（信号与信息处理专业论文）嵌入式大气偏振信息检测装置硬件系统设计与实现.pdf

嵌入式大气偏振信息检测装置硬件系统设计与实现 摘要 基于大气偏振模式的仿生导航是拓展人类在复杂自然环境中导航能力的关 键技术。大气偏振模式中蕴含着重要的罗盘方位信息，因此大气偏振信息检测 装置的研制工作对该项研究有着重要的意义。本文采用先进的嵌入式技术，围 绕高性能a r m 9 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，设计并实现了一种能够独立完成信息检 测、运动控制、数据采集和信息处理任务的大气偏振信息检测装置硬件系统。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对检测装置功能和结构的分析，设计了以嵌入式a r m 9 处理器 a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的硬件系统架构，分别阐述了两部分硬件主体的组成和作 用，并介绍了与硬件调试相关的软件系统方案。 ( 2 ) 根据偏振信息检测原理，设计了一种新型偏振信息检测传感器，详细描 述了传感器的结构特点和电路设计，重点分析了传感器的结构优势、加性误差 来源和电路补偿方法。 ( 3 ) 详细阐述了大气偏振信息采集与控制系统各硬件模块的电路设计，并讨 论了主电路板p c b 设计的步骤和技巧，实现了现场环境下单机采集、控制、处 理及通信功能。 ( 4 ) 总结归纳了硬件系统调试过程，调试中出现的问题以及解决方法，并给 出了硬件系统与整个检测装置的开发成果。最后通过实际检测实验，验证了检 测原理，初步证明了系统的有效性。 关键词：嵌入式技术；偏振信息检测；a t 9 1 r m 9 2 0 0 ；运动控制；数据采集 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dh a r d w a r es y s t e m f o r a t m o s p h e r i cp o l a r i z a t i o ni n f o r m a t i o nd e t e c t i o ne q u i p m e n t a b s t r a c t t h eb i o m i m e t i cn a v i g a t i o nb a s e do nt h ea t m o s p h e r i cp o l a r i z a t i o nm o d ei so n e k e yt e c h n o l o g yf o rh u m a nt oe x t e n dt h e i rc a p a b i l i t yo fn a v i g a t i o ni nc o m p l e x n a t u r a le n v i r o n m e n t t h e a t m o s p h e r i c p o l a r i z a t i o nm o d ec o n t a i n si m p o r t a n t c o m p a s sd i r e c t i o ni n f o r m a t i o n ，s ot h ed e v e l o p m e n to fa t m o s p h e r i cp o l a r i z a t i o n i n f o r m a t i o nd e t e c t i o ne q u i p m e n th a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h i s r e s e a r c h i nt h i s t h e s i s ，c e n t e r i n g o n h i g h p e r f o r m a n c e a r m 9 p r o c e s s o r a t 91r m 9 2 0 0 ，w eh a v ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e das e to fh a r e w a r es y s t e mf o r a t m o s p h e r i cp o l a r i z a t i o n i n f o r m a t i o nd e t e c t i o ne q u i p m e n tw h i c hi sa b l et o c o m p l e t ei n f o r m a t i o nd e t e c t i o n ，m o t i o nc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o na n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt a s k si n d e p e n d e n t l yw i t ha d v a n c e de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h em a i n r e s e a r c ho ft h i sp a p e rs h o w sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef u n c t i o n sa n ds t r u c t u r eo fd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，w e d e s i g n e dt h eh a r e w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r ew h i c hi st a r g e t e da te m b e d d e d a r m 9p r o c e s s o ra t 91r m 9 2 0 0 t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft w oh a r d w a r e s u b j e c t sa r ee x p a t i a t e ds e p a r a t e l y a n dt h e nt h es o f t w a r es y s t e ms o l u t i o ni n r e l a t i o nt oh a r d w a r ed e b u g g i n gi si n t r o d u c e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp o l a r i z a t i o ni n f o r m a t i o nd e t e c t i o n ，w ed e s i g n e d an e wt y p eo fp o l a r i z a t i o ni n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns e n s o r t h es t r u c t u r a l f e a t u r e sa n dc i r c u i td e s i g na r ed e t a i l e d ，w i t ha ne m p h a s i so nt h es t r u c t u r a l a d v a n t a g e s ，a d d i t i v ee r r o ra n dc i r c u i t s c o m p e n s a t i o no ft h es e n s o r ( 3 ) t h ec i r c u i td e s i g no fa t m o s p h e r i cp o l a r i z a t i o ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n d c o n t o l s y s t e mh a r d w a r em o d e l sa r ee x p o u n d e d ，a n dt h e nt h es t e p sa n d t e c h n i q u e so fm a i np c bd e s i g na r ed i s c u s s e d t h es y s t e mr e a l i z e sa c q u i s i t i o n ， c o n t r o l ，p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nt h ef i e l de n v i r o n m e n t ( 4 ) t h ep r o c e s s ，p r o b l e m sa n ds o l u t i o n si nt h eh a r d w a r ed e b u g g i n ga r es u m m a r i z e d a n dt h e d e v e l o p m e n t a c h i e v e m e n t s o fh a r d w a r e s y s t e m a n dd e t e c t i o n e q u i p m e n ta r eg i v e n f i n a l l y , w ev e r i f i e dt h ed e t e c t i o np r i n c i p l ea n ds y s t e m e f f e