【正文】 承 諾本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和后PC時(shí)代來臨，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)和科研實(shí)驗(yàn)中不可或缺的重要組成部分。另一方面，數(shù)據(jù)采集則是信號與信息處理的關(guān)鍵，在軍工和民用中得到了廣泛應(yīng)用。兩者的相互結(jié)合，將是未來自動控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。因?yàn)閷⑶度胧郊夹g(shù)引入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不但大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jìn)行的基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研制。在兼顧通用性和可擴(kuò)展性的條件下，設(shè)計(jì)了以ARM處理器和可編程邏輯器件FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：系統(tǒng)主控核心板和實(shí)現(xiàn)各外圍功能的擴(kuò)展板。核心板由微處理器ARM、擴(kuò)展內(nèi)存以及直流電源模塊組成，主要用來控制各相關(guān)外圍功能器件的正常工作；擴(kuò)展板主要由可編程邏輯器件FPGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、顯示器接口以及串口等組成，可進(jìn)行多通道多參數(shù)的采集、存儲、傳送和顯示。軟件設(shè)計(jì)上，編寫了Bootloader，完成了基于Xmodem協(xié)議的傳輸方式，開發(fā)了觸摸屏和彩色LCD的驅(qū)動程序，移植了uC/GUI圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)了搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSII在該平臺上的運(yùn)行。最后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于小波變換的數(shù)字信號處理，得到了滿意結(jié)果。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM；數(shù)據(jù)采集；FPGA；小波變換；AbstractDevelopment 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 錄摘 要 iiAbstract iii第一章 緒 論 1 1 2 2 3第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)控制的總體設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)的電路模塊介紹 4 5 6 7 8第三章 基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 9 S3C44B0X微處理器 9 S3C44B0X存儲系統(tǒng) 10 ROM接口電路 10 RAM接口電路 12 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 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(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 27 ARM引導(dǎo)程序設(shè)計(jì) 27 Bootloader程序設(shè)計(jì) 27 Xmodem傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn) 32 控制系統(tǒng)主體軟件設(shè)計(jì) 34 移植uC/OSII操作系統(tǒng) 35 FPGA控制ADC的程序設(shè)計(jì) 41 應(yīng)用控制程序的實(shí)現(xiàn) 45 圖形用戶界面uC/GUI的移植 45 設(shè)備驅(qū)動程序 46 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì) 49 本章小節(jié) 53第五章 數(shù)據(jù)分析與處理 54 數(shù)據(jù)分析處理的方法 54 數(shù)據(jù)分析的理論依據(jù) 55 基于小波變換的應(yīng)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(yīng)用 63 整體工作流程簡介 63 系統(tǒng)的不足及改進(jìn) 64第七章 總 結(jié) 65參考文獻(xiàn) 66攻讀碩士期間發(fā)表的論文 68致 謝 69 第一章 緒 論隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)采用的是微處理器，可實(shí)現(xiàn)相對單一的功能，運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)，所以往往不需要大量的外圍器件，嵌入式系統(tǒng)也正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、便攜化和人機(jī)界面友好等方向發(fā)展。另一方面，隨著電子、信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)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(shù)據(jù)采集的高速度高精度，還要求采集設(shè)備便攜、可移動、使用方便，以滿足遠(yuǎn)程采集的需要[1]。因此將嵌入式技術(shù)引入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不但能提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(tǒng)的單片機(jī)測控系統(tǒng)通常是基于單任務(wù)機(jī)制的。這種機(jī)制具有簡單直觀、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，然而由于程序只能按單一的順序執(zhí)行，缺乏靈活性，在復(fù)雜系統(tǒng)中難以勝任，所以必須引入多任務(wù)機(jī)制，改善程序結(jié)構(gòu)，以滿足復(fù)雜、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。由于8/16位MCU資源極度受限，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)相對困難。而32位高性能微處理器的出現(xiàn)很好地解決了上述矛盾，尤其是隨著近年來ARM技術(shù)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(yīng)用設(shè)計(jì)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲器。此外，要求在系統(tǒng)上建立RTOS必然成為一種現(xiàn)實(shí)需求，而32位微處理器在設(shè)計(jì)上就考慮到了對RTOS的支持。總之，32位處理器的出現(xiàn)，為嵌入式設(shè)計(jì)帶來豐富的硬件功能，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的升級只需通過軟件的升級即可實(shí)現(xiàn)[2]。數(shù)據(jù)采集和嵌入式技術(shù)相結(jié)合被廣泛的應(yīng)用，具體涉及到科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、航空航天數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、資源勘測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等?