（信号与信息处理专业论文）基于at91sam9263的cems数据采集与分析系统的研究与开发.pdf

基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的 研究与开发 摘要 ；烟气排放连续监测系统( c e m s ) 是实时监测固定污染源的有效手段，现在 在我国已经有了较广泛的应用，但由于我国c e m s 技术起步较晚和一些关键技 术含量较高，因此距离国外先进水平还有一定的差距。本文立足于国内c e m s 技术现状，采用嵌入式系统，设计了一种基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采 集与分析系统，实现了对数据的实时采集、处理并显示功能。 本文首先介绍了国内外c e m s 现状，以及c e m s 数据采集与分析系统的发 展趋势。然后介绍了c e m s 的组成及一些技术要求，随后阐述了c e m s 与嵌入 式系统的联系并简要介绍了一下嵌入式系统。 然后结合项目的实际需求，介绍了本系统的软硬件设计。系统硬件设计部分 首先分析了整个系统的硬件架构，然后介绍了a r m 处理器选取需要注意的几个 方面并确定了处理器的型号。之后详细阐述了各个模块的具体实现，包括 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 主板、开关量数据采集与控制模块、模拟量数据采集以及c a n 总线部分。在系统软件设计部分，本文详细分析了系统的软件设计，包括w i n d o w s c e 操作系统移植、系统应用软件整体架构以及其具体模块的实现，包括w i n d o w s c e 应用程序设计、开关量和模拟量数据采集模块的软件设计、c a n 总线的软件 设计，并在其中给出了系统运行效果图。 最后，对本论文所作的工作进行了总结，同时提出了本系统不足和需要改进 方面的一些初步设想，为课题的进一步研究做好了准备。 关键词：c e m s ；w in d o w sc e ；a r m ；数据采集；c a n 总线 r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gc e m s d a t aa c q u i s i t i o na n d h a n d l i n gs y s t e mb a s e d o na t 9 1s a m 9 2 6 3 a b s t r a c t c o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi st h er e a l - t i m em o n i t o r i n go f a t m o s p h e r i ce f f e c t i v em e a n s i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nc h i n aa tp r e s e n t ，b u t b e c a u s eo u r c o u n t r ys t a r t e dt os t u d yc e m st e c h n o l o g yt o ol a t e s ot h e r ei ss t i l lag a p t ot h ea d v a n c e dw o r l dl e v e l t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed o m e s t i cc e m st e c h n o l o g y s i t u a t i o n ，u s i n ge m b e d d e ds y s t e m ，w ed e s i g n e dc e m s d a t aa c q u i s i f i o na n dh a n d l i n g s y s t e mb a s e do n a t 9 1s a m 9 2 6 3 i tc a nr e a l i z et h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ， p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y e d t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t a t u sa th o m ea n da b r o a da b o u tc e m s ，a n dt h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc e m s d a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i ss y s t e m a n dt h e nw e w i l li n t r o d u c et h ec o m p o s i t i o no fc e m sa n ds o m et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa b o u ti ta s w e l la st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc e m sa n dt h ee m b e d d e ds y s t e m a n df i n a l l yw e b r i e f l y i n t r o d u c e dt h ee m b e d d e ds y s t e m c o n s i d e r i n gw i t ht h ep r o j e c t sa c t u a ld e m a n d ，w ei n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n 。