c t i v e n e s sp r i m a r i l yt h r o u g ht h ep r a c t i c a lt e s t k e y w o r d s ：e m b e d d e d t e c h n o l o g y ；p o l a r i z a t i o n i n f o r m a t i o n d e t e c t i o n ； a t 91r m 9 2 0 0 ；m o t i o nc o n t r o l ；d a t aa c q u i s i t i o n 插图清单 图1 1沙蚁生物行为图1 图1 2二维旋转式大气偏振信息检测装置示意图2 图1 3 一维旋转式大气偏振信息检测装置示意图一4 图1 4多环境下检测装置使用示意图4 图2 1大气偏振信息检测装置组成框图6 图2 2一维旋转式机械结构7 图2 3a r m 公司市场份额占有图8 图2 4硬件系统架构1 1 图2 5最小系统设计框图1 2 图2 - 6软件系统架构图1 3 图2 7引导程序流程图1 5 图2 8系统b o o tl o a d e r 构成示意图1 6 图2 - 9软件系统工作流程图1 7 图3 1沙蚁p o l 神经元结构及对偏振信息的处理过程一1 8 图3 2偏振信息检测单元原理图1 8 图3 3传感器结构图2 0 图3 4偏振信息检测单元电路设计框图2 1 图3 5 g t l 0 1s ip i n 光电二极管光谱响应曲线图2 2 图3 6对数比例运算电路( 光电转换电路) 2 3 图3 7l o g l 0 4 内部结构图2 3 图3 8信号调理电路2 4 图3 - 9加入误差补偿的信号调理电路2 8 图3 1 0正负电源电路2 9 图4 i时钟电路3 0 图4 2复位电路31 图4 3s d r a m 电路3 2 图4 4n o rf l a s h 电路“3 3 图4 5n a n df l a s h 电路3 3 图4 6 j t a g 接口电路一3 4 图4 7电源电路3 5 图4 8显示控制电路连接图3 6 图4 - 9触摸屏接口电路连接图3 6 图4 1 0串口通信电路3 8 图4 1 1u s b 接口电路3 8 图4 1 2s d m m c 接口电路3 8 9 图4 1 3 图4 1 4 图4 15 图4 16 图4 1 7 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 以太网接口电路3 9 单总线多通道同步数据采集方式4 0 开关选择多通道数据采集方式4 0 m a x l 2 7 内部组成框图4 2 m a x l 2 7 读写周期图一4 3 模数转换电路图一4 3 运动控制原理框图一4 4 步进电机驱动器电路图4 6 主电路板p c b 布局图4 7 主电路板p c b 层叠结构一4 8 主电路板p c b 设计图4 9 系统调试流程5 0 芯片内核信息5 0 b o o tl o a d e r 移植与内核烧写流程图5 1 调试环境实物图5 2 硬件系统实物图5 2 烧写n o rf l a s h 的j - f l a s h 软件界面5 3 大气偏振信息检测装置实物图5 4 q t 图形运动采集界面5 4 补偿前的偏振信息检测传感器输出5 5 补偿后的偏振信息检测传感器输出5 5 偏振角度检测结果5 6 偏振度检测结果5 6 1 0 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表格清单 a r m 9 与a r m 7 内核比较9 两种a r m 9 处理器比较9 g t l 0 1s ip i n 光电二极管电参数2 2 a d 6 2 0 增益选择方式2 5 a d 6 2 0 主要指标2 5 m a x 6 0 3 3 主要指标2 7 三种外部存储器特点比较3 2 j t a g 接口描述表一3 4 9 芯串口引脚定义3 7 1 2 c 与t w i 对比表4 1 m a x l 2 7 控制字节定义4 2 电压范围与极性选择4 2 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 佥目巴王些太堂 或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：镅列 l签字日期：2 研j 2 二z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆王些太堂有关保留、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 权金魍王些太堂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适用本授权书) 学位论文作者签名： 确翊 签字日期：2 嘶年2 月一2 穸日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 日 致谢 时光匆匆，三年多紧张忙碌的研究生生活即将结束。