（电力电子与电力传动专业论文）基于s3c2410a的数据采集系统研究与设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o ni sap r o c e s st h a tc o n v e y st h ea n a l o gs i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l a n dt h e ns t o r e ，d i s p o s ea n dd i s p l a y a p p l i c a t i o nt o o ka sc e n t e r , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya s b a s e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r et r i m m e dt om e e tt h ef u n c t i o n a l i t y , r e l i a b i l i t y , c o s t ，s i z e a n dp o w e ro fa p p l i c a t i o n s y s t e m ，t h es p e c i a la p p l i c a t i o ns y s t e mb e c o m e st h e e m b e d d e ds y s t e m t h ec o m b i n a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n de m b e d d e ds y s t e mb e c o m e s t h em o s tp o p u l a ra p p l i c a t i o nf o rd a t aa c q u i s i t i o ni nr e c e n ty e a r s t a k i n gt h ea l t e r n a t i n gs i g n a la st h ea c q u i s i t i o no b j e c t ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s d e s i g n e db a s e do ns 3 c 2 4 10 aa n de m b e d d e dl i n u x f i r s t l y , t h em e a n i n g 。s i g n i f i c a n c e a n dt a s k so fd a t aa c q u i s i t i o na r ep r e s e n t e d ，a l s ot h ec o n n o t a t i o n ，c h a r a c t e r , c o m p o s i t i o n ， c l a s s i f i c a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n dn e wc h a l l e n g e so fe m b e d d e ds y s t e ma r ed e s c r i b e d g e n e r a l l y s e c o n d l y , t h ec h o i c ep r i n c i p l ef o rt h ec o r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f e m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h ec h o i c eo ft h ec o r eo fh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h i ss y s t e ma r es t u d i e d t h i r d l y , t h em i c r o p r o c e s s o r sa n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s ，w o r ka st h eh a r d w a r ec o r ep a r to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d s o f t w a r ec o r ep a r tr e s p e c t i v e l y , a r es t u d i e di nd e p t ht oc h o o s et h es u i t a b l eo n e t h i r d l v t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo fd a t aa c q u i s i t i o na n ds p e c i f i cc e l lc i r c u i ta r ed e s i g n e d b a s e d o nt h ee m b e d d e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n gi d e a s ，p r o g r a m m i n gl a n g u a g e sa n df e a t u r e s s u i t e df o re m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y f o u r t h l y , t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dc h a r a c t e rs u i tf o re m b e d d e ds y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n d t h es t u d yf o e l l so nt h ec r o s s d e v e l o p m e n ta n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a v et h e c h a r a c t e r i s t i e so fm o s te m b e d