t h ep a r to ft h eh a r d w a r ed e s i g ni n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o n a n df r a m eo ft h ee n t i r es y s t e m a tt h es a m et i m ew ei n t r o d u c e ds e v e r a la s p e c t st h a t w es h o u l dp a ya t t e n t i o nt ow h e nw es e l e c tt h ea r m p r o c e s s o r t h e nw es h a l l i n t r o d u c et h ed e t a i l e dr e a l i z a t i o no fe v e r ym o d u l ei n c l u d i n gt h ea t 91s a m 9 2 6 3 m o t h e r b o a r d ，t h es w i t c hd a t aa c q u i s i t i o n ，t h ea n a l o gd a t ac o l l e c t i o na n dt h eb u s d e s i g no fc a n i ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g np a r t , t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e da n a l y s i s o fs y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gw i n d o w sc e o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n ， t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dt h er e a l i z a t i o no ft h e s p e c i f i cm o d u l e ，w i n d o w sc ea p p l i c a t i o nd e s i g n ，t h es o f t w a r ed e s i g no f t h es w i t c h q u a n t i t ya n da n a l o g u ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，s o f t w a r ed e s i g no fc a n b u s w ea l s o g i v e st h es y s t e mo p e r a t i o nw o r k i n gs k e t c h i i l a tt h ee n do ft h i sp a p e r , i tg i v e sas u m m a r yo fi t s e l fa n ds o m ep r e l i m i n a r yt h o u g h t s a b o u tt h ef u r t h e rp r o m o t i o nt ot h es h o r t a g eo ft h i ss y s t e m w ep r e p a r ef o r t h ef u r t h e r r e s e a r c ho ft h i st o p i c k e yw o r d s ：c e m s ；w i n d o w sc e ；a r m ；d a t ac o l l e c t i o n ；c a nb u s i v 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 1 绪论 1 1 课题开发背景和研究意义 随着我国经济的持续快速发展，工业化和现代化进程快速推进，环境污染的 状况也日趋严重，造成了污染源的种类繁多且分布广泛，人们的生存环境受到了 严重的威胁。我国大气污染主要是酸雨和颗粒物，而火电厂则是产生这些污染的 大户，控制火电厂的污染物排放则显得非常重要。为了加强环境保护，实现对环 境污染的控制，c e m s ( c o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ) 烟气排放 连续监测系统应运而生。