这段珍贵的经历承载 着光荣与梦想，奋斗与彷徨，快乐与失落，为我的学生时代画上圆满的句号。 首先，我想将最真挚的感谢和由衷的敬意送给我的导师高隽教授。您深邃 的思想，敏锐的洞察力、丰富的人生经验不断地引导着我，学习做人、做事， 寻找人生定位，开拓学术视野，获得追求幸福的能力。从合肥到台北，从柏林 到巴黎，我越来越深切的感受到：一日为师，终身受益。师恩深重，无以为报。 感谢“图像信息处理研究室 这个荣誉的集体。实验室“协同形成结构， 竞争促进发展的核心文化，潜移默化地影响着每一个“图像室 人，激励着 我们面对挑战、迎难而上。 感谢“i m a g e b c s ”小组的负责人范之国老师，您对我的学习和生活给予 了很多具体的指导和建议，令我获益良多。感谢我的小组搭档潘登凯和崔帅， 我们共同努力，克服了一道道技术难关，也结下了深厚的友谊。感谢小组的魏 靖敏、张武昕、吴良海、范宁生、杨姜伟、田柳等同学一直以来对我的科研工 作和论文写作提供的无私帮助。 感谢与我同届的实验室成员：凌虎、冯文刚、叶之金、张翼、任溯、薛艳、 范瑾瑾、吴克伟。无论大家身处天南海北，我们都共同拥有一个响亮的、自豪 的、辉煌的称号：“图像九连环。我将永远以身为九连环“老四”为荣。 感谢在德国海尔布隆大学交流学习期间给予我巨大帮助的p e t e ro t t 教授一 家以及好友t o b i a sb u s s i n g 、k a t h a r i n am a y r 。祝愿你们在工作和学习岗位上， 获得更大的成功。 感谢实验室的全体老师、师兄师姐和师弟师妹们，他们是张旭东老师，张 仁斌老师、胡良梅老师、徐小红老师、谢昭老师、孙永宣、王晓嘉、钱乐乐、 陈果师兄，赵莹、刘小英、杨静师姐，程晨、曲贺楠、丁津津、贾保柱师弟， 林金金、石伟玉、张骏、黄帅、苏菱、李洋、万姝伊、朱士蓉师妹，以及其它 研一研二的师弟师妹们。感谢你们为我所做的一切! 这里特别要感谢我的父母，几十年来含辛茹苦地培育我，默默地在背后支 持我。“谁言寸草心，报得三春晖 。从您们身上，我获得了奋发拼搏的动力， 也感到了未来肩上的责任。 最后再次感谢所有支持过、帮助过、关心过我的人，谢谢你们! 作者：胡翊 2 0 0 9 年1 2 月 第一章绪论 1 1 概述 l l i 课题研究背景 本课题来源于国家8 6 3 项目：“仿沙蚁偏振光导航与定位技术研究” ( 2 0 0 8 - 2 0 1 0 ) 。本课题的研究内容是这个项目的重要组成部分。 地球表面被大气所包围，大气对太阳光的散射是十分重要的光学现象是 光与物质相互作用的结果。太阳光是一种振动方向与传播方向垂直的横电磁波， 其在大气传输过程中受到大气中粒子的散射和反射作用，会产生相应的偏振光。 这些具有不同偏振方向、不同振动强度的偏振光形成的特定偏振态分布，称为 大气偏振模式。研究表明，大气散射辐射的偏振状态对散射体的形状和尺度十 分敏感，所以，大气偏振模式和地理位置、太阳位置、大气环境、天气情况以 及地表环境都有着密切的联系是一种规律复杂的自然现象川。 虽然人类不能直接感知天空中的大气偏振模式，但这些自然信息却是很多 昆虫赖以生存的重要资源。研究发现，这些昆虫可以通过眼部特殊的感光结构 接收天空偏振模式信息，为其罗盘提供参考方向，实现复杂的导航功能【2 ”。如 图1 - l ，最典型的例子是沙蚁( c a t a g l y p h i s ) ，它能够在完成远离巢穴的复杂捕 食活动后，沿着近似直线方向返回巢穴。沙蚁所实现的这种导航功能就是利用 其复眼中特殊的偏振神经感光结构来获取天空偏振模式信息，从而获得准确、 稳定、可靠的罗盘信息”。 匪篚斛 匿 图1 - 1 沙蚁生物行为图 由此可知，大气偏振模式蕴含着重要的方位信息，是在仿生学背景下利用 自然偏振光开展自主导航与定位技术研究的关键问题。而研究大气偏振模式的 前提是进行垒面、深入的大气偏振信息检测。 本课题的主要工作是在仿效沙蚁眼部偏振神经感光结构的基础上，设计偏 振信息检测传感器，进而研制一种新型的大气偏振信息检测装置有效的获取 全天域的大气偏振信息，为研究大气偏振模式及其导航机理提供实际的检测数 据是后续理论研究的基石。 1 12 课题研究现状 对大气偏振信息检测技术的研究首先来自于国外的一些科研机构。根据研 究方法不同，主要分为基于偏振成像和基于光电模型两大类： 基于偏振成像的检测方法是由苏黎世大学的r n d i g e r w e h n e r 教授和迈阿密 大学的k e n n e t hj r o s s 等人提出的【日】。该方法主要采用偏振成像系统获得大气 偏振图像，再对这些偏振圈像进行相应的处理，得到大气偏振信息。该方法的 缺点主要集中在系统的措建上：偏振成像前端需要设计价格昂贵、构成复杂的 光学系统，而几乎所有的光学元件都是偏振器件，都会影响和改变入射光的偏 振态给检测装置带来附加偏振度，从而影响检测精度；而成像后端采用的c c d 或c m o s 传感器标定困难，非线性误差较大。 