【正文】 需要作相應(yīng)的硬件改動。本章介紹了整個系統(tǒng)的總體設(shè)計，對系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)分別從離子遷移譜模塊電路和嵌入式控制系統(tǒng)電路兩方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。嵌入式數(shù)據(jù)采集控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，它完成了對離子遷移譜儀相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和控制，并通過人機(jī)界面進(jìn)行交互。環(huán)境參數(shù)的采集是由ARM控制MAX197芯片完成的，MAX197芯片是12位轉(zhuǎn)換精度，分兩次讀取數(shù)據(jù):先讀取低8位再讀取高8位。 電磁閥控制電路腔體的溫度和氣壓測量分別使用溫度傳感器和壓力傳感器，測量范圍分別為0~400，0~1125 torr，對應(yīng)的輸出電壓為0~5V。采用光耦的隔離控制方式，增強(qiáng)了電路的安全性和可靠性。離子遷移譜電路模塊主要包括：直線步進(jìn)電機(jī)電路、電磁閥控制電路、觸發(fā)電路、高壓電源模塊以及壓力和溫度傳感器。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計 系統(tǒng)控制的總體設(shè)計，圖中列出了各個模塊單元以及之間的相互流程關(guān)系。應(yīng)用小波變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性分析。包括核心板與外圍板的設(shè)計、ARM與FPGA的通信、串口、觸摸屏等硬件設(shè)計。第一章介紹了課題的背景和研究的基本任務(wù)。但由于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)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(xiàn)漢字的顯示還能節(jié)約寶貴的內(nèi)存資源。此種設(shè)計減輕了ARM的負(fù)擔(dān)，同時也提高了數(shù)據(jù)采集的實時性。該論文選題的主要創(chuàng)新點有：1）利用ARM＋FPGA模式設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中類Windows的圖形界面的開發(fā)。同時實現(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。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?？傊?2位處理器的出現(xiàn)，為嵌入式設(shè)計帶來豐富的硬件功能，使得整個嵌入式系統(tǒng)的升級只需通過軟件的升級即可實現(xiàn)[2]。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。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)的實時性和靈活性，而且還能滿足日益提高的自動測量需求。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 4 系統(tǒng)控制的總體設(shè)計 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 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 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 27 ARM引導(dǎo)程序設(shè)計 27 Bootloader程序設(shè)計 27 Xmodem傳輸協(xié)議實現(xiàn) 32 控制系統(tǒng)主體軟件設(shè)計 34 移植uC/OSII操作系統(tǒng) 35 FPGA控制ADC的程序設(shè)計 41 應(yīng)用控制程序的實現(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 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)用于各個領(lǐng)域。 ARM。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。因為將嵌入式技術(shù)引入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不但大大提高了系統(tǒng)的實時性和靈活性，而且還能滿足日益提高的自動測量需求。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。承 諾本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。本人簽名： 日期： 摘 要近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和后PC時代來臨，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)和科研實驗中不可或缺的重要組成部分。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。軟件設(shè)計上，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，實現(xiàn)了搶占式實時操作系統(tǒng)uC/OSII在該平臺上的運(yùn)行。 Data acquisition。嵌入式系統(tǒng)采用的是微處理器，可實現(xiàn)相對單一的功能，運(yùn)行獨立的操作系統(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。 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。首先，它的高速低功耗特性適于便攜應(yīng)用設(shè)計。數(shù)據(jù)采集和嵌入式技術(shù)相結(jié)合被廣泛的應(yīng)用，具體涉及到科研實驗數(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。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)在處理多個任務(wù)時，就可以通過調(diào)度機(jī)制進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。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。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。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。2）uC/OSII上移植了uC/GUI圖形用戶界面并實現(xiàn)了自建小漢字庫。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)。