【正文】 音頻、視頻信號(hào)處理中占據(jù)著十分重要的地位，是實(shí)現(xiàn)各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)、準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)數(shù)字化的必要 環(huán)節(jié)。 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)滲透到雷達(dá)、通信、水聲、遙感、 供電系統(tǒng) 、振動(dòng)工程、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是處理速度慢、系統(tǒng)資源有限、實(shí)時(shí)性能較差。 本設(shè)計(jì)借助 基于 ARM9的 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和微處理器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 供電系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集裝置 。通過(guò)溫度傳感器和電流傳感器采集到供電系統(tǒng)的溫度信號(hào)和電量信號(hào)，傳輸?shù)交谖⑻幚砥?S3C2410A的芯片所構(gòu)成的電路系統(tǒng)裝置進(jìn)行信號(hào)處理。此裝置具有可靠性高，體積小，易擴(kuò)展、功能強(qiáng)， 開(kāi)發(fā)周期短、成本低等特點(diǎn)。 信息采集的發(fā)展概況 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB766587 對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。近年來(lái)微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，處理器增長(zhǎng)速度也隨之加快，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。在國(guó)外，嵌入式 CUP 的處理能力提升較快，由 8 位、16 位升級(jí)到 32 位，掌上電腦、 PAD、智能手機(jī)等新產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。在國(guó)內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵硬件主要靠國(guó)外引進(jìn)，技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱。然而國(guó)內(nèi)的個(gè)人數(shù)字處理 (PDA)市場(chǎng)火爆，掌上電腦、機(jī)頂盒等產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后也獲得用戶(hù)好評(píng)，智能手機(jī)市場(chǎng)前景看好。軟件方面，作為嵌入式系統(tǒng)核心的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。目前國(guó)內(nèi)外推出了很多商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)，努力爭(zhēng)取自己的市場(chǎng)份額。進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)有 windowCsE、 vxworks、 QNX 等，我國(guó)自 主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品有 Deltasystem、 Hopen 等。信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇，從中可以看出未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢(shì)：嵌入式開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本，友好的用戶(hù)界面、圖像界面和靈活的控制方式等趨勢(shì)。 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 4 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 方案的選擇 作為一個(gè)通用的工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，其基本目的是獲取外界信號(hào)，例如模擬量 、開(kāi)關(guān)量，并且能夠?qū)?shù)字量的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)化成模擬量進(jìn)行輸出，以達(dá)到對(duì)外部設(shè)備的控制。在此基礎(chǔ)上，本論文所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有以下的要求 : (l)多通道模擬量采集。因?yàn)楣た噩F(xiàn)場(chǎng)的模擬量數(shù)據(jù)非常多，而且各種模擬量所需要的放大倍數(shù)是不一樣的，這就需要可變?cè)鲆娴姆糯笃鳌? (2)數(shù)據(jù)采集具有移動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能?；诂F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，需要控制平臺(tái)在正常工作的情況下，能夠?qū)⒉糠謹(jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)存儲(chǔ)器提取出來(lái)，以便在其它設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。設(shè)計(jì)要求為整個(gè)系統(tǒng)的性能提出了最低要求，它為器件選型和系統(tǒng)內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則。 系 統(tǒng)工作原理 地面主控計(jì)算機(jī)通過(guò)通信接口控制井下各采區(qū)供電系統(tǒng)控制器，控制方式為計(jì)算機(jī)通過(guò)地址呼叫、分站應(yīng)答、計(jì)算機(jī)發(fā)控制命令、分站判斷命令類(lèi)型后給出相應(yīng)的反應(yīng)等交互通信。系統(tǒng)中沒(méi)有被呼叫到的分站以獨(dú)立自動(dòng)的方式控制本站內(nèi)所有高壓真空配電裝置內(nèi)的智能采集器，并不受主控計(jì)算機(jī)通信的影響。各智能采集器實(shí)時(shí)不斷的山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 5 采集、分析、預(yù)處理各種原始參數(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)分站巡測(cè)到本智能采集器時(shí)，采集器單片機(jī)會(huì)將預(yù)處理的最新數(shù)據(jù)送給分站，分站將各個(gè)智能采集器送來(lái)的數(shù)據(jù)分類(lèi)、分區(qū)存放，待地面主控計(jì)算機(jī)巡測(cè)到該分站時(shí)，將把最新一輪數(shù)據(jù)傳給地 面計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理后，報(bào)警、存盤(pán)和由大屏幕顯示。