基于光电模型的检测方法是w e h n e r 教授通过对沙蚁眼部偏振神经感光结 构的深入研究提出的一种单点检铡方法p 】。该方法仅适用于检测局部天空区域， 无法对整个天空进行检测，不能获取全天域的大气偏振信息。 在国外研究成果的基础上，国内的一些科研机构开展了丈气偏振信息检测 装置的研制工作。如图1 - 2 ，本课题小组在长期从事基于光电模型的大气偏振 信息检测研究中首先研制了基于1 6 位单片机的二维旋转式大气偏振信息检测 装置，这种装置通过步进电机带动单个传感器进行水平方向3 6 0 。和垂直方向 9 0 0 的旋转运动实现了初步的全天域的大气偏振信息检测，配合r s 2 3 2 串行 通信口，从用户控制中心接受命令，并回传采集数据。 亏蒡攀季塑 - ：| i | ! 纂蓑馘 跫i 拦写 、塞釜7 用户控制中心 圈i - 2二维旋转式太气偏振信息检测装置示意图 此检测装置很好的验证了w e h n e r 教授提出的基于光电模型的单点检测方 法但其不足也十分明显： ( 1 ) 二维旋转是非常复杂的运动过程，假设实际检测采取每间隔5 0 采集 一次数据，则一次全天域扫描必须进行1 2 9 6 次数据采集，需要消耗大量的时间， 无法满足全天域大气偏振信息检测的实时性要求。 ( 2 ) 为实现二维旋转，检测装置设计了庞大、复杂的机械结构，不方便携 带，很难完成多种环境下的检测任务。 ( 3 ) 采用8 位单片机作为硬件系统核心，在野外恶劣的检测环境下，无法 保证系统的可靠性，而且十分依赖用户控制中心。 综上所述，由于此装置不能满足实际检测要求，所以迫切需要设计一种更 为有效、实用的大气偏振信息检测装置。当前，高级嵌入式系统的不断完善和 发展为完成这一任务提供了技术保障。 1 1 3 嵌入式技术介绍 在计算机技术、现代通信技术和大规模集成电路技术飞速进步的今天，嵌 入式技术得到了迅猛的发展。嵌入式系统通常被定义为：以应用为核心，以计 算机技术为基础，软硬件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗 等综合性能要求严格的专用计算机系统【1 0 】。 与通用计算机不同，嵌入式系统具有特定的目的性或针对性。具体的讲， 就是每套嵌入式系统都是根据特殊的应用场合与特定功能而设计的，并由于特 定的设计目的，受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制。因此，嵌入式系 统必须要求在软硬件配置上最大限度的量身定做，以提高整个系统的效率，进 而大大增强系统的实时性。 目前，3 2 位嵌入式处理器逐步成为了嵌入式系统开发和应用的主力军，与 传统的8 位单片机处理器相比，它具有更高的性能，更低的功耗，可以完成多 媒体、网络通信、大容量信息存储、读写等各种复杂的功能。同时，伴随微电 子技术的不断进步，3 2 位嵌入式处理器的成本不断降低，在中高端嵌入式系统 应用中，已出现了逐步取代传统8 位处理器的趋势。可以预见的是，通过数字 信息技术和互联网技术密切结合，以3 2 位处理器为代表的嵌入式技术，将更加 广泛的应用于科学研究、工程设计、消费电子、军事、航天等各个领域。 1 1 4 课题研究意义 为了解决原有检测装置存在的问题，更好的完成偏振信息检测任务，本课 题应用高端嵌入式技术，设计了一种基于3 2 位嵌入式处理器的一维旋转式大气 偏振信息检测装置。 如图1 3 ，本装置采用一维旋转式机械结构。只要在水平方向上快速旋转 一周，就可以完成一次全天域的偏振信息采集。装置硬件系统以工业级高端嵌 入式a r m 9 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心，实现检测装置的一维旋转运动，等间 隔采集来自传感器的大气偏振信息，并完成采集数据的处理、存储和显示【1 1 】【12 1 。 高性能的嵌入式系统设计能够独立完成所有任务，降低了对用户控制中心的依 赖性。最后，利用以太网或无线数传模块将数据传送给远程的用户控制中心。 一维旋转式结构 ：繁i 争 圈1 - 4 多环境下检测装置使用示意图 本装置的可调节性、高可靠性和低功耗设计保证了实时、准确、持续地 完成偏振信息的获取，为从理论方面研究大气偏振模式规律提供依据同时也 为进一步的仿生偏振光导航机器人平台的设计提供工程和技术借鉴。 1 2 论文主要内容与章节安排 本文的主要工作是以国外关于沙蚁行为方面的研究内容为生物基础，结合 国内关于太气偏振信息检测装置的研究成果，采用光电信息处理方法和嵌入式 技术，完成了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的嵌入式大气偏振信息检测装置硬件系统的设 计与实现。