d e ds o f t w a r e ，e s p e c i a l l yd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a d s1 2a n dd e v e l o p m e n tt o o lg n u f i n a l l y , t h es p ic o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s y s t e mp r o c e s s o rs 3 c 2 410 aa n dc h i pf o rs a m p l i n ga t t 7 0 2 6 aa r ed i s c u s s e di nd e t a i l o nt h i sb a s i s ，t h ef o r e g r o u n da n db a c k g r o u n ds y s t e ma n ds y s t e ms o f t w a r eu n d e rl i n u x s y s t e ma r ed e s i g n e d ，s i m u l a t e da n dd e b u g g e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m d a t aa c q u i s i t i o na r mp r o c e s s o r e m b e d d e dl i n u x 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安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己在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：阵4 z 日期逊：! ：2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期 日期 第一章序论 第一章序论 1 1 课题背景及意义 数据采集是指将温度、压力、电压、电流、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。近年来，随着微电子技术、电子信息技术、计算机技术和网络通 信技术的飞速发展和普及，数据采集系统的技术水平也迅速提升。以应用为中心、 以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪等特点的嵌入式技术运用于数据采集系统 已成为又一个新的发展方向。两者的有机结合，成为后p c 时代瞄1 数据采集系统最 普遍的应用形式。 研究设计嵌入式数据采集系统的任务，具体地说，就是采集模拟信号并转换 成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同 的需要进行相应的计算和处理，得到所需的数据；与此同时实现多任务并发处理、 友好的人机图形化交互界面等功能。它不仅可以应用于科学研究中，可获得大量 的动态信息，作为研究瞬间物理过程的有力工具，而且在生产实践过程中，应用 这一系统可对生产现场的参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成 本提供信息和手段。总之，嵌入式数据采集几乎无孔不入，它已经渗透到了地质、 医疗器械、电力、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好地获取信息提 供了良好的途径，同时极大的提高工作效率和经济效益。 1 2 嵌入式系统基础 目前，嵌入式系统本身是一个相对模糊的概念。由于嵌入式系统已经渗透到 国民经济和社会生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子等领域，嵌入式应 用千差万别，而恰恰由于这种范围的扩大和差别，使得“嵌入式系统更加难于 明确定义。 1 2 1 嵌入式系统内涵和特点 1 2 1 1 嵌入式系统内涵 根据i e e e ( 国际电气工程师协会) 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 ( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ， 兰基士墨圣丝垒! 丛笪塑堡墨塞丕堕婴壅量遮盐 o ra s sis tt h eo p e r a ti 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 ) 。这主要是 从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以 涵盖机械等附属装置。 上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内外普遍被认同：“嵌 入性 、“专用性”、与“计算机系统”是嵌入式系统的三个最基本要素，其定义为： 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h 1 。 根据这个定义可从以下几方面来理解嵌入式系统： 1 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结 合才会具有生命力、才更具有优势。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物，从而就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。 1 2 1 2 嵌入式系统特点 从上面的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特点： 1 系统内核小。嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对 有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统， 内核只有5 k 。 2 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非 常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中 也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需 要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件 的“升级”是完全两个概念。 