c e m s 用于连续自动监测固定污染源的污染物排放浓 度，将传感器安装到污染源上，能够实时的监测污染物的排放浓度和排放量，同 时将数据传送到环保监测中心。 传统的烟气监测一般是将现场抽样的样品拿回到实验室进行分析化验，是定 时、定点的间断采样分析，因此所得到的数据只能反映某一时间段和某一局部地 点的情况，是非连续性的，显然这种方法已经很难描述整体的环境变化情况。为 了弥补此种不足，实现监测的自动化和实时化，烟气排放连续监测技术自从7 0 年代初在世界各地就发展起来，直到8 0 年代末我国才开始引进相应的设备，但 随着国家对环境保护的重视，我国也定制了相应的标准并发展自己的c e m s 技 术，使我国的c e m s 技术有了较快的发展，但由于起步晚和一些关键部分的技 术含量较高，我国同某些发达国家的c e m s 技术仍然有较大的差距。 c e m s 能够实现对烟尘的排放进行全天候的监测，从而不仅加大了环保部门 对各企业生产废物排放的监管力度，做到有的放矢，而且促进了企业生产废物的 合理排放。通过对污染源的实时、在线自动监测监控，可以科学、准确、实时地 掌握污染源排放的变化和时空分布状况，实时向监控中心发出报警信息，并告知 事件内容，使得环保监测中心能够及时得到有关污染源的异常排放、治理设施停 运和违规操作等信息，并及时到达现场，对企业违规行为进行纠正、制止，而且 对未来区域污染状况的预测提供科学依据。 由于我国面临的经济发展任务艰巨，未来的发展必然会面临巨大的环境压 力，而且这种压力将会越来越大。因此，转变经济增长方式，走可持续发展道路 是政府的重要任务，也是大势所趋。建立节约型社会将是未来发展模式的核心。 慕干a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集j 分析系统的研究与开发 为此，政府提出了“节能减排”的方针策略，c e m s 将有更加广阔的发展空间， 也会向着更多的领域发展。 1 2 国内外c e m s 发展现状 2 0 世纪6 0 年代末，美国、德国设计了将探头直接插入烟道测量的现场分析 仪和测量高浓度气体的环境分析仪，美国采用的荧光监测技术以及德国采用的不 透明光学系统等，这些都为c e m s 的实现奠定了技术基础。 1 9 7 1 年，世界上第一台c e m s 在美国出现。到1 9 7 5 年末，美国国家环保局 首先制定了c e m s 技术规范，并规定了在某些排放源必须安装c e m s ，从此， c e m s 在美国的各行各业，特别是在电力行业得到了广泛的应用。此后，德国、 英国、芬兰、韩国、日本等发达国家都发展了本国的c e m s 技术，并已经形成 了多种成熟的监测技术。 我国的环保产业发展相对比较晚，因此c e m s 在国内的应用也晚于西方发 达国家。1 9 8 0 年随着3 0 0 m w 、6 0 0 m w 火电站项目的引进，我国首次从国外引 进了第一套c e m s ，就此开始了c e m s 的研制和生产。1 9 9 7 年，我国第一部关 于火电厂的c e m s 法规性文件火电厂大气污染物排放标准【l 】正式发布，文件 中明确规定了火电厂的污染物排放需安装c e m s 。1 9 9 8 年酸雨两控区和二氧 化硫污染控制区划分方案中明确规定了要对两控区重点二氧化硫排放源安装在 线式连续监测计量装置( 即c e m s ) ，并进行长期连续的监测。2 0 0 1 年，国家正 式发布了火电厂烟气排放连续监测技术规范【2 】和固定污染源烟气排放连续 监测系统技术要求及监测方法【3 】，从技术层面上对c e m s 安装、调试、检测、 验收做出详细说明，从此我国的c e m s 走上正轨。国家环保总局于2 0 0 7 年8 月 1 日起实施了固定污染源烟气排放连续监测技术规范( 试行) 1 4 、固定污染 源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法( 试行) ，这两种标准规定了 c e m s 的安装、调试、联网、验收、运行维护、数据审核等技术要求，而且规定 了固定污染源烟气排放连续监测系统的主要技术指标、检测项目、检测方法和检 测时的质量保证措施。在此背景下，国内涌现出一批机构和企业进行研发，例如 中绿环保技术有限公司、南京国电环保设备有限公司、上海发电设备成套设计研 究院等，开发出具有自主知识产权的c e m s 设备，推动了国产c e m s 的发展与 应用。 2 笨予a t 91s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 c e m s 的监测对象主要包括烟尘( 颗粒物) 、二氧化硫、氮氧化物、温室气 体以及烟气排放参数( 温度、湿度、流速、压力、含氧量) ，国外的监测技术已 经比较成熟，烟气排放参数测量已经有了多种成熟的方法，烟气分析仪已经较为 成熟，我国虽然经过一段时间的发展，c e m s 已经取得了一定的进展，但是我国 现在所掌握的技术与发达国家相比任然有较大差距。另外，在其它有害物质如 h c l 、h 2 s 、h f 、h g 等在线连续监测方面，我国在此方面的技术尚处于起步阶 段，主要还是依赖于国外技术。 另外，与c e m s 息息相关的技术标准方面，虽然我国已经制定并实施了相 关的文件，但若想再进一步推动c e m s 的发展，则技术标准尚需系统化、规范 化和明确化。 