本文的主要内容如下： ( 1 ) 大气偏振信息检测装置总体设计 通过对检测装置功能和结构的分析阐述了以高端嵌入式a r m 9 处理器 a t g l r m 9 2 0 0 为核心的硬件系统架构，将系统分为偏振信息检测传感器和大气 偏振信息采集与控制系统两个硬件主体，分别介绍了它们的组成和作用，并给 出了与硬件调试相关的软件系统设计方案。 ( 2 ) 偏振信息检测传感器设计 根据偏振信息检测原理，设计了一种新型偏振信息检测传感器。介绍了传 感器的平面四通道结构，突出了结构设计的优势。进而详细描述了传感器的电 路设计，重点分析了加性误差来源和电路补偿方法。 ( 3 ) 大气偏振信息采集与控制系统设计 围绕a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片的功能特点，对大气偏振信息采集与控制系统的最 小系统、人机交互、通信、模数转换、运动控制等各个功能模块的设计原理、 硬件选型、电路构成、工作方式、设计优势等诸多方面进行了深入的讨论。并 介绍了主电路板p c b 设计的步骤和技巧。系统具备了现场环境下单机采集、控 制、处理及通信功能。 ( 4 ) 系统调试与检测实验 详细阐述了硬件系统的调试过程，总结了调试中出现的主要问题以及应用 软硬件手段解决问题的经验，并且给出了最终检测装置的实物成果和实际实验 结果，验证了偏振信息检测原理，初步证明了系统的有效性。 本文的章节安排如下： 第一章阐述课题的研究背景，结合研究现状和嵌入式技术，说明了课题的 研究意义，并给出论文的主要内容和章节安排； 第二章围绕大气偏振信息检测装置功能和结构，分别阐述了检测装置的硬 件系统设计和软件系统设计； 第三章介绍了偏振信息检测传感器的原理，阐述了偏振信息检测传感器的 结构特点和电路设计方案，是本文的核心章节之一： 第四章深入讨论了大气偏振信息采集与控制系统的各功能模块的电路原理 图设计和相关的p c b 设计，是本论文另一核心章节； 第五章介绍了调试过程和问题处理，给出了实物成果和实验结果，验证了 系统功能和偏振信息检测原理； 第六章为总结和展望，对本文工作进行总结，同时介绍课题遗留问题，展 望下一步的工作。 5 第二章大气偏振信息检测装置总体设计 本章通过对大气偏振信息检测装置功能和结构的分析，分别阐述了检测装 置的硬件系统设计和软件系统设计。 2 1 检测装置概述 2 1 1 功能结构分析 针对影响大气偏振模式的诸多因素，本装置要实现的主要功能是： ( 1 ) 实现对不同检测地点、不同检测环境的偏振信息检测，既可以满足长 时间定点检测的需要，又能实现同一时刻的多点检测。 ( 2 ) 保证对整个天空区域的偏振模式信息的获取，完成对多路传感器的信 号采集，努力提高信息检测的实时性和精确性。 ( 3 ) 具备现场环境下的单机控制、采集、处理数据的功能，操作简便，并 且提供快速、稳定的网络传输能力。 根据上述需求，本节给出了装置的组成框图。如图2 1 所示，本装置主要 包括多维检测平台、水平旋转台、偏振信息检测传感器、数据采集部件、电机 控制部件。其中，前两者属于机械结构，后三者属于硬件系统。它们与软件系 统相互配合，共同实现装置功能。 本装置的工作流程是：首先，由数据采集部件向电机控制部件发送控制命 令，两者间的通信采用专用的无线数传模块。然后，由电机控制部件控制步进 电机驱动器，驱动水平旋转台，实现多维旋转平台的水平旋转，并回传运动位 置信息。第三，由数据采集部件按一定的时间间隔采集来自偏振信息检测传感 器的偏振信息，并在采集结束后进行相应的信息处理。 图2 一l 大气偏振信息检测装置组成框图 6 2 1 2 机械结构设计 本设计采用了一维旋转式机械结构。如图2 2 所示，装置的顶部是多维检 测平台，用于安装数据采集部件和偏振信息检测传感器。5 个传感器依次沿纵 轴( z 轴) 方向成15 0 间隔放置，分别对应不同的天空区域，并按各自的检测范 围顺次结合，可以在一瞬间实现对这一片天域无缝的偏振信息检测。值得注意 的是，这种设计忽略了接近水平面从0 0 到3 0 0 对应的天空区域。这是由于该区 域在检测中经常被建筑物遮挡，不能保证检测数据的有效性，无法正确的反映 大气偏振模式。装置的底部是带有步进电机的水平旋转台，可以在电机控制部 件的驱动下，带动多维检测平台水平旋转任意角度。 一i r 、 b 彭3 0 。v 一_ 多维检测平台 o f1 卅- 1 i水平薄转台 厂 l l 爿i 图2 - 2一维旋转式机械结构 在实际检测中，传感器随着多维检测平台水平一维旋转，朝向天空区域发 生周期性变化。只要经过3 6 0 0 的旋转，就可以获取全天域的大气偏振信息。 2 2 硬件系统设计 嵌入式处理器作为整个硬件系统的核心部件，直接决定了是否及如何满足 设计需求。因此，本节首先从嵌入式处理器的选型工作入手，进而围绕 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的特点，阐述了硬件系统架构，介绍了各硬件模块的作用 和功能。 