地面主控計(jì)算機(jī)還可通過(guò)向采區(qū)變電所分站發(fā)控制命令，控制某智能采集器輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)真空配電開(kāi)關(guān)的復(fù)位、合閘或分閘。智能采集器采集的參數(shù)主要有電壓、電流、溫度、真空斷路器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)（分閘、合閘） 。圖 嵌入式系統(tǒng)的概述 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)己 所謂嵌入式系統(tǒng) (EmbeddedSystem)，實(shí)際上是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。在有些系統(tǒng)里也有計(jì)算 機(jī)，但是計(jì)算機(jī)作為某個(gè)專(zhuān)用系統(tǒng)中的一個(gè)部件而存在的。像這樣“嵌入”到更大，更專(zhuān)用的統(tǒng)，稱(chēng)之為“嵌入式 AT91RM9200 EMC 開(kāi)關(guān)量輸入輸出 以太網(wǎng) SDRAMC BFC SMC SPI UHP/UNP USART A/D USB主 /設(shè)備 串口 EMC PIO 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 6 計(jì)算機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”或者“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。根據(jù)電氣工程師協(xié)會(huì) (IEE)的定義，嵌入式系統(tǒng)是用來(lái)控制或監(jiān)視機(jī)器、裝置或工廠大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。這個(gè)定義是從應(yīng)用方面考慮的，國(guó)內(nèi)一般定義為 :以應(yīng)用中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 經(jīng)進(jìn)入 32 位時(shí)代，在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后 CP 時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)廣泛地滲透 到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類(lèi)產(chǎn)品和商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂(lè)業(yè)以及人們的日常生活等方面中。隨著國(guó)內(nèi)外嵌式產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來(lái)越和人們的生活緊密關(guān)聯(lián)。從家用的洗衣機(jī)、電冰箱、汽車(chē)，到辦公室里的遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)等，都屬于可以使用入式技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和改造的產(chǎn)品。在工業(yè)領(lǐng)域中，使用嵌入式技術(shù)的數(shù)字機(jī)床、能工具、工業(yè)機(jī)器人等正在改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 由于嵌入式系統(tǒng)是應(yīng)用于特定環(huán)境下，面對(duì)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)，所以與通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多樣化和適用性不同。它與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 相比具有如下的特點(diǎn) : ● 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專(zhuān)用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)與 CP 的最大不同就是嵌入式 CUP 大多工作在為特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，能夠把 CP 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化 。 ● 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 7 固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，而不是存儲(chǔ)于磁盤(pán)等載體 。 ● 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)系統(tǒng)。 ● 對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高，應(yīng)該盡最大可能避免“死機(jī)”的發(fā)生 。 ● 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。 嵌入式 系統(tǒng)的組成 圖 典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件 嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、外設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等幾大部分組成。 (1)嵌入式系統(tǒng)的硬件 典型嵌入式系統(tǒng)的硬件基本組成如圖 所示，其中嵌入式處理器是嵌入系統(tǒng)的核心部件，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。嵌入 復(fù)位 ROM ROM 復(fù)位 電源模塊 復(fù)位 時(shí)鐘 ROM MPU FLASH RAM 外圍電路 微處理器 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 8 式處理器與通用處理器的最大不同點(diǎn)在于其大多工作在為特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。它通常把通用計(jì)算機(jī)中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨小型化，并具有高效率、高可 靠性等特征。