1 3c e m s 数据采集与分析系统的发展趋势 随着微电子技术、计算机技术、测控技术、通信技术等科学技术的发展，目 前国内外的c e m s 数据采集与分析系统已经较初期有了很大的发展，特别是我 国近年来大力加强环境保护，出台了一系列的相关文件，大力推动了c e m s 在 我国的发展和应用。 从近年来国内外相关公司展示的新产品可以看出，现在的产品主要朝着三个 方面发展，即功能多样化、体积微小化、使用方便化。具体体现在【5 】： ( 1 ) 即是数据采集与分析器，同时也是一台控制器。以后的产品不仅能够 实现数据采集的功能，而且能够通过数据分析，发送信号到相关伺服致动机构和 致动器，从而实现整个控制任务。 ( 2 ) 能够输入多种物理量，如烟尘、二氧化硫、氮氧化物、温室气体、烟 气排放参数等，形成多参数监测系统。 ( 3 ) 引入高端嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统。嵌入式系统具有可 移植性、可裁剪性、多任务、实时性、稳定性、可靠性等优点，使c e m s 具有 十分广阔的应用前景。 ( 4 ) 由于采用高端嵌入式微处理器以及嵌入式操作系统的应用，嵌入式系 统的体积不断减小，从而直接影响到数据采集与分析系统的体积，从而使相关产 品的携带和使用都非常方便。 ( 5 ) 友好的人机交互界面。系统将图像、文字、声音等多种媒体有机的结 基于a t 9 1s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 合起来，提高信息的利用率，方便用户的操作。 ( 6 ) 规范化、通用性、可靠性、安全性也是未来c e m s 数据采集与分析系 统追逐的目标。 1 4 本论文的主要工作 本论文根据企业实际应用项目的需求，提出了一种基于a t 9 1s a m 9 2 6 3 的 c e m s 数据采集与分析系统，用于完成现场烟气排放的实时监测、数据处理、显 示等。根据分析企业实际需求，选择合适的a r m 芯片和定制嵌入式操作系统， 并在其上进行相关应用程序开发来控制整个系统的运行；同时设计数据采集模块 的软硬件，实现整个系统的完整性。本文在组织结构上分为5 个章节： 第一章绪论。本章介绍了课题开发背景、c e m s 国内外研究现状及c e m s 数据采集与分析系统的发展趋势，同时介绍了本论文的主要工作。 第二章c e m s 概述。本章介绍了c e m s 系统组成及相关的技术要求，随后 介绍了c e m s 与嵌入式系统的联系并简单的介绍了嵌入式系统。 第三章系统硬件设计。本章详细阐述系统的硬件设计。首先介绍了系统的 整体架构，然后分别详细介绍系统的各个部分包括a r m 控制平台、开关量数据 采集与控制模块、模拟量数据采集模块及c a n 总线的相关电路设计。 第四章系统软件设计。本章详细介绍了系统的软件设计。首先介绍了 w i n d o w sc e 系统的移植，为后续开发打下基础。然手阐述了系统应用软件整体 架构，随后分别详细介绍了各个部分的具体实现，包括w i n d o w sc e 应用软件设 计、开关量数据采集与控制模块软件设计、模拟量数据采集模块软件设计以及 c a n 总线设计。并在其中给出了系统的运行效果图。 第五章总结与展望。本章总结了本论文所作的工作，同时提出了本系统不 足和需要改进方面的一些初步设想。 4 基于a t 9 i s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 2 c e m s 系统分析 2 1c e m s 系统组成 从功能上分，c e m s 一般由采样、测试、数据采集与分析三个子系统组成 4 1 。 采样子系统用于采集、输送烟气或使烟气与测试系统隔离。测试子系统用于监测 污染物，显示物理量或者污染物浓度。数据采集与分析子系统用于采集并处理数 据，生成图谱、报表，具有控制和自动操作功能。 从结构上看，c e m s 由颗粒物c e m s 和( 或) 气态污染物c e m s 、烟气参数 测定子系统组成。通过采样方式和非采样方式，测定烟气中颗粒物浓度、气态污 染物浓度、同时测定烟气温度、烟气压力、烟气流速、烟气含水量和含氧量( 或 二氧化碳含量) 等参数；计算烟气污染物浓度和排放率；显示和打印各种参数和 报表，并通过数据、图文传输系统传输至固定污染源监测系统。如图2 1 所示【4 1 。 基于a t 9 l s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集j 分析系统的研究与开发 颗粒物c e m s数据采集与处理系统 颗粒物测量仪 l 固 十 定 校零、校标 i 源 监 烟气参数测量子系统 控 l 烟气温度变送器卜_ 叫 温度测量仪 l 系 烟气压力变送器 叫 压力测量仪 l 统 l 烟气流量变送器卜_ 叫 流量测量仪 l 数 f 烟气湿度变送器卜_ 叫 湿度测量仪 i 可输入含湿量 r 据 数 i含氧量变送器卜_ 叫 氧测量仪 据 i 二氧化碳变送器 _ 哦叫二氧化碳测量仪f 处 - 叫打印l 采 理 与 气态污染物c e m s i 气态污染物采样器卜i ! l 气态污染物分析仪f 。 