【正文】 基于ARM的數據采集系統承 諾本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數據、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產權歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要摘 要近年來隨著計算機技術的發(fā)展和后PC時代來臨，嵌入式技術已經成為工業(yè)生產和科研實驗中不可或缺的重要組成部分。另一方面，數據采集則是信號與信息處理的關鍵，在軍工和民用中得到了廣泛應用。兩者的相互結合，將是未來自動控制領域的發(fā)展趨勢。因為將嵌入式技術引入到數據采集系統中，不但大大提高了系統的實時性和靈活性，而且還能滿足日益提高的自動測量需求。本文的研究正是基于上述考慮而進行的基于ARM的嵌入式數據采集與顯示系統研制。在兼顧通用性和可擴展性的條件下，設計了以ARM處理器和可編程邏輯器件FPGA為核心的數據采集系統。該系統主要由兩個部分組成：系統主控核心板和實現各外圍功能的擴展板。核心板由微處理器ARM、擴展內存以及直流電源模塊組成，主要用來控制各相關外圍功能器件的正常工作；擴展板主要由可編程邏輯器件FPGA、模數轉換器、顯示器接口以及串口等組成，可進行多通道多參數的采集、存儲、傳送和顯示。軟件設計上，編寫了Bootloader，完成了基于Xmodem協議的傳輸方式，開發(fā)了觸摸屏和彩色LCD的驅動程序，移植了uC/GUI圖形用戶界面，實現了搶占式實時操作系統uC/OSII在該平臺上的運行。最后對采集到的數據進行了基于小波變換的數字信號處理，得到了滿意結果。關鍵詞：嵌入式系統；ARM；數據采集；FPGA；小波變換；AbstractAbstractDevelopment of embedded data acquisition and displaying system based on ARMZhang LeiDirected by Prof. Jiang HaiheWith the development of puter technology and afterPC times ing, the embedded technology plays very important roles in both industrial production and scientific experiment. On the other hand, Data acquisition is the key procedure in information and signal processing, and has been applied widely in both war industry and civil. Embedded system is one of the leadingedge technologies nowadays. It can be used to enhance realtime feature and flexibility of the system, so as to meet the increasing automate measurement needs. The study of embedded data acquisition system based on ARM is such a case.Considering universality and expansibility, we have designed this data acquisition system, mainly based on ARM processor and FPGA. The system consists of two main parts: main board and peripheral board. The function of main board is to control peripheral parts, and the main board is posed of ARM, extended memory and DC power. Then there are FPGA, ADC, interface of LCD and UART in the peripheral board, which is used to