式系统结构和网络化技术实现 远程运行监测、性能测试、和故障诊断体化。本文讨论的是其中的现场信号智 能化检测仪部分。采用3 2 位a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为核心器件、配以各种功能 模块和接口电路，在u c o s i i 嵌入式操作系统的应用软件的支持下，设计并实现具 有标准信号发生、测试信号数字化采集、测试信号图形化形式、测试信号参数显 示、测试信号数字化网络传输、测试信号频谱分析、现场图象采集与网络传送、 语音网络互传等功能的现场信号智能化虢测仪。 该项目研究和设计的最终日标是一台便携式、低功耗的具有频率计、信号发 生器、数字万用表、数字存储示波器、数字化仪、频谱分析仪功能的网络型多功 能检测仪器，可以完成在测试现场条件下的测试激励信号产生和测试信号的采集、 处理、显示和网络传输，以及现场的图象和语音的传输，为部队提供商性能的新 型检测仪器，替代现在普遍使用的万用表、示波器等常规测量仪器，并为实现网 络远程测试与故障诊断系统提供必要的现场测试信号采集与传送设备。 因此，一个功能强大、结构灵活、扩展性强的硬件平台和高可靠性、高精度、 通用性好的测量模块；以及适应能力较强、便于测试与调试的接口电路成为设计 成败的关键。本文正是针对核心系统、接口电路、仪器功能模块三个技术关键点 展开讨论。 第一章绪论9 1 6 系统设计方案总体框架设计 经过长时间的系统研究，我们对通用测量仪器，有针对性的进行了模块化分 解，对部分类型测量仪器进行系统拆分与组合，根据我们的项目要求，提出了自 己的测量仪器平台系统架构，结合一般仪器在测量、运算、操作、存储和人机交 互上的功能要求，利用多种总线通信、高速数字信号处理、多模块并行工作、直 接人机交互等技术构建系统模型。如图1 1 所示： 图1 ，1 系统整体框图 整个系统分为6 个大模块，分别是a r m 核心系统、人机交互接口模块、数据 通讯模块、海量存储模块、电源模块以及仪器仪表功能模块。 本文将在第2 章论述a r m 核心系统的设计，第3 章讨论各种接口模块；第4 章介绍几种仪器模块的设计。 第二章$ 3 c 2 4 1 0 核心系统设计1 i 第二章$ 3 c 2 4 1 0 核心系统设计 基于嵌入式系统的仪器平台以“变专用为通用”为主体思想，致力于解决多 数情况下的信号测量。处理器以s a m s u n g 公司基于a r m 9 2 0 t 结构的$ 3 c 2 4 1 0 为 主控制器，构成核心处理系统，各种功能模块分别做成功能板形式以增加系统灵 活性。 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 特点及简介【2 】 $ 3 c 2 4 1 0 是韩国三星电子公司最近推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器。该处理器主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗 的应用。 a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部分组成。 其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速 c a c h e 组成。a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制， c p t 5 用于存储系统控制以及测试控制。 旧恻蝌k 穹 u m 盯旧 a f 砒 总线 旧”旧 l 、删徘i 器离书 图2 1 $ 3 c 2 4 1 0 x 集成资源功能框图 $ 3 c 2 4 1 0 x 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示 屏) 、s d r a m 控制器、3 个通道的u a b t 、4 个通道的d m a 、4 个具有p w m 功能 的计时器和一个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。$ 3 c 2 4 1 0 还有很多丰富的外部接 口，例如触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、两个u s b 主机接口、一个 u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 x 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和 u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到 2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n c e 、l i n u x 等操作系统以及进 一一一一一一一一一一一一 一一一一 1 2 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 x 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节， 共1 g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。b a n k 7 的丌始地址是b m l k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程， 外部w a i t 管脚扩展了访问周期。$ 3 c 2 4 1 0 x 采用n g c s 7 o 8 个通用片选线选择8 个b a n k 区。 2 2 系统总线 $ 3 c 2 4 1 0 具有完备的数据、地址总线，寻址空间达到1 g b 。能直接驱动各种 外设。由于总线逻辑电平为3 3 v ，和i d e 硬盘、v g a 控制器等5 v 逻辑接口需要 总线电平转换器。加之考虑到日后系统扩展对驱动能力方面要求留有余量，总线 上仍然需要缓冲驱动器。 图2 22 4 1 0 外部总线框图 总线缓冲选用7 4 l v c h l 6 2 4 5 ，来驱动大部分外部设备，如硬盘、c f 卡、功 能模块等。而高速器件如s d r a m 、网卡等外设或接口仍然和本地总线相连。 2 4 1 0 的l c d 控制器具有独立的数据线，和数据总线一样也是3 3 v 电平。考 虑到不同的液晶显示器接口逻辑电压不同，也使用了3 v 5 v 兼容的总线缓冲器对 其进行缓冲。 第二章$ 3 c 2 4 1 0 核心系统设计 圈2 32 4 1 0 外部缓冲器电路( 局部) 为了示意，图2 3 仅画出了总线缓冲电路的一部分。