家全抽g g 洗一 远 集 程 叫司 零气、标准气体l 通 r i1r 讯 i 烟气预处理装置f 纠气体控制器i 与 系 统 i气态污染物采样器卜_ 叫气态污染物分析仪 稀释抽驭法 芎t 处 l 零气、标准气体il 气体控制器 i m o d e m l i 直接铡齄一 理 数 气态污染物分析仪l 据 ， 监 i 零气、标准气体或校准装置l 系 控 中 l 大气压力变送器 h 大气压力测量仪l 可输入大气压l 心r 表示任选一种气体参数测量仪和气态污染物c e m s 图2 - 1c e m s 示意图 2 20 e m s 技术要求 本系统主要是针对c e m s 数据采集与分析子系统，该子系统的具体技术要 求如下【4 l ：仪器应具有记录、存储、显示、数据处理、数据输出、打印、故障告 6 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 警、安全管理和数据、图文传输功能。颗粒物c e m s 应具有一次物理量的显示、 存储功能。 2 2 1 数据采集控制器 1 数据采集和控制 由仪器数据的采集和控制功能协调整个系统的时序，记录测定数据和仪器运 行状态数据，根据状态数据诊断仪器运行状态并在测定数据后面给出状态标记， 当仪器运行不正常时发出告警信息。当1 h 监测数据滑动平均值( 每1 5 m i n 滑动 一次) 超过排放标准时，仪器发出超标告警信息。 2 数据存储 数据采集控制器能保证存储原始数据，能够自动或根据指令将所采集的各种 信息发送回控制中心。 3 文档管理 系统应能对数据文档进行文档保存和备份，能自动生成运行参数报告，数据 报告，掉电记录报告和操作记录报告。 4 接口 仪器接1 2 1 应具有扩展功能，模块化结构设计，可根据使用要求实现单路或多 路要求。 5 安全管理 系统应该具有安全管理功能，操作人员需登录工号和密码后，才能进入控制 界面，系统对所有的控制操作均自动记录并入库保存。 系统应具有二级操作管理权限： ( 1 ) 系统管理员：可以进行所有的系统设置工作，如：设置操作人员密码、 操作级别，设定系统的设备配置。 ( 2 ) 一般操作人员：只进行日常例行维护和操作，不能更改系统的配置。 6 异常情况自动恢复功能 受外界强干扰或偶然意外或掉电后又上电等情况发生，造成程序中断，系统 应能实现自动启动，自动恢复运行状态并记录出现故障时的时间和恢复运行时的 时间。数据采集模块应有断电保护u p s 装置，在短时间断电时，可及时向上位 7 基干a t 9 1s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 机发送断电信息。 2 2 2 数据处理和数据通讯 1 数据通信 系统应具有数据通讯功能，周期地采集各个现场数据采集器发来的各种信 息，进行处理、存储，显示告警信息和相应数据。提供网络接入功能，向有关部 门定时传输数据和图表，并随时接受数据查询。定时发送时钟命令并校准时钟。 传输协议符合h j t 212 2 0 0 5 的要求。 2 数据查询和检索 显示仪器现场工作状态，可设置条件查询和显示历史数据，打印告警信息和 各种图表，实时显示污染物排放数据和相关烟气参数。能显示和打印测试数据， 生成小时( 至少4 5 分钟的有效数据) 、日( 至少1 8 小时的有效数据) 、月( 至少 2 2 天的有效数据) 报表，报表中给出最大值、最小值和平均值。 3 污染物浓度和排放速率计算 系统应具有计算污染物浓度和排放速率功能，计算方法标准已规定好。 2 3c e m s 与嵌入式系统 目前国内c e m s 的设计方案主要有两种，分别是基于工业控制机和p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程控制器) 加上工业控制机的设计方案。 工业控制机是基于普通p c 机的，这种设计方案存在以下缺陷【6 】： ( 1 ) 不能满足系统实时性的要求。p c 机上一般使用桌面w i n d o w s 操作系 统，该系统不是具有实时性的操作系统。 ( 2 ) 系统体积较大，携带不便。 ( 3 ) 不能适应恶劣的环境。c e m s 一般是运行与污染源产生地，而普通p c 机抗干扰能力、抗震性、防尘性、散热性、可靠性都较低，无法适应高压、电磁 辐射、高温、烟尘等恶劣环境。 而p l c 加工业控制机的设计方案，在一定程度上增强了系统的实时性，但 也增加了系统的成本，而且也未能从根本上解决系统实时性的问题。 随着嵌入式系统的发展，嵌入式系统具有集成度高、专用性强、体积小、高 实时性、高可靠性等普通p c 机无法比拟的优点，非常适合c e m s 的功能需求。 r 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集b - 分析系统的研究与开发 2 3 1 嵌入式系统 根据i e e e ( 电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助装置、机器和设备运行的装置”( a ne m b e d d e ds y s t e md 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 rp l a n t s ) 。从中可 以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。目前，国内一个普遍被认同的定义是： 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。 