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要 求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实 现系统安全。 4 高实时性的系统软件( o s ) 是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态 存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 5 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多 任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l - - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 第一章序论 6 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力， 即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套 开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬 件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的 概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进 行。 1 2 2 嵌入式系统组成和分类 1 3 2 1 嵌入式系统组成 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成。其中嵌入 式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，执行装置也称为被控对象，它可以接受 嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。目前所提及的嵌 入式系统一般指嵌入式计算机系统，通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操 作系统和应用软件等组成。 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器与通用c p u 最 大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所设计的系统中。它将 通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设 计时趋于小型化并具有高效率和高可靠性等特征。嵌入式微处理器的体系结构可 以采用冯诺依曼体系或哈佛体系结构：指令系统可以选用精简指令系统( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，r i s c ) 和复杂指令系统c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ，c i s c ) 。r i s c 计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通 道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使c p u 硬件结构设计变得更为简 单。 2 外围设备 外围设备是指一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外，用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据其功能，外围设备可分为3 类： 存储设备( 如r a m ) 、通信设备( 如s p i 接口、以太网接口) 和人机交互设备。 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，e o s ) 是一种用途广泛的系 统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度、任务间通信与 同步、任务管理、时间管理和内存管理等。它必须体现其所在系统的特征，能够 通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前嵌入式操作系统在系统实时高 效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特 点。有代表性的产品主要有v x w o r k s 、p a l mo s 、w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x 等。 4 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件 平台并能完成用户预期任务的计算机软件。应用软件是实现嵌入式系统功能的关 键，具有软件要求固态化存储、代码要求高质量高可靠性等特点。 1 3 2 2 嵌入式系统分类 嵌入式系统通常由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软 件进行划分。 从硬件方面来讲，嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心。目前世界上 具有嵌入式功能特点的处理器已经超过i 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u 、m p u 等 3 0 多个系列，寻址空间可以从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可以达到2 0 0 0m i p s ， 封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚不等。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几 类： 1 低端的微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片 中。