【正文】 用于工業(yè)控制、軍事國防、交通管理、信息家電、網絡通信及電子商務、等各個領 域。而 Linux 從 1991 年問世以來，已經發(fā)展成為功能強大、設計完善的操作系統(tǒng)。 嵌入式 Linux （ Embedded Linux）是指對標準 Linux 經過小型化裁剪處理之后，能 夠固化在只有幾 K 或者幾 M 字節(jié)的存儲器芯片或者單片機中，適合于特定嵌入式應 用場合的專用 Linux 操作系 統(tǒng)。嵌入式 Linux 的開發(fā)和研究是操作系統(tǒng)領域中的一 個熱點，目前已經開發(fā)成功的嵌入式系統(tǒng)中，大約有一半使用的是 Linux 。 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)有很大的區(qū)別，首先其硬件設 備比單片機系統(tǒng)更復雜，具有 32 位以上的處理器，同時配有大容量的存儲器，能夠 實現(xiàn)遠比傳統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)更為復雜的功能。嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)其開放的 2 碩士學位論文 源代碼，其內核源代碼可從 Inter 上下載，同時 Inter 上有其各種外接設備 的驅動程序源代碼，強大而穩(wěn)定，用戶可以根據(jù)需要對內核進行裁剪，使得系統(tǒng)小 型化、專業(yè)化。由于其源代碼公開且系統(tǒng)極其強健，用戶只需在其穩(wěn)定內核的基礎 上添加應用程序，這無疑可以使用戶節(jié)省大量的人力物力，加快了生產周期，而且 產品性能穩(wěn)定完善，具有很強的市場競爭能力，因此產品具有巨大的市場潛力。 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)有如下優(yōu)點： （ 1）適應于多種 CPU 和多種硬件平臺；性能穩(wěn)定，裁剪性能好；開發(fā)和使用都 很容易，生成的代碼質量高，可靠性好； （ 2）系統(tǒng)為 32 位以上的處理器，有強大的實時處理能力；完善的網絡協(xié)議， 能夠構建各種局域網，并且能接入 Inter，在現(xiàn)在網絡化的信息社會里，這更為 用戶所青睞 ；圖形管理功能強大，可以提供友好的多媒體人機界面，圖像界面和靈 活的控制方式，為嵌入式設備能和用戶親密接觸提供完善的支持。從其能夠實現(xiàn)的 功能而言，嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設備，如工業(yè)自動化儀表、工 業(yè)測控設備、掌上 PDA、移動計算設備、電視機頂盒、手機上網、數(shù)字電視、多媒體、 汽車、微波爐、數(shù)字相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調、安全系統(tǒng)、自動售貨機、 蜂窩式電話、消費電子設備與醫(yī)療儀器等。 工業(yè)企業(yè)的傳統(tǒng)測控設備一般來講有體積大、靈活性差、價格高等缺點，而且 控制部件大多遠離機械設備，布線很復雜。采用基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入 式工業(yè)測控設備，測控設備可在大型機械設備上就近安裝，安裝簡單、體積小、靈 活性好，與傳統(tǒng)工業(yè)測控設備相比，具有極大的優(yōu)勢。 3．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展趨勢 計算機技術、嵌入式技術和網絡技術的不斷發(fā)展，基于 TCP/IP 協(xié)議的 IP 網的 應用得到廣泛普及，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中引入嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)代網絡遠程采集將是一 種趨勢。目前，工業(yè)以太網已逐步完善，在工業(yè)控制領域獲得越來越多的應用。工 業(yè)以太網使用了 TCP/IP 協(xié)議，便于聯(lián)網，并具有高速控制網絡的優(yōu)點?，F(xiàn)在， 32 位嵌入式 CPU 價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用提供了可能 性?；谏鲜銮闆r，將嵌入式系統(tǒng)應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可大大提高采集系統(tǒng)的性 能，嵌入式系統(tǒng)一般應用嵌入式操作系統(tǒng)來開發(fā)。在嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上，由 于 Linux 有完整開放的源代碼，可針對具體應用修 改和優(yōu)化系統(tǒng)，內核穩(wěn)定，適用 于多種 CPU 和多種硬件平臺，支持網絡等特點，因而選擇 Linux 作為嵌入式操作系 統(tǒng) [4]。 嵌入式 Linux 的研究、開發(fā)和應用在國外已經是如火如荼，在國內，嵌入式 Linux 系統(tǒng)的研發(fā)熱潮正在蓬勃興起。在工業(yè)控制設備上開發(fā)應用嵌入式操作系統(tǒng)具 有非常廣闊的市場前景 [3]。 3 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設計與實現(xiàn) 本文結構及主要內容 第 1 章，緒論。討論了國內外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 ,分析出了嵌入式系 統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要性和現(xiàn)實意義。 第 2 章，數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計及實現(xiàn)。