嵌入式系统一般由硬件平台和软件平台两部分组成，其中硬件平台包括嵌入 式微处理器和外围硬件设备1 7 1 。软件平台包括板载支持包b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ) 、嵌入式操作系统、应用软件。如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式系统组成结构 嵌入式微处理器是嵌入式硬件平台的核心，集成存储器和系统专用的输入输 出设备。而软件平台中的b s p 主要做两方面的工作，分别是系统初始化和硬件 相关的设备驱动。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的软、硬件资源分配，调度等 工作。而应用软件则是为了解决某些特定的应用性问题而设计的软件。 2 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式系统软件平台 的重要组成部分，为上层应用软件的开发和应用提供良好的运行环境。嵌入式操 作系统具有进程管理、存储管理、设备管理、处理器管理、输入输出管理等几方 9 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 面的基本功能。嵌入式操作系统具有高安全性、高实时性、可定制性、可移植性 等比桌面操作系统不可比拟的优点8 1 9 1 。 目前，市场上存在的嵌入式操作系统产品有百种以上，比较常用的嵌入式操 作系统有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、嵌入式l i n u x 、p a l mo s 、s y m b i a n 等。 由于w i n d o w sc e 系统具有强大的通信和图形显示功能，能够提供方便友好 的人机交互功能，因此本系统中选用w i n d o w sc e 操作系统作为嵌入式操作 系统。 w i n d o w sc e 是微软公司自行开发的嵌入式操作系统，其设计目标是：模块 化及可延展性，实时性能好，通信能力强大，支持多种c p u 。其主要特征有以 下几点【1 0 】： ( 1 ) 采用了对象存储技术，包括文件系统、注册表及数据库。 ( 2 ) 灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒模式，尽量延长供电设备的使用 时间。 ( 3 ) w i n d o w sc e 是一个多任务的操作系统，能够同时执行多个进程，并能 够实现在多个进程之间的切换。 ( 4 ) 通信能力强大，能够支持大部分通信硬件，同时支持拨号连接以及局 域网连接，并提供与i n t e m e t 、p c 等连接，甚至支持应用数据在设备至设备之间 的传输。 ( 5 ) 拥有强大的图形显示功能和友好的人机交互功能。w i n d o w sc e 拥有 i n t e r n e t 浏览器，同时还支持3 d 图形显示、语音识别、手写输入识别等多种应用， 给用户提供了极大的方便。 ( 6 ) w i n d o w sc e 内置的多媒体功能，能够实现对音视频文件的播放功能。 同时w i n d o w sc e 还支持扩充卡，如s d 、m m c 卡等，以实现多种功能。 1 0 壤十a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集j j 分析系统的研究与开发 3 硬件系统设计 3 1 硬件系统整体架构 本系统主要是完成c e m s 中的数据采集及分析的设计与实现，在数据采集 系统中应提供一套完整的数据采集功能，它能够从多种监测设备中获取监测数 据，通过系统的数据处理和分析模块综合处理后，将事件信息发送到前台显示， 或者其它指定的数据接收方，减少大量的手工工作量，提高数据采集管理效率。 同时本系统拥有外部设备控制模块，可以控制相应外部设备的开关，如吹风机， 保证传感器清洁可靠等。系统整体如图3 1 所示。 图3 1 系统整体图 为了便于系统的开发以及在以后的功能扩展，本系统采用了模块化设计方 案。根据系统的功能划分，本系统主要分为五个模块：a r m 控制平台、显示模 块、开关量数据采集模块、模拟量数据采集模块以及c a n 总线通信模块。其中 开关量数据采集模块和模拟量数据采集模块独立完成数据采集的功能，然后通过 c a n 总线实现与a r m 控制平台之间的数据传输，这样既容易实现系统的扩展， 同时也增强了系统的安全性和稳定性。为了信息能在c a n 协议的标准下进行通 基于a t 9 1s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 信，因此各个模块都有c a n 总线接口电路。 系统硬件整体架构如图3 2 所示。 图3 2 系统硬件整体架构 ( 1 ) a r m 控制平台 a r m 控制平台是整个系统的核心。采用a t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为主控芯片，控 制整个系统的运作，包括w i n d o w sc e 系统的运行、驱动程序的运行、数据的收 集、数据显示、控制外部设备等。 ( 2 ) 显示模块 。 本系统的显示模块采用触摸屏作为显示屏幕，并通过其作为用户与整个系统 的交互工具。 ( 3 ) 开关量数据采集与控制模块 该模块模块用于完成对现场开关量数据的采集和对相应外部设备的控制功 能。在本系统中，该模块独立完成数据采集功能，然后通过c a n 总线实现与a r m 控制平台的通信，这样能更好的保证系统的稳定性。 ( 4 ) 模拟量数据采集模块 该模块用于完成对现场模拟量数据的采集和传送功能。该模块也是独立的完 成对模拟量数据的采集，然后通过c a n 总线实现与a r m 控制平台的通信。 1 2 基于a t 9 1s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 3 2a t 9 1 s a m 9 2 6 3 主板 基于系统的整体要求，本系统采用a t 9 1 s a m 9 2 6 3 主板作为a r m 控制平台。 该主板采用a t m e la t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为微处理器，由于a r m 内核功能强大， 而且应用技术比较成熟等特点，因此使其广泛应用到数据采集、工业控制、信息 通信、视频监控等各个方面。 1 3 2 1a r m 微处理器的选取 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 有三种含义，它既是一个公司的名称，有 是一类微处理器的通称，同时还是一种开发技术的名称。 a r m 公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴来生产各具特色 的芯片。a r m 公司专注于设计，设计的芯片内核耗电少，成本低，功能强，特 有1 6 3 2 位双指令集。a r m 已经成为移动通信、手持计算、通信系统、多媒体 数字消费等嵌入式解决方案的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ，精简指 令集计算技术) 实际标准。 采用精简指令集计算技术构架的a r m 微处理器一般特点如下【l o 】： ( 1 ) 低成本、低功耗、小体积、高性能。 ( 2 ) 广泛使用寄存器，指令执行速度更快。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 寻址方式简单灵活，执行效率高。 ( 5 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成。 。 ( 6 ) 固定的指令长度。 目前，a r m 处理器的产品系列有：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系 列、a r m l 0 e 系列、a r m i i 系列、s e c u r c o r e 系列、s t r o n g a r m 、i n t e l 公司的 x s c a l e 、c o r t e x m 3 、m p c o r e 。a r m 的每个系列都有其特点和特定的应用领域， 因此要根据需要选择合适的a r m 内核。在确定了a r m 内核之后，接下来要根 据实际的需求，选择一款合适的为处理器。 根据系统的实际需求，在选择a r m 微处理器时，主要需要考虑的问题有以 下几个方面【l l 】： 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 a r m 内核的选择 a r m 微处理器具有不同系列的内核结构，就如文章前面介绍的，每个系列 都具有不同的特点和特定的应用领域，因此，在实际应用中应该需要根据产品的 不i 司需求，以确定使用哪一款a r m 微处理器内核结构。 ( 2 ) 工作频率的确定 a r m 微处理器处理任务的能力在很大程度上是由工作频率决定着的。比如 a r m 7 的典型频率是8 0 m h z ，a r m 9 的典型频率是1 5 0 m h z ，a r m l 0 的典型频 率是2 6 0 m h z ，而a r m l1 的典型工作频率则达到3 3 5 m h z 。但是系统的工作频 率越高，也就意味着系统的功耗就越大。因此，在实际应用中，并不是系统的工 作频率越高越好，应该根据系统需求选择合适的工作频率。 ( 3 ) 芯片内存储器的容量 一般来说，芯片内存储器的容量都不是很大，因此设计员需要根据系统要求 对存储器进行外部扩展，但是一些芯片也具有容量相对较大的存储器。例如本系 统所采用的a t m e la t 9 1s a m 9 2 6 3 就具有2 m b 的存储空间，这样可以简化系统 的设计。在实际设计中，用户可以根据需求选择合适的方案。 ( 4 ) 片内外围电路 片内外围电路是指除了a r m 微处理器的内核以外，芯片根据不同的工作环 境和系统要求，扩展了相应的外围功能模块，并将这些模块集成到芯片中。一般 来说，几乎所有的a r m 芯片都具有片内外围电路。开发人员应该根据系统的实 际要求，选择带有合适的片内夕 围电路的a r m 芯片，并尽可能的选用片内外围 电路完成系统的功能，可以大大节约开发成本，简化系统的设计，同时也能提高 系统的稳定性。 由于本系统需要实时的采集、处理、传输、显示多路数据，需要微处理器有 较强的处理能力，同时为了减少系统的开发时间，方便用户操作的目的，本系统 采用了a t m e l a t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为微处理器。 