所有的数据线、地址线 和控制线都要经过7 4 l v c h 2 4 5 的缓冲后才能和外设连接。u 1 0 5 是一片与非门， 用于产生总片选信号n e x c s 。 对于一些专用设备的总线，如s p i 、1 2 c 、1 2 s 、u s b 、由于总线驱动能力符合 规范标准，且不会出现电平冲突问题，不需要缓冲，直接相连。 2 3 存储器电路的设计 2 3 1 s d r a m 与2 4 1 0 接口电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 处理器内部带有内存控制器，因此将s d r a m 和2 4 1 0 处理器相连是 比较简单的。由于2 4 1 0 具有3 2 位数据带宽，而市面上大多s d r a m 全部是1 6 位 数据带宽。为了充分发挥2 4 1 0 的带宽性能，使用2 片1 6 位s d r a m 拼接出3 2 位 带宽。 ， ) 一号一 1 4 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 图2 4s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 的接口电路 从图中可以看出，芯片的a 0 脚并没有接在处理器的a 0 地址线上，这是因为 在处理器的存储空间中，字节是表示存储容量的唯一单位。而s d r a m 为3 2 位的 时候，它的每一个存储单元都包含4 字节。因此，s d r a m 的a 0 接到2 4 1 0 的a 2 上，其他数据线依此类推。 s d r a m 的b a 脚选中内部存储的块区，其实就是s d r a m 地址的最高位， 接到2 4 l o 的a 2 5 a 2 4 上。 由于3 2 位带宽存储单元的s d r a m 以4 字节为寻址单位，内存访问会忽略 a 0 、a 1 地址。如果需要访问某偏移量为0 1 、0 2 、0 3 的字节单元，就需要借助d q m ( d a t a m a s k ) 信号的帮助。这2 个引脚接到2 4 1 0 的n w b e 线上。 2 3 2f l a s h r o m 与2 4 1 0 接口电路设计 嵌入式系统中，程序代码、文件系统和部分用户设置参数都是存放在非易失 性存储器中的。早期的e p r o m 、e 2 p r o m 等存储器存在容量小、价格商、体积庞 大、擦写周期长等缺点，在高端的嵌入式系统应用中已经十分少见。取而代之的 是f l a s h 存储器。 虽然f l a s h 存储设备存在许多标准，如d t n o rf l a s h 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 、 a n df l a s h 、u l 订a n a n df l a s h 等，但真正被嵌入式系统广泛采用的只有n a n d f l a s h 和n o rf l a s h 两种。其中n o rf l a s h 的特点是具有独立的数据总线和地址总 线，它的读时序和s r a m 完全一致。所以可以直接存放程序代码，程序也可直接 在f l a s h 上运行。n a n d f l a s h 的高低位地址、数据复用同一接口，程序需先下载 第二章$ 3 c 2 4 1 0 核心系统设计1 5 至r a m 中才能运行。以下是两种f l a s h 在性能上的比较 1 性能差别。n o rf l a s h 以扇区( s e c t o r ) 为单位，一个s e c t o r 的擦除时间 需要数秒。而n a n df l a s h 的擦除以块( b l o c k ) 为单位，大约4 毫秒左右，速度 是n o rf l a s h 的1 0 0 0 倍左右。但读取数据时，n a n df l a s h 因为地址线复用，速 度慢。因此只适合连续读取数据。在随机读取数据时，效率很低。 2 接口差别。n o r f l a s h 带有和s r a m 完全一致的接口，可以和r a m 一样 访问内部每个字节。n a n df l a s h 地址数据和命令复用8 位总线，每次读写都要串 行地将命令、地址发给f l a s h ，效率较低。 3 容量和成本。n a n df l a s h 的单元尺寸只有n o rf l a s h 的一半，由于生产 过程更为简单，n a n df l a s h 能在单位面积上提供更高的容量，因而成本较低，加 之生产工艺也简化，价格只有同容量n o r f l a s h 的1 1 0 。所咀n a n df l a s h 几乎 占据了8 m b 几个g b 的大容量数据存储产品，而n o rf l a s h 一般应用在1 6 m b 以下的代码存储介质。 4 寿命。n a n df l a s h 的擦写次数达到1 0 0 万次，是n o rf l a s h 的1 0 倍以上。 5 错误率。f l a s h 的存储单元很偶尔会出现某个存储位单元发生反转，这就 必须由一套错误校验和就错的机制来预防这种错误造成的系统错误。n a n df l a s h 的错误几率比n o rf l a s h 要大。必须使用e d c e c c 算法进行错误侦测。 6 坏块处理。n o rf l a s h 不存在坏块，而坏块在n a n df l a s h 中是随机分布 的。一般n a n df l a s h 都提供有冗余块，一旦某个存储块被e c c 校验机制标记为 坏块，就以冗余块代替。 目前，能直接运行代码的n o rf l a s h 的价格仍然较高，而n a n df l a s h 和 s d r a m 的价格却一直在不断下降。所以很多用户处于降低成本考虑用n a n d f l a s h 存放代码，将代码拷贝到s d r a m 中运行。但启动代码仍然必须从使用一片 小容量的n o rf l a s h 中引导。 为了实现从n a n df l a s h 启动系统，$ 3 c 2 4 1 0 中集成了n a n df l a s h 控制器， 它可以在启动时将n a n df l a s h 中的4 k b 启动代码硬件拷贝到内部s r a m 启动缓 冲区( s t e p p i n g s t o n e ) 中运行，从而可以省去一片n o rf l a s h 。下图是n a n df l a s h 控制器的原理框图 1 6 基于嵌入式系统的通用电子测量仪器硬件平台的研究 图2 5 $ 3 c 2 41 0 内部n a n df l a s h 控制器原理框图 可以看出，2 4 1 0 的硬件上已经自动完成拷贝、e c c 校验编解码、错误处理等