acquire, store, transmit and display data. In software design, Bootloader and protocol based on Xmodem have been finished. In addition, the drivers of the touch screen and LCD have been also developed. The friendly manmachine interface is obtained by using the uC/GUI. Furthermore, the uC/OSII, as a realtime preemptive multitasking operating system, has been transplanted to the hardware platform. In the end, wavelet transformation is applied to resolve overlapped data signal and a satisfying result has been achieved. Key Words: Embedded system。 ARM。 Data acquisition。 FPGA。 Wavelet transformation。目 錄目 錄摘 要 iiAbstract iii第一章 緒 論 1 1 2 2 3第二章 系統的總體設計 4 系統控制的總體設計 4 系統的電路模塊介紹 4 5 6 7 8第三章 基于ARM的數據采集系統硬件設計 9 9 S3C44B0X微處理器 9 S3C44B0X存儲系統 10 ROM接口電路 10 RAM接口電路 12 系統電源設計 13 13 JTAG接口電路 14 15 16 16 UART接口電路 18 FPGA控制電路 18 LCD接口電路 20 22 25 26 26第四章 系統軟件設計 27 ARM引導程序設計 27 Bootloader程序設計 27 Xmodem傳輸協議實現 32 控制系統主體軟件設計 34 移植uC/OSII操作系統 35 FPGA控制ADC的程序設計 41 應用控制程序的實現 45 圖形用戶界面uC/GUI的移植 45 設備驅動程序 46 系統界面設計 49 本章小節(jié) 53第五章 數據分析與處理 54 數據分析處理的方法 54 數據分析的理論依據 55 基于小波變換的應用 58 譜峰信號處理軟件(VC版) 60 本章小節(jié) 62第六章 離子遷移譜控制應用 63 整體工作流程簡介 63 系統的不足及改進 64第七章 總 結 65參考文獻 66攻讀碩士期間發(fā)表的論文 68致 謝 69 第一章 緒 論第一章 緒 論隨著計算機和微電子技術的進步，嵌入式系統越來越廣泛的應用于各個領域。嵌入式系統采用的是微處理器，可實現相對單一的功能，運行獨立的操作系統，所以往往不需要大量的外圍器件，嵌入式系統也正朝著網絡化、智能化、便攜化和人機界面友好等方向發(fā)展。另一方面，隨著電子、信息、網絡等技術的飛速發(fā)展，人們對工業(yè)測量的要求也越來越高。不但要求數據采集的高速度高精度，還要求采集設備便攜、可移動、使用方便，以滿足遠程采集的需要[1]。因此將嵌入式技術引入到數據采集系統中，不但能提高系統的實時性和靈活性，而且還能滿足日益提高的自動測量需求。 目前，傳統的單片機測控系統通常是基于單任務機制的。這種機制具有簡單直觀、易于控制的優(yōu)點，然而由于程序只能按單一的順序執(zhí)行，缺乏靈活性，在復雜系統中難以勝任，所以必須引入多任務機制，改善程序結構，以滿足復雜、實時系統的要求。由于8/16位MCU資源極度受限，實現多任務系統相對困難。而32位高性能微處理器的出現很好地解決了上述矛盾，尤其是隨著近年來ARM技術的不斷成熟，使得32位微處理器的功能更加完善。首先，它的高速低功耗特性適于便攜應用設計。其次，目前許多32位微控制器都可以使用SDRAM，因此可極大地降低使用大容量數據存儲器的成本；而8位微處理器一般只能使用成本較高的SRAM作為數據存儲器。此外，要求在系統上建立RTOS必然成為一種現實需求，而32位微處理器在設計上就考慮到了對RTOS的支持?？傊?，32位處理器的出現，為嵌入式設計帶來豐富的硬件功能，使得整個嵌入式系統的升級只需通過軟件的升級即可實現[2]。