微控器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总 线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 等各种 必要功能模块和外设。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化， 体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系 统工业的主流。比较有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、p i c 、a v r 等。 2 中高端的嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器 不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去 除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。目前 主要的嵌入式处理器类型有a r m 、p o w e rp c 、m i p s 、m c 6 8 0 0 0 系列等。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度，广泛应用于数字滤 波、f f t 谱分析等方面。d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 公司的t m s 3 2 0 系列、 a d i 公司的a d s p 2 1x x 系列和m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) s o c 追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题 之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操 作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬 第一章序论 件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制 庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计 直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付 芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简 洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产 效率。比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a 。 从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主 要有两大类： 1 分时系统：系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏观上来说， 实际上系统c p u 的时间按顺序分成若干个时间片，每个时间片内执行不同的程序。 2 实时系统：系统内同时可有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级， 操作系统按事件触发使程序运行。 1 3 嵌入式系统新挑战 随着嵌入式系统设计技术的发展，己经在很多方面发生了很大的变化。首先 是开发复杂度大为提高，其次是开发形式、手段和工具也有了很大不同；另外系 统越来越多地建立在r t o s 平台上，开发所使用的程序设计语言不再是早期效率很 低的汇编语言，而越来越多地使用开发效率很高的高级语言。c 语言己成为主流 通用开发语言。嵌入式系统设计面临着新挑战，大致有以下几个方面： 1 、开发的复杂度 各种多媒体、流媒体和通信手持设备、信息家电和复杂系统都需要更强大的 m c u 来完成大量数据实时处理。例如，目前移动电话手机需要网页浏览、多屏显 示、文本和图像信息发送、查找功能的大容量地址簿和语音拨号等功能；数码设 备的高效率数据压缩、自动识别和各种智能处理等，需要增加数字信号处理功能； 程控交换机需要分布式处理而采用多处理器结构等。 2 、开发形式、手段和工具 随着开发对象复杂度的提高，硬件和软件设计比例发生了很大变化。软件开 发的比重越来越大，复杂系统的设计已不可能由一个设计师包揽硬件和软件，而 必须由一个团队来分工合作完成。由此也推动了开发形式、手段和工具的发展， 特别是硬件软件协同设计和验证技术、设计管理技术和各种嵌入式系统设计工具 软件的发展。 3 、开发平台 3 2 位架构的m p u m c u 的资源丰富，指令集相对庞大，而且系统软件也更加复 杂，特别当系统有多任务实时保证的要求时，通常要选用一种r t o s 作为开发平台 来对应用软件中的多任务进行调度。当系统需要连接i n t e r n e t 网实现图形用户 界面( g u l ) 或文件系统( f s ) 时，若采用支持t c p i p 协议栈g u i f s 的嵌入式操作 系统，可极大地降低复杂多任务系统开发的难度。 4 、开发语言 在从8 1 6 位m c u 向3 2 位转换时，所用软件开发语言也发生了变化。过去大 部分8 1 6 位m c u 都没有太多的性能冗余，软件编写必须完全适合其有限的处理功 能，因此软件开发大部分用汇编语言编写。当前的3 2 位嵌入式c p u 其性能相当高， 使用c 编译器编译出的程序效率也很高，基本上可以满足绝大部分的应用需要， 只有在特殊的地方才需要使用汇编语言。 1 4 研究内容和目标 本论文研究以交流信号为采集对象的基于$ 3 c 2 4 1 0 a 和嵌入式l i n u x 的数据采 集系统，设计出数据采集系统的软硬件平台。该系统平台具有采集信息、传输、 处理、显示等功能，以实现获取信息的高效性、实时性和准确性。主要内容为： 第一章明确了数据采集的内涵、意义和任务，论述了嵌入式系统内涵、特点、 组成和分类以及面临地新挑战； 第二章分析了嵌入式数据采集系统软硬件核心选型的基本原则，研究了该系 统软硬件平台核心采用的嵌入式操作系统和微处理器； 第三章设计了数据采集系统的总体结构和具体的单元电路模块； 第四章分析了适用于嵌入式软件开发的程序设计语言以及编程特点，重点研 究最具嵌入式特色的软件交叉开发和仿真技术，尤其是开发环境a d s l 2 和g n u 开发工具； 第五章深入研究了系统处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 和采集芯片a t t 7 0 2 6 a 间的s p i 通讯， 在此基础上分别对前后台系统和l in u x 系统软件进行了设计，并通过j t a g 仿真器 进行仿真调试。 