2 2 1 嵌入式处理器选型 1 a r m 体系结构 1 9 9 0 年，英国的a r m 公司提出了影响深远的a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) 芯片设计技术。此后，世乔主要的半导体生产商都相继购买了该公 司的a r m 处理器核，并根据不同应用领域的需要，加入扩展功能的外围电路， 形成了分属不同厂商的a r m 处理嚣芯片系列。如图2 3 所示，目前基于a r m 技术的处理器已占据了3 2 位嵌入式r i s c 处理器应用市场7 5 以上的份额被 公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 处理器结构，而所有的a r m 处理器共享 这一体系结构。 田2 - 3a r m 公司市场份额占有图 a r m 体系结构是面向低预算市场设计的第一就r i s c 处理器，除了通用 r i s c 的一些特点之外，它还采用了一些特别舶技术，在保证高性能的前提下尽 可能的缩小芯片面积，降低成本。a r m 体系结构的主要特点包括： ( 1 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集。等价的代码，可以通 过编码更短的1 6 位指令集，实现高选3 5 的内存空间节约，但却保留了3 2 位 系统的所有优势。 ( 2 ) 使用多级流水线，将每条指令分解为多步，让各步操作重叠，从而实 现几条指令并行处理，大大提高了指令的执行效率。由于指令长度固定，寻址 方式简单灵活，井大量使用寄存器使多数数据操作可以在寄存器中完成，指 令执行速度更快。 ( 3 ) 提供嵌入式i c e - r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核等多种前沿调试特性，有 效的支持对系统的深度调试。 ( 4 ) 设计专门的协处理器和存储器管理系统，为操作系统遇到的各类问题 提供了有效的支持。 2a r m 内核选型 随着微电子技术的进步和芯片设计理念的创新，a r m 处理器核也在不断的 发展，形成了包括a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l 0 ，s e e u r c o r e 和最新的a r m i l 等多个 系列。此外，还有其它厂商基于a r m 体系结构的处理器i n t e r 的x s e a l e 和 s t r o n g a r m - a r m 9 系列姓理器作为英国a r m 公司设计的主流嵌入式处理器，以其在 3 g 时代产品应用中展现出的理想性价比，成为目前市场上嵌入式产品的主力 军。与传统的a r m 7 内核处理罂相比，a r m 9 内核取得了跨越式的发展，全新 釜一 嚣舭嘉 的设计理念，使a r m 9 处理器的处理能力是a r m 7 的两倍以上【1 3 粕】。 表2 1a r m 9 与a r m 7 内核比较 e。“+，。；： ， 内核 。， a r m 7 ，a r m 9 、荔 处理速度0 9 m i p s m h z1 1 m i p s m h z 流水线3 级流水5 级流水 存储器结构冯诺依曼结构哈弗结构 存储器管理单元m m u无有 高速缓存c a c h e无有 表2 1 列出了a r m 9 与a r m 7 内核体系结构的不同点。a r m 9 内核采用了 指令和数据分别设置存储器的哈佛结构，使用5 级流水线技术，将指令的执行 分割为5 个步骤而不是a r m 7 的3 个步骤，从而减少了每个时钟周期内必须完 成的最大工作量，允许系统在更高的时钟频率下运行。 通过以上分析，整个硬件系统的核心将选用基于a r m 9 内核的3 2 位嵌入 式r i s c 处理器。 3 a r m 9 处理器选型 目前，市场上基于a r m 9 内核的嵌入式处理器种类很多。一些著名的芯片 生产公司都有自己代表的a r m 9 处理器系列，其中应用最为广泛的是韩国三星 公司的$ 3 c 2 4 1 0 和美国a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 。表2 2 列出了这两种 a r m 9 处理器的异同点【1 7 】【1 引。 表2 - 2 两种a r m 9 处理器比较 o 。， too = “| 。? ，“ 17 | 僦r ，“? 馓；77 獬 ，a r m 9 处理器， j 。? 。jj $ 3 c 2 4 1 0j 。jt ，。，；一，。a t 9 1 r m 9 2 0 0 i ；。i ? 。