數據采集和嵌入式技術相結合被廣泛的應用，具體涉及到科研實驗數據采集系統、交通運輸數據采集系統、航空航天數據采集系統、資源勘測數據采集系統、農業(yè)數據采集系統等?；谝陨显?，研制了基于ARM的嵌入式數據采集與顯示系統，用于對離子遷移譜進行控制。本系統平臺采用基于ARM7技術規(guī)范三星公司的S3C44B0X為微處理器，它以很好的性價比和很強的功能得到了廣泛的應用。uC/OSII系統因層次結構簡單易懂且內核完全開放以及強大的外圍接口支持，成為理想的嵌入式平臺。所以本數據采集系統以ARM7作為硬件模塊并將uC/OSII嵌入到該平臺中去，這樣系統在處理多個任務時，就可以通過調度機制進行調度運行。 基于ARM的嵌入式數據采集與顯示系統主要包括兩個部分：系統主控核心板和各外圍功能擴展板，工作的主要內容有：1) 閱讀了ARM體系結構的相關書籍和資料，根據S3C44B0X的設計原理，結合具體的需要設計了基于ARM的嵌入式系統核心電路板，完成了原理圖的設計和PCB版圖的繪制。2) 根據實際需要設計了基于FPGA的嵌入式系統外圍擴展電路板，完成了原理圖的設計和PCB版圖的繪制。同時實現了多通道模擬、數字信號輸入、輸出的數據采集和控制。3) 在上述硬件平臺環(huán)境下，編寫了用于配置系統硬件，加載、升級固件代碼的Bootloader，完成的主要功能有：系統硬件自檢、配置端口與外設、處理系統中斷、引導操作系統以及對Flash編程等。4) 針對ARM7TDMI類型處理器，移植了uC/OSII操作系統。當同時運行多個任務時，能夠進行正確調度。5) 閱讀了圖形用戶界面uC/GUI的源代碼，完成了uC/GUI在ARM處理器上的移植，編寫了觸摸屏和LCD的驅動程序，創(chuàng)建了基于該GUI的小型漢字庫，實現了嵌入式系統中類Windows的圖形界面的開發(fā)。6) 編寫了離子遷移譜儀的控制系統軟件，包括主動模式程序、被動模式程序、環(huán)境變量參數采集、數字開關量以及極性電壓控制。7) 完成了基于小波變換的重疊信號的分辨與處理，使得處理后的譜圖峰可達到基線分離、峰位置和面積基本不變的滿意效果。8) 完成了系統在離子遷移譜儀上的設計和應用。該論文選題的主要創(chuàng)新點有：1）利用ARM＋FPGA模式設計數據采集系統。為了解決嵌入式數據采集系統中，數據采集速度快，而處理器速度有限的矛盾，提出了ARM＋FPGA模式。即采用FPGA作為ARM與AD之間的接口，利用ARM來控制FPGA完成數據采集。通過Verilog語言在FPGA內部實現了異步FIFO，這樣就可以把采集到的數據先保存到FPGA內部數據緩存區(qū)FIFO中，當達到FIFO半滿值或者一個采集周期結束時產生外部中斷，在中斷服務子程序中由ARM取走數據。此種設計減輕了ARM的負擔，同時也提高了數據采集的實時性。2）uC/OSII上移植了uC/GUI圖形用戶界面并實現了自建小漢字庫。uC/GUI是一個小型而且功能強大的圖形用戶界面，其設計目標就是應用于嵌入式系統。對于漢字的顯示，常用的方法是加載整個漢字庫到內存的指定地址。但由于嵌入式系統的內存資源十分有限，而整個漢字庫又十分龐大，所以通過鏈表創(chuàng)建一個自定義的小型漢字庫，只存放將要用到的幾十個漢字，這樣一來不但可以實現漢字的顯示還能節(jié)約寶貴的內存資源。本論文的研究目標是：在對數據采集和嵌入式系統的理解基礎上，設計出一套接口豐富、功能強大的嵌入式數據采集和顯示系統。滿足高速數據采集的需要，而且能夠對采集到的信號作正確的分析與處理。為了更清晰地了解本論文的內容，從開發(fā)角度，介紹下整個系統的設計實現流程以及論文各章節(jié)的主要內容。第一章介紹了課題的背景和研究的基本任務。第二章為整個數據采集系統的總體設計。介紹了各個器件的選型考慮、總體控制邏輯以及嵌入式數據采集和顯示的總體設計。第三章介紹了基于ARM的數據采集系統硬件設計。包括核心板與外圍板的設計、ARM與FPGA的通信、串口、觸摸屏等硬件設計。第四章為系統的軟件設計。包括Bootloader程序的分析和設計、uC/OSII操作系統的移植、uC/GUI移植和界面設計、控制系統程序的設計。第五章為數據的分析處理。應用小波變換對數據進行定量、定性分析。第六章為系統在離子遷移譜中的應用。介紹了系統控制方式和調試結果。第七章對整個項目進行了總結，并指出了系統存在的不足和改進措施。第二章 系統的總體設計第二章 系統的總體設計 系統控制的總體設計，圖中列出了各個模塊單元以及之間的相互流程關系。 系統控制總體設計模塊簡圖 ，高壓電源模塊為離子遷