3 2 2a t 9 1s a m 9 2 6 3 芯片特点 a t 91s a m 9 2 6 3 是3 2 位处理器，以a r m 9 2 6 一e j sa r mt h u m b 处理器为核 心的完全的片上系统，它扩展了d s p 指令集和j a z e l l ej a v a 加速器。其主要特 1 4 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 点有【1 2 】： ( 1 ) 融合了a r m 9 2 6 e j s t ma 心俨t h u m b 圆处理器 一扩展d s p 指令，a r mj a z e l l e 技术提供了j a v a 加速功能 一1 6 k 字节数据缓存，1 6 k 字节指令缓存，写缓冲器 一工作于2 0 0m h z 时性能高达2 2 0m i p s 一存储器管理单元 一嵌入式i c e ，支持调试信道 。 一中等规模的嵌入式宏单元结构 ( 2 ) 附加的嵌入式存储器 一12 8 k 字节片内r o m ，最大总线速率下单周期访问 一8 0 k 字节片内s r a m ，最大处理器或总线速率下单周期访问 ( 3 ) 多外部总线接口( e b l 0 和e b l l ) - - e b l 0 支持s d r a m ，静态存储器，n a n df l a s h 和c o m p a c t f l a s h - - e b i1 支持s d r a m ，静态存储器，n a n df l a s h 和c o m p a c t f l a s h ( 4 ) l c d 控制器 一支持被动或主动显示 一在s t n 彩色模式下达1 6 位深每像素 一在t f t 模式下达1 6 m 色( 2 4 位深每像素) ，分辨率高达2 0 4 8 * 2 0 4 8 ( 5 ) u s b - - u s b2 0 全速( 1 2 m 位每秒) 主机双端口 双重片上收发器 集成f i f o s 和专用d m a 通道 - - u s b2 0 全速( 1 2 m 位每秒) 设备端口 片上收发器，2 4 3 2 k 字节可配置的集成d p r a m ( 6 ) 全特征系统控制器，包括 一复位控制器，掉电控制器 一支持总共8 0 字节的2 0 个3 2 - b i t 电池备份寄存器 一时钟发生器和功率管理控制器 一先进的中断控制器和调试部件 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 一周期问隔定时器，看门狗定时器和实时定时器 ( 7 ) 复位控制器( r s t c ) 一基于上电复位的单元，复位源辨认和复位输出控制 ( 8 ) 掉电控制器( s h d w c ) 一可编程掉电引脚控制和唤醒电路 ( 9 ) 时钟发生器( c k g r ) 一电池备份电源上的3 2 7 6 8 k h z 低功率振荡器，提供一个永久慢速时钟 一3 到2 0 m h z 的片上振荡器和两个高达2 4 0 m h z 的p l l s ( 1 0 ) 功率管理控制器( p m c ) 一超慢速时钟操作模式，软件可编程功率优化能力 一四个可编程外部时钟信号 ( 1 1 ) 先进的终端控制器( a i c ) 一可单独屏蔽的，8 级优先级，向量中断源 一两个外部中断源和一个快速中断源，伪中断保护 ( 1 2 ) 调试部件( d b g u ) 一2 线u a r t 兼容接口，可通过编程禁止通过i c e 访问 ( 1 3 ) 周期间隔定时器( p r r ) - - = 2 0 位间隔定时器加1 2 位间隔计数器 ( 1 4 ) 看门狗定时器( w d t ) 一受预设值保护、一次性可编程的、运行在慢速时钟的1 6 位窗口计数器 ( 1 5 ) 实时定时器( r 1 陌) 一运行于慢速时钟的3 2 位自由运行的( 备份) 计数器 ( 1 6 ) 五个3 2 位并行输入输出控制器( p i o a ，p i o b ，p i o c ，p i o d 和p i o e ) 一1 6 0 可编程i o 口线多路复用支持达两个外设i o 口 一在每个i o 口线上具有输入改变中断能力 一单独得可编程开漏，上拉电阻和同步输出 ( 1 7 ) c a n 控制器，支持2 0 a 和2 0 b ( 1 8 ) 两路多媒体卡接口( m c i ) 一支持s d 卡和m u l t i m e d i a c a r d ( m m c 卡) 1 6 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 3 的c e m s 数据采集与分析系统的研究与开发 自动协议控制 ( 1 9 ) 两个同步串行控制器( s s c ) 一每个接收器和发送器都具有独立的时钟和帧同步信号 一支持i i s 模拟接口，支持时分多路复用 一支持3 2 位数据传输的高速连续数据流功能 ( 2 0 ) 三个通用同步异步收发器( u s a r t ) j 一独立的波特率发生器，i r d a 红外调制解调 一支持i s 0 7 8 1 6t o 厂r 1 智能卡，硬件和软件握手信号，支持r s 4 8 5 ( 2 1 ) 两个主从串行外设接口( s p i ) 一8 到1 6 位可编程数据长度，四个外部外设片选 ( 2 2 ) 一个三通道1