給出了數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設計總 結構模型，分析了嵌入式系統(tǒng)的概況，論述了嵌入式系統(tǒng)中常用的 ARM 概念及本 設計中采用的 AT91RM9200 芯片的工作原理，提出了硬件系統(tǒng)設計的技術要點并 給出了信號模數(shù)轉換模塊，內存模塊，網絡芯片模塊的設計。 第 3 章，數(shù)據(jù)采集模塊軟件設計及實現(xiàn)。論述嵌入式 Linux 軟件平臺的搭建， 系統(tǒng)內核，開發(fā)環(huán)境及開發(fā)工具，設計了嵌入式 Linux 的軟件移植，闡述了 Linux 的裁減，內核一致及引導程序 Uboot 的移植，給出了 Linux 應用層 ARM 主程序 的軟件設計。 第 4 章，系統(tǒng)測試分析。搭建了測試平臺，對數(shù)據(jù)采集模塊進行了性能測試 及采樣測試，對測試結果進行了分析，針對出現(xiàn)的問題給出了改進技術措施。 最后對本文研究工作進行總結和展望。 4 碩士學位論文 第 2 章 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計及實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計 嵌入式數(shù)據(jù)采集器 將模擬信號轉換為數(shù)字信號，并進行存儲和計算機處理顯示的過程稱為數(shù)據(jù) 采集，而相應的采集器則為數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的一個重要 分支、計算機技術儀器構成了現(xiàn)代檢測技術的基礎。科學技術的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集 技術的廣泛應用，采樣率、分辨率、存儲深度、數(shù)字信號處理速度、抗干擾能力 等技術指標成為了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要因素。提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率和數(shù)字 信號處理速度可更深入、更細微、更精確地了解物理量變化特性。在許多應用場 合，例如：運動控制、爆炸檢測、醫(yī)療設備（如 CT、核磁共振）、快速生產過程 （如石油化工過程）和變電站自動化等領域，需要高速或超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來 完成許多低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法完成的工作。 具體的說，航空航天系統(tǒng)中火箭發(fā)動機、噴氣流量、飛機發(fā)動機的動態(tài)測試、 發(fā)射試驗過程中的瞬態(tài)信號的記錄、振動波型的記錄，需要高速的信號采集系統(tǒng)。 而在工業(yè)控制領域，數(shù)據(jù)采集是整個工廠自動化的最前端，采樣速度、京都與實 現(xiàn)該功能的成本是幾個重要因素，數(shù)據(jù)采集也正朝這幾個方向發(fā)展。比如在測距 以及測厚的某些應用領域，精度要求在毫米及，這就需要極高采樣率的數(shù)據(jù)采集 技術。同時，工業(yè)測控、智能儀表、自動化裝置等領域還要求數(shù)據(jù)采集與處理系 統(tǒng)微型化、智能化 [5]。 1. 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)被定義為 :以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁 剪、適應應用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機 系統(tǒng)。它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器 /微處理器、存儲器及外設器 件和 I/0端口、圖形控制器等軟件部分 包括操作系統(tǒng)軟件 (0S)(要求實時和多任務 操作 )和應用程序。 2．嵌入式微處理器的特點 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點： （ 1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并有較短的中斷響 應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執(zhí)行時間減少到最低的限度 。 （ 2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已 5 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設計與實現(xiàn) 模塊化，為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū) 保護功能，同時也有利于軟件診斷。 （ 3）可擴展的處理器結構，以便能夠迅速地開發(fā)出滿足應用的高性能的嵌 入式微處理器 。 （ 4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計 算和通信設備中，靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，例如需要的功耗只有 mW甚 至 uW級。 3．嵌入式操作系統(tǒng)的特點 嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極 為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動 接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式 操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方 面具有較為突出的特點。