嵌入式處理器可分為 : ● 低端的微控制器 (MCU):俗稱(chēng)單片機(jī)，最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，而使功耗和成本下降，可靠性提高。比較有代表性的通用系列包括 805 P51 和眾多的 AMR 芯片等。 ● 中高端的嵌入式微處理器 (EMPU):其基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CUP 具有體小、重量輕、成本低及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且一般在工作溫度、抗電磁干擾可靠性等方面都做了加強(qiáng)。嵌入式處理器目前主要有 mA8l6/88P0werCP、 68000、 MIPS 和 AMR 系列等。 ● 通信領(lǐng)域 DSP 處理器 (DSP):因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令的 特殊設(shè)計(jì)，DSP 適合于行 DSP 算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。嵌入式 DSP 處理器比較代表性的產(chǎn)品是 TMS320 系列和 DSP560o0 系列。 ● 高度集成的片上系統(tǒng) (Soc):Soc 在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。 S 可以分為通用和專(zhuān)用兩類(lèi)，通用系列包括 TriCore、MCore、某些 AMR 系列件等，專(zhuān)用 Soc 一般用于某個(gè)或某類(lèi)系統(tǒng)中，不為一般用戶(hù)所知。 除了嵌入式處理器以外還有用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能他部件。根據(jù)外圍部件的功能可以分為三類(lèi) : ● 存儲(chǔ)器 :靜態(tài)易失性存儲(chǔ)器 (RAM/SRAM)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 D(RAM)和非易失性?xún)?chǔ)器 (Flash)。 ● 接口 :應(yīng)用最廣泛的包括并口、 RS 一 232 串口、 IDrA 紅外接口、 SPI 串行外設(shè)備接口、 I， C(InterIC)總線(xiàn)接口、 USB 通用串行總山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 9 線(xiàn)接口、 Ether 接口等。 ● 人機(jī)交互 :LDC、鍵盤(pán)和觸摸屏等人機(jī)交互設(shè)備。 (2)嵌入式系統(tǒng)的軟件 如圖 所示，嵌入式軟件系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩大部分 : 圖 典型嵌入式系統(tǒng)基本組成 — 軟件 在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開(kāi)發(fā)更 方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等，即嵌入式操作系統(tǒng)。目前常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有 :Linux、 Wind， sCE、Vxworks、 OSE、 Nucleus、 UC/OSII 等嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是針對(duì)特定的實(shí)際專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺(tái)，能完成用戶(hù)預(yù)期任務(wù)的計(jì)算機(jī)軟件。用戶(hù)的任務(wù)可能有時(shí)間和精度的要求。有些應(yīng)用軟件需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，但在簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合下不需要專(zhuān)門(mén) 應(yīng)用程序 操作系統(tǒng) 處理器 存儲(chǔ)器 輸入 輸出 軟件結(jié)構(gòu) 硬件結(jié)構(gòu) 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 10 的操作系統(tǒng)。由于嵌入式應(yīng)用對(duì)成本十分敏感，因此 ，為減少系統(tǒng)成本，除了精簡(jiǎn)每個(gè)硬件單元的成本外，應(yīng)盡可能地減少應(yīng)用軟件的資源消耗，盡可能地優(yōu)化。 可以看出，嵌入式系統(tǒng)的靈活之處在于“軟硬件可裁剪”，其主要特點(diǎn)是： (1)嵌入式系統(tǒng)功耗低、體積小、集成度高并且專(zhuān)用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)與 PC 最大的不同就是嵌入式 CPU 大多工作在為特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，能夠把 PC 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)。 (2)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存儲(chǔ)于磁盤(pán)等 載體中。 (3)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，系統(tǒng)精簡(jiǎn)；操作系統(tǒng)一般和應(yīng)用軟件集成在一起，量體裁衣、去除冗余。 (4)嵌入式系統(tǒng)是與具體應(yīng)用緊密結(jié)合在一起的，對(duì)軟件代碼的質(zhì)量和可靠性要求很高，產(chǎn)品應(yīng)具有較長(zhǎng)的生命周期。 (5)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。隨著計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的不斷成熟，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度上改變著人們的生活和工作方式，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛和普遍；借助于 Inter 創(chuàng)造的無(wú)限機(jī)會(huì)，嵌入式系統(tǒng)將不斷重新塑造未來(lái)的世界。 嵌入式系 統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號(hào)處理與控制 ,目前己經(jīng)在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)生活各領(lǐng)域普及應(yīng)用，工業(yè)控制、交通管理、信息家電、山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 11 家庭智能管理、 POS 網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、環(huán)境檢測(cè)、機(jī)器人等領(lǐng)域，無(wú)不有它的蹤影。嵌入