第二章系统软硬件平台核心研究 第二章系统软硬件平台核心研究 由于嵌入式系统包含硬件和软件两大部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中 心，配备存储器、i o 设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台 为核心，向上提供应用编程接口( a p i ) ，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包 ( b s p ) 。由此系统中嵌入式处理器、实时操作系统的选择至关显得十分重要。本 章将确定出系统软硬件平台核心一微处理器和嵌入式操作系统。 2 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统的应用软件与硬件一体化。 在嵌入式系统的硬件设计中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性能直接 决定整个系统的运行效果忉。 2 1 1 嵌入式处理器选择的基本原则 超大规模集成电路技术和微电子技术等技术的飞速发展，极大的丰富了嵌入 式处理器产品市场，同时由于嵌入式开发面向具体应用，不同领域的应用市场需 要不同款式和性能指标的处理器。因此选择嵌入式处理器必须把握好两个方面： 一是深入研究具体的嵌入式系统应用需求，通过充分的应用需求分析来获取应用 系统的性能指标。面向应用是嵌入式系统的特色，具体的应用需求决定嵌入式处 理器的性能选型。在工业控制等特殊领域，系统需求分析员不仅需要和工作人员、 上级主管亲自面谈，而且要到工作现场获取第一手信息，收集充分的资料。分析 应用需求后，需要定义产品具备的基本功能和性能指标，如系统处理的数据量大 小和处理实时性要求，系统正常运行时的工作环境，系统运行过程中可能遇到的 突发事件，系统的尺寸大小和功耗指标等。二是分析研究市场上各大厂商提供的 各款嵌入式处理器的性能指标，如功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、 电磁兼容性等哺。这些参数也是各个半导体芯片厂商之间竞争的热点。 可见，嵌入式处理器选择的基本原则是选择满足具体功能性和非功能性指标 需求的、市场应用反应良好的、硬件配置最少的嵌入式处理器。如简单的智能仪 器仪表设计考虑使用4 位或者8 位抵挡单片机8 0 5 1 ；数字信号处理密切相关的选 用t i 公司的t m x 3 2 0 x 系列的d s p 芯片；如果产品偏重于通信功能，则考虑选择 m o t o r o l a 公司的嵌入式处理器6 8 k 系列；如果产品功能比较齐全，则可选用嵌入 式处理器领域的后起之釉r m 公司的高性能嵌入式处理器a r m 芯片系列等。 除了上述的产品性能需求因素以外，选择嵌入式处理器时也需要考虑开发人 员对此系列处理器的熟悉程度，因为不同公司开发的嵌入式处理器差别较大。 a r m 拥有许多优良特性，使得其在嵌入式系统中应用十分合适，下面小节进 行具体研究。 2 1 2a r m 体系结构特点 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 缩写，a r m 公司是一家设计公司，是知识产 权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，而是转让设计许可，由合作伙伴来生产各具特 色的芯片。目前已占有嵌入式处理器8 0 左右的的市场。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供应商，a r m 公司模式的强大之处在于它在世界范围有1 0 0 多个合作伙伴包括半导体工业的著名公司，从而保证了大量的开发工具和丰富的 第三方资源，它们共同保证了基于a r m 处理器核的设计可以很快投入市场。a r m 处理器目前有6 个系列产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 以及a r m l1 。 a r m 体系结构的处理器主要有以下3 大特点： 体积小、功耗低、成本低、功能强； 1 6 位3 2 位双指令集； 全球众多的合作伙伴。 a r m 处理器出色的性能使系统设计者可得到完全满足其准确要求的解决方 案。借助于来自第三方开发者的广泛支持，设计者可以使用丰富的标准开发工具 和a r m 优化的应用软件。 2 1 3a r m 支持的数据类型和处理器模式 数据类型：a r m 处理器支持b y t e 、h a l f w o r d 和w o r d 三种数据类型，其中 h a l f w o r d 必须与2 字节边界对准，w o r d 必须与4 字节边界对准。 处理器模式：a r m 支持如表2 。1 所示的7 中处理器模式。在软件控制下可 以改变模式，外部中断或异常处理也可以引起模式发生改变。需要注意的是，大 多数应用程序在用户模式下执行。当处理器工作在用户模式时，除非异常发生， 正在执行的程序不能访问某些被保护的系统资源，也不能改变模式。这样，操作 系统可以控制系统资源的使用。 第二章系统软硬件平台核心研究 9 表2 1 处理器模式 处理器模式说明 用户u s r正常程序执行模式 f i q f i q 支持高速数据传送或通道处理 i r q l r q用于通用中断处理 管理 s v c 操作系统保护模式 中止 a b t 实现虚拟存储器和或存储器保护 未定义u n d 支持硬件协处理器的软件仿真 系统 s y s 运行特权操作系统任务 2 1 4a i 洲基本寻址方式 寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来寻找真实操作数地址的方式。a r m 处理器支持的基本寻址方式有寄存器寻址、立即寻址、寄存器移位寻址、寄存器 间接寻址、变址寻址、多寄存器寻址、堆栈寻址、块复制寻址以及相对寻址引。 2 2 嵌入式实时操作系统 以嵌入式处理器为中心，开发人员搭建好硬件电路仅仅提供了“裸机 运行 平台，要将整个系统有限的硬件资源充分利用起来，还需要嵌入式实时操作系统 的软件支持。 2 2 1 嵌入式实时操作系统的组成 嵌入式实时操作系统是能够根据实际应用环境的要求对内核进行裁剪和重配 置的操作系统。