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，將大大提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的 效率，改變以往嵌入式軟件設計只能針對具體的應用從頭做起。在嵌入式操作系 統(tǒng)之上開發(fā)嵌入系統(tǒng)將減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量，增強嵌入式應用軟件的可移植 性，使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法更具科學性。 （ 1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的，嵌入式 CPU與通用型的最大不同就 是嵌入 式 CPU大多工作在為特定用戶群設計 的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體 積小、集成度高等特點，能夠把通用 CPU 中許多由板卡完成的任務集成在芯片內 部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網絡的藕合 也越來越緊密。 （ 2）嵌入系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè) 的具體 應用相結合的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、 高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 （ 3）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余， 力爭在 同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的 選擇更具有競爭力。 （ 4）嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體 產品同 步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。 （ 5）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 存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 （ 6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也 不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 6 碩士學位論文 硬件系統(tǒng)總體結構設計 系統(tǒng)由信號調理系統(tǒng)和信號采集、處理系統(tǒng)兩部分構成。信號調理系統(tǒng)由電 荷放大或電壓放大或電流放大電路（視傳感器類型定）、程控放大、程控低通濾 波、緩沖放大等四級電路組成，其中由單片機控制上位機要求的程控放大、程控 低通濾波等參數(shù)。信號采集、處理系統(tǒng)擬采用 ARM＋ FPGA（ FPGA：現(xiàn)場可編程邏 輯陣列）的結構來實現(xiàn)，此種結構的好處是：硬件開發(fā)平臺難度較小，系統(tǒng)軟件 升級容易實現(xiàn)。此種嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置的總體結構圖見圖 。 ADC 時鐘系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 傳感器信號 信號調理 電路 1 傳感器信號 信號調理 電路 2 1～ 24路 信號同步 DBamp。CB FPGA片 上 RAM ARM DBamp。AB CB F L A S H 采樣 傳感器信號 信號調理 電路 24 DBamp。CB FPGA 控制 amp。預 處理 DBamp。AB CB SDRAM 控制參數(shù)通信 圖 嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置的總體結構圖 圖 中各個標記說明： DB 代表數(shù)據(jù)總線（ Data Bus） ,AB 代表地址總線（ Address Bus）， CB 代表控 制總線（ Control Bus）。 信號調理電路：將傳感器送來的小信號進行放大、低通濾波（有必要時需要 進行模擬濾波），方便后續(xù)的 ADC 進行模數(shù)轉換； ADC：模數(shù)變換，實現(xiàn)基帶信號的數(shù)字化； FPGA：在該系統(tǒng)中，主要功能是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的預處理。 ARM：實現(xiàn)液晶顯示，與 PC 機的通信； SDRAM：完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的緩沖存儲，運行 Linux 內核、文件系統(tǒng)及 ARM 的應 用程序； FLASH：一種存儲器，該系統(tǒng)用來存放引導 ARM 啟動的程序，存放壓縮的 Linux 內核、文件系統(tǒng)及應用程序。 嵌入式數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)信號流程設計 1．信號調理通道板信號流程 取自現(xiàn)場設備的各種傳感器信號送入信調理通道板，每個信號調理通道板上 7 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設計與實現(xiàn) 包含三個信號調理通道。根據(jù)不同的傳感器類型配備不同的信號調理通道板，各 種信號經過信號調理后都變換為 同一規(guī)格的電壓信號。信號處理流程如下：傳感 器輸出的信號經過電壓放大或電流放大或電荷放大等（視傳感器類型定）變換為 電壓信號，該電壓信號經程控放大、程控低通濾波，最后再經過緩沖放大處理， 輸出電壓信號送給信號采集、處理板。 信號調理通道板信號流程見圖 。 圖 信號調理通道板信號流程 2．信號采集、處理板 信號采集、處理板的輸入信號是信號調理通道板的輸出信