；谝陨显?，研制了基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)，用于對離子遷移譜進(jìn)行控制。本系統(tǒng)平臺采用基于ARM7技術(shù)規(guī)范三星公司的S3C44B0X為微處理器，它以很好的性價(jià)比和很強(qiáng)的功能得到了廣泛的應(yīng)用。uC/OSII系統(tǒng)因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)簡單易懂且內(nèi)核完全開放以及強(qiáng)大的外圍接口支持，成為理想的嵌入式平臺。所以本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以ARM7作為硬件模塊并將uC/OSII嵌入到該平臺中去，這樣系統(tǒng)在處理多個(gè)任務(wù)時(shí)，就可以通過調(diào)度機(jī)制進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。 基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：系統(tǒng)主控核心板和各外圍功能擴(kuò)展板，工作的主要內(nèi)容有：1) 閱讀了ARM體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)書籍和資料，根據(jù)S3C44B0X的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合具體的需要設(shè)計(jì)了基于ARM的嵌入式系統(tǒng)核心電路板，完成了原理圖的設(shè)計(jì)和PCB版圖的繪制。2) 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)外圍擴(kuò)展電路板，完成了原理圖的設(shè)計(jì)和PCB版圖的繪制。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多通道模擬、數(shù)字信號輸入、輸出的數(shù)據(jù)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(tǒng)硬件，加載、升級固件代碼的Bootloader，完成的主要功能有：系統(tǒng)硬件自檢、配置端口與外設(shè)、處理系統(tǒng)中斷、引導(dǎo)操作系統(tǒng)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(tǒng)。當(dāng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，能夠進(jìn)行正確調(diào)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(qū)動程序，創(chuàng)建了基于該GUI的小型漢字庫，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)軟件，包括主動模式程序、被動模式程序、環(huán)境變量參數(shù)采集、數(shù)字開關(guān)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(dá)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(tǒng)在離子遷移譜儀上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。該論文選題的主要創(chuàng)新點(diǎn)有：1）利用ARM＋FPGA模式設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了解決嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集。通過Verilog語言在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了異步FIFO，這樣就可以把采集到的數(shù)據(jù)先保存到FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存區(qū)FIFO中，當(dāng)達(dá)到FIFO半滿值或者一個(gè)采集周期結(jié)束時(shí)產(chǎn)生外部中斷，在中斷服務(wù)子程序中由ARM取走數(shù)據(jù)。此種設(shè)計(jì)減輕了ARM的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。2）uC/OSII上移植了uC/GUI圖形用戶界面并實(shí)現(xiàn)了自建小漢字庫。uC/GUI是一個(gè)小型而且功能強(qiáng)大的圖形用戶界面，其設(shè)計(jì)目標(biāo)就是應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。對于漢字的顯示，常用的方法是加載整個(gè)漢字庫到內(nèi)存的指定地址。但由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存資源十分有限，而整個(gè)漢字庫又十分龐大，所以通過鏈表創(chuàng)建一個(gè)自定義的小型漢字庫，只存放將要用到的幾十個(gè)漢字，這樣一來不但可以實(shí)現(xiàn)漢字的顯示還能節(jié)約寶貴的內(nèi)存資源。本論文的研究目標(biāo)是：在對數(shù)據(jù)采集和嵌入式系統(tǒng)的理解基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套接口豐富、功能強(qiáng)大的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)。滿足高速數(shù)據(jù)采集的需要，而且能夠?qū)Σ杉降男盘栕髡_的分析與處理。為了更清晰地了解本論文的內(nèi)容，從開發(fā)角度，介紹下整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程以及論文各章節(jié)的主要內(nèi)容。第一章介紹了課題的背景和研究的基本任務(wù)。第二章為整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。介紹了各個(gè)器件的選型考慮、總體控制邏輯以及嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示的總體設(shè)計(jì)。第三章介紹了基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。包括核心板與外圍板的設(shè)計(jì)、ARM與FPGA的通信、串口、觸摸屏等硬件設(shè)計(jì)。第四章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。包括Bootloader程序的分析和設(shè)計(jì)、uC/OSII操作系統(tǒng)的移植、uC/GUI移植和界面設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。第五章為數(shù)據(jù)的分析處理。應(yīng)用小波變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性分析。第六章為系統(tǒng)在離子遷移譜中的應(yīng)用。介紹了系統(tǒng)控制方式和調(diào)試結(jié)果。第七章對整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了總結(jié)，并指出了系統(tǒng)存在的不足和改進(jìn)措施。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制的總體設(shè)計(jì)，圖中列出了各個(gè)模塊單元以及之間的相互流程關(guān)系。 系統(tǒng)控制總體設(shè)計(jì)模塊簡圖 ，高壓電源模塊為離子遷移譜儀提供所需高壓，其高壓輸出值受嵌入式控制器控制而變化；壓力傳感器和溫度傳感器分別提供需要的腔體壓力值