一般包括以下几个重要组成部分。 1 、实时内核。实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管 理、存储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。 2 、网络组件。网络组件实现了链路层的a r p r a r p 、p p p 及s l i p 协议，网络 层的i p 协议，传输层的t c p 和u d p 协议。 3 、文件系统。非常简单的嵌入式应用可以不需要文件系统的支持，但对于比 较复杂的文件操作应用来说，文件系统是必不可少的，它也是可裁剪的。 4 、图形用户界面。图形用户界面为用户提供文字和图形以及中英文的显示和 输入，同样是可裁剪的。 2 2 2 嵌入式实时操作系统选择的原则 当前全球范围内商用r t o s 多达二百多种，这些不同名称的r t o s 其核心软件 差异微妙且难以琢磨，选择时重点是考虑它们的性能评价指标，主要包括：调度 算法、r t o s 本身内存开销、最大中断禁止时间和最大任务切换时间；其次要考虑 系统功能方面支持何种处理器硬件平台、何种a p i 、是否支持内存管理单元m m u 以及可移植性、调试支持、标准支持等；最后要考虑购买成本和提供的技术支持 以及是否支持中文内核等相关因素u u 。 2 2 3 嵌入式l i n u x 的特点 嵌入式l i n u x 1 2 3 1 3 3 拥有许多优良特性，使得其在嵌入式系统中应用十分合 适。这些特性可以归纳为以下几点： 1 、广泛的硬件支持： 目前l i n u x 己经能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多种体系结构，并且 成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的c p u 上。 2 、内核高效稳定 l i n u x 内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，l i n u x 的内核设计非常精巧，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模 块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得l i n u x 系统内核可以裁剪得非常小 巧，很适合于嵌入式系统的需要。 3 、开放源码，软件丰富 l i n u x 下的软件基本上是全部开放源代码的，从操作系统、编译器、调试器 到系统程序和应用软件，它为用户提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系统千 差方别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化因而获得源代码就变得至关重 要。 4 、优秀的开发工具 g n u 网站提供绝大部分的优秀开发工具软件，包括针对不同硬件平台移植的 g c c 、g d b 等编译器和调试器工具，还有众多的集成开发环境可以使用。 5 、完善的网络通信和文件管理机制 l i n u x 支持所有标准的i n t e r n e t 网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统当 中。此外l i n u x 除支持标准的e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统外，对嵌 入式系统中专用的的j f f s 2 ，y a f f s 2 等文件系统也能很好的支持。 6 、广泛的开发人员支持 目前在互联网上拥有众多的嵌入式l i n u x 开发人员，网上论坛的内容丰富， 第二章系统软硬件平台核心研究 可以获得广泛的技术支持。 通过上述分析，根据上述嵌入式处理器和嵌入式操作系统的选择原则，结合 a r m 处理器和嵌入式l i n u x 的特点等因素考虑，本数据采集系统平台处理器采用 a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 、操作系统采用嵌入式l i n u x 。 2 3 本章小结 本章以系统软硬件体系结构为指导，研究了嵌入式数据采集系统软硬件核心 选型的基本原则，重点分析了具有代表性地嵌入式处理器和操作系统，最终确定 该系统平台软硬件核心分别采用嵌入式l i n u x 操作系统和a r m 微处理器，并阐述 了a r m 的结构特征、编程模型和寻址方式以及嵌入式l i n u x 的特点，为下一步系 统结构设计奠定基础。 第三章系统结构与硬件设计 第三章系统结构与硬件设计 本章研究以微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 和采集芯片a t t 7 0 2 6 a 为中心的集散型数据采 集系统1 4 3 ，从系统的角度规划总体结构、组成模块并设计出具体单元电路。 3 i 系统总体结构 数据采集处理系统的组成，包括模拟系统和数字系统两部分。从功能角度看， 既要能完成数据采集，也要能进行大量的数据处理。设计这样一个系统必须兼顾 多方面的要求，不仅要考虑数据的存储容量，而且要在满足采样定理的条件下保 证适当的采样速度和采样精度。本数据采集处理系统以电网市电作为数据采集对 象，以精度作为主要要求，包括交流信号采集、a d 转换、数据缓存以及基于以 太网的数据传输四部分。系统结构简图如下： 图3 - i 系统总体结构 3 2 系统硬件结构 本系统是功能较强大的低功耗嵌入式高精度数据采集系统，采集基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统。本系统具备丰富的外围控制接 口和串口、网络接口等通信接口，可通过i 0 形式控制外围部件以及进行多路交 流信号的切换，采集的数据可以通过高速以太网通信等方式传送到远程主机监控 端。由于本系统采用了功能强大的微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 以及嵌入式l i n u x 操作系统， 因此除了可以完成较高精度数据的采集外，还可以允许用户完成数据处理以及扩 展其他的一些应用层的功能。系统的硬件构架如图3 - 2 所示。 a l m t 9 2 0 t 处理器s 3 c 2 41o a 6 4 m b s d r a m i 电压互感器 芯片s p i 网络 远 。 i。 