霭 均采用a r m 9 2 0 t 内核 相同点 具有相似的外设接口 消费电子类工业级、稳定性高 不同点 b g a 封装 p q f p 封装、b g a 封装 j t a g 调试专用的串口调试通道、j t a g 调试： $ 3 c 2 4 1 0 与a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器都采用了a r m 9 体系中的a r m 9 2 0 t 内核 设计，$ 3 c 2 4 1 0 最高可运行在2 0 3 m h z ，而a t 9 1 r m 9 2 0 0 可以达到1 8 0 m h z ， 它们具有相似的外设接口，不同的是$ 3 c 2 4 1 0 采用了b g a 封装，体积小巧， 外设具有两个u s b d e v i c e 接口和更多的i o 资源，显然，这些设计主要是针对 多媒体等消费类电子产品市场，并不适合稳定、准确和抗干扰能力强的科学检 测装置的设计要求。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 采用的是工业级的芯片设计标准，工作温度从4 0 0 c 到+ 8 5 0 c 。 采用低功耗设计，v d d c o r e 电流为3 0 4 m a ，待机模式电流仅仅为3 1 m a 。芯 片提供了b g a 和p q f p 两种封装选择。在p c 板层设计中，复杂的b o a 封装 9 需要至少6 8 层的电路板设计。而p q f p 可以简化为4 层电路板，大大简化了 板级电路设计，节约了成本，也避免了由于复杂电路设计而产生的额外电子干 扰。2 0 8 个引脚在保证实现各种功能的同时，避免了多余接口资源的浪费。此 外，a t m e l 公司还专门为a t 9 1 r m 9 2 0 0 提供了专用的串口调试通道，便于在 引入嵌入式操作系统前的硬件系统调试。 由上所述，本装置最终选用了a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器，并围绕它的内核和外 设开展硬件设计。 2 2 2 a t 9 1r m 9 2 0 0 概述 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是美国a t m e l 公司于2 0 0 3 年推出的款低功耗、低成本、 高性能的嵌入式处理器，它主要的特性如下【i s i ： 基于a r m 9 2 0 t 内核u s l ，属于a r m 9 系列，采用了哈佛结构5 级流水线， 取指、译码、执行、读寄存器和写回同时进行，支持3 2 位a r m 和16 位 t h u m b 双指令集； 工作于1 8 0 m h z 时，最高处理速度高达2 0 0 m i p s ； 1 6 k b y t e 数据缓存和1 6 k b y t e 指令缓存； 1 6 k b y t e ss r a m 和1 2 8 kb y t e sr o m 低功耗设计：核心工作电流仅为3 0 4 m a ，待机模式电流为3 1 m a ，内核电 压最低可达1 6 5 v ，外部电压最高到3 6 v ； 两个双p l l 的片上频率振荡器，一个超低速时钟； 先进的中断控制器( a i c ) ，管理多达3 2 个中断； 4 个1 6 位定时器； 1 个支持长达2 0 0 年日历的实时时钟； 4 个3 2 位通用i o 控制器，可达到1 2 2 个可编程i o 引脚； 2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) ； 外部总线接口( e b i ) ，支持s d r a m ，b u r s t f l a s h 及静态存储器控制器，并 为n a n df l a s h 等存储器设计了专门的接口逻辑电路； 一个支持1 0 1 0 0 m 以太网接口； 一个u s b 主机控制器( u s bh o s t ) 和一个u s b 从节点控制器( u s b 2 0 ) ； 支持m m c 及两个s d 的多媒体卡接口( m c i ) ； 支持l c d 与触摸屏设计； 四个u s a r tr s 2 3 2 串口： 四个s p i 接口； 1 个t w i ，支持a t m e l 生产的所有1 2 ce e p r o m ； 1 个j t a g 接口，内部固化嵌入式复位程序，特别设计了支持调试信道的两 线u a r tr s 2 3 2 串口： 全功能m m u 支持l i n u x 、w i n c e 等大型嵌入式操作系统。 1 0 综上所述，a t 9 1 r m 9 2 0 0 是一款性能卓越的嵌入式处理器，完全可以满足 检测装置对控制、采集、显示、处理、存储和通信婷功能的需要。 223 硬件系统架构 如图2 - 4 所示检测装置硬件系统分为偏振信息检测传感器和大气偏振信 息采集与控制系统两部分，下面分别介绍这两部分的结构与功能。 硬件系统的前端是偏振信息检测传感器，它是运用仿生学原理检测大气偏 振信息的核心部件。本装置共安装了5 个偏振信息检测传感器，每个传感器都 仿效沙蚁复眼中特殊的偏振神经感光结构，并通过台理、有效的外部结构设计， 保证各自对应