k n 7 0 2 6 接口 接口 程 主 电流互感器 r l 机 6 4 m b n a n df l a s h 图3 2 系统硬件体系结构 3 3 系统电路设计 本节设计并实现各具体模块电路，包括输入通道模块、模数转换模块、微处 理器外围模块、输出显示通道模块、远程通信接口模块以及调试串口、j t a g 模块。 3 3 1 输入通道模块 输入通道由电流输入通道和电压输入通道组成。a t t 7 0 2 6 a 的电流、电压输人 范围是0 - l v ( 有效值) ，同时也为了满足功率因数p f = i 时及功率因数较低( p f o 5 ) 时的精度要求，可以选择电流互感器规格是5 a 5 m a ，精度0 0 5 级，负载为2 0 q ，电压互感器规格为2 2 0 v 0 5 v 。微型电压互感器指标如表3 1 所示，微型电流 互感器指标如表3 2 所示。这样在额定电流、额定电压输人时，电流、电压差动输 人电压有效值分别在o i v 及0 5 v 左右。电流电压一次变换到位，电路简单、可靠， 电路如图3 - 1 所示。 第三章系统结构与硬件设计 1 5 图3 1 输入通道原理图 该电路的基本工作原理为：采样电压、电流分别通过电压互感器、电流互感 器变换为0 2 v n o 6 v 的采样信号，经1 2 k 电阻和0 o l u f 电容滤波输出。 表3 1 微型电压互感器g p t 一2 0 6 b 指标 输入电流 2 m a隔离耐压 3 0 0 0 va c 输出电流 2 m a线性范围o l o m a 输入电压 o 1 0 0 0 v 副边电阻 1 6 0q 输出电压 0 8 v匝比1 ：1 相角差 n f w e ( 1 3 ) a l e ( 1 ，3 ) n f c e ( 1 ，3 ) c l e ( 1 3 ) r n b ( 1 2 5 ) d a t a 3 1 ：0 1 图3 - 9n a n df l a s h g n d w p # 接高电平允许攘除和写入l 接低电平禁止擦除和写入 第三章系统结构与硬件设计 3 3 4 输出显示通道模块 $ 3 c 2 4 1 0 a 内置l c d 控制器心1 ，主要提供液晶屏显示数据的传送、时钟和各种信 号的产生和控制功能。l c d 控制器支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、4 0 9 6 色s t n 液晶屏，尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可达到1 0 2 4 7 6 8 象素；支 持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、6 4 k 色和真彩色t f t 液晶屏，尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可达到1 0 2 4 7 6 8 象素。本系统通过7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 驱动 东华3 2 0 2 4 0 3 5 英寸f t f 液晶屏( 带触摸屏) 实现，其接线如图3 1 0 所示。 3 3 5 远程通信接口模块 图3 1 0l c d 控制器与f t f 液晶屏硬件连接 本系统远程通讯采用以太网实现，采用性能优良、专为嵌入式应用设计的网 络接口芯片d m 9 0 0 0 a e 比副，该芯片包含了m a c 控制器和物理层( p h y ) 接口，支持 i o m i o o m 以太网接口，在微处理器的控制下发送、接收网络数据包，与操作系统 的t c p i p 协议栈构成完整的网络系统，在应用层程序操作下完成各种网络数据传 输功能2 副。 d m 9 0 0 0 a e 以太网接口电路原理如图3 - 11 所示。处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 利用片选n g c s 5 和地址线b - a 7 ：0 分别连接d m 9 0 0 0 a e 芯片的c s 引脚和c m d g i 脚，由于$ 3 c 2 4 1 0 a 具有 第三章系统结构与硬件设计 2 7 外部总线接口，所以用其1 6 位总线对d m 9 0 0 0 a e 进行访问即$ 3 c 2 4 1 0 a 的数据总线b d 1 5 ：0 与d m 9 0 0 0 a e 的数据线s d 1 5 ：o l 连接，用来实现d m 9 0 0 0 与$ 3 c 2 4 1 0 a 之间的数 据传输；$ 3 c 2 4 1 0 a 的b _ n o e 引脚连接d m 9 0 0 0 a e 的读引脚i o r # ，b _ n w e 引脚连接 d m g o o o a e 的写引脚i o w # ；同时，d m 9 0 0 0 a e 占用$ 3 c 2 4 1 0 a 的中断引脚e i n t 3 ，使得 $ 3 c 2 4 1 0 a 能够响应d m 9 0 0 0 a e 的中断。d m 9 0 0 0 a e 与网络的连接由接收信号线r x + 、r x - 和发送信号线t x + 、t x 一与以太网水晶接头r j 一4 5 相连。 停) b n c - c s 5 ( 36 j 置w e 3 6 ) bn o e 伫) e i n ” f 35 , 8 即r e s e t c o n l h a n r un sr j 4 5n i t h1 1 鼍n s e 1 1 1t x p1 e 1 ht x n 2 1 d + 3 t d 4c t t 5 c h s g n d 8 c h sg n d e t hr x p7 c t r 9 e l hr x n81 0 r d +s h i e l d r o s h l e i d 生c 2 2 一巳c 2 3 一二c 2 4 一1 0 0 u f 6 3 v 一一1 0 4 一1 0 4 l 1 b e a d ( 1 2 0 6 ) ，、，、，、 靠近网口连接器进行布局 图3 1 1d m 9 0 0 0 m s 以太网接口电路 3 3 6 调试串口、j t a g 模块 串口是与p c 机进行通信最方便和使用较多的通信接口，串行端口的本质功能 是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。$ 3 c 2 4 1 0 a 自带有串行口，具有1 6 字节的 f i f o 寄存器，最大波特率为1 1 5 2 0 0 b p s 本系统设计使用g b _ 9 连接器采用m a x 3 2 3 2 c