第二章為整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計。第四章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第六章為系統(tǒng)在離子遷移譜中的應(yīng)用。 系統(tǒng)控制總體設(shè)計模塊簡圖 ，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和腔體溫度值；觸發(fā)模塊為數(shù)據(jù)采集提供同步觸發(fā)信號；而接近開關(guān)則為直線步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動提供標(biāo)志信號。本文不涉及離子遷移譜儀的具體構(gòu)造，接下來將對上面提到的幾個電路模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。電磁閥的供電電壓為直流24V。高壓電源模塊用于給離子遷移譜儀提供高壓，其控制輸入電壓為5V~+5V，對應(yīng)輸出高壓為10 kV ~+10 kV。 環(huán)境參數(shù)采集電路MAX197的片選、讀、寫引腳分別與ARM控制器BANK2的nGCSnWE和nOE相連接。微控制器采用三星公司的ARM7系列的S3C44B0X，負(fù)責(zé)對各單元電路進(jìn)行控制；人機(jī)界面采用的是LCD和觸摸屏；LCD使用的是320240象素的256色STN屏，觸摸屏使用的是四線電阻式觸摸屏；FPGA主要功能是完成主信號的采集、觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖；串口通信方式為RS232，設(shè)計了兩路串口，其中一路和PC機(jī)進(jìn)行通信，在調(diào)試階段打印調(diào)試信息；另外一路預(yù)留，通過擴(kuò)展系統(tǒng)軟件功能可以和PC機(jī)進(jìn)行通信，使系統(tǒng)接受PC機(jī)控制。同時給出了離子遷移譜模塊和嵌入式控制模塊之間的通信簡圖，使讀者能更容易地理解兩模塊之間的關(guān)系。這樣的硬件設(shè)計有利于系統(tǒng)硬件的升級，控制不同對象的時候只需更改擴(kuò)展板電路和系統(tǒng)軟件。作為一家IP核供應(yīng)商，ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，通過轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可，由合作公司根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場。為了降低系統(tǒng)成本和減少外圍器件，S3C44B0X提供了豐富的內(nèi)置部件，包括:8KB Cache、內(nèi)部SRAM, LCD控制器、帶自動握手的2通道UART、4通道DMA、外部存儲器控制器(片選邏輯，F(xiàn)P/ EDO/ SDRAM)、帶有PWM功能的5通道定時器、71個通用IO口、實時時鐘(RTC)、8通道10位ADC、8個外部中斷源、I2C總線控制器、I2S總線控制器、同步SIO接口和PLL倍頻器等。該地址對應(yīng)的是Bank0，Bank0是與ROM相連接的。ROM采用的FLASH芯片是SST公司的SST39VF1601，容量為16Mbit(16)。 ROM存儲器接口電路在讀取Bank0中的數(shù)據(jù)之前需要確定其數(shù)據(jù)寬度，這是由S3C44B0X的OM[1:0]引腳在外部硬件上確定。本設(shè)計中不但數(shù)據(jù)要保存在RAM中，而且當(dāng)系統(tǒng)啟動時還要將整個uC/OSII操作系統(tǒng)從FLASH中搬運(yùn)到RAM里運(yùn)行，主要是因為RAM的存取速度比FLASH快的多。和ROM一樣，數(shù)據(jù)寬度不同時需要注意地址總線的連接方式。 系統(tǒng)電源設(shè)計 系統(tǒng)的電源設(shè)計對于整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要，好的設(shè)計可以使整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。采用的電源器件為AMS公司的AMS1117，輸出電流可以達(dá)到1A。其中Y1為內(nèi)核時鐘晶振，Y2為RTC時鐘晶振。 系統(tǒng)時鐘電路系統(tǒng)復(fù)位電路實現(xiàn)系統(tǒng)上電復(fù)位和用戶按鍵復(fù)位的功能。nRESET為高電平進(jìn)入工作狀態(tài)。根據(jù)S3C44B0X的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，nTRST、TMS、TCK和TDI引腳都必須接一個10K的上拉電阻。其中一層在左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在底部和頂部各有一條水平總線。本設(shè)計采用的觸摸屏接口芯片為ADS7843。通過GPIO口模擬ADS7843的控制時序進(jìn)行指令的寫入和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀出。系統(tǒng)中FPGA主要起到連接采集電路和ARM的橋梁作用，而控制命令和數(shù)據(jù)處理則由ARM完成。所以為了得到上述電壓，應(yīng)采用相應(yīng)的DCDC電壓轉(zhuǎn)換模塊。 由于擴(kuò)展板的直接輸入電壓為直流24V，所以為了得到5V和V的電壓，在設(shè)計時采用了單刀雙擲開關(guān)。另外由于串行RS232的電平和S3C44B0X的I/O口電平不同，電平的轉(zhuǎn)換使用了串行接口芯片MAX3232。FPGA作為AD的控制器是受控于ARM的。FPGA與ARM通信的數(shù)據(jù)總線端口是一個雙向I/O口，在ARM未對FPGA操作的時候，保持該端口為高阻態(tài)，使FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)鎖存。此處的配置芯片選用的是EPCS1(1Mbit)。當(dāng)達(dá)到FIFO半滿值或者一個采集周期結(jié)束時，產(chǎn)生外部中斷由ARM來響應(yīng)中斷。這些寄存器對于ARM的訪問可分為：只讀和可讀可寫。S3C44B0X中的LCD控制器具有如下特性：l 支持256色的彩色STN LCD、單色LCD、4或16級灰度LCD；l 支持3種類型的LCD：4位雙掃描，4位單掃描和8位單掃描顯示；l 支持多虛擬顯示屏幕（硬件上的水平和豎直滾動）；l 系統(tǒng)存儲器作為顯示存儲器；l 支持的真實屏幕尺寸有：640480、320240和160160（象素）； LCD控制器框圖。 LCD控制器接口電路 本設(shè)計中用到兩個A/D轉(zhuǎn)換電路，一個用來采集環(huán)境參數(shù)，另一個用來采集離子主信號。運(yùn)算放大器采用的是TI公司的OPA132，OPA132的特性如下：l 電源供電范圍大：V到V；l 20V/us的電壓擺率；l 開環(huán)增益達(dá)到130dB；l 低的補(bǔ)償電壓：最大500uV；，其中AD16IN為輸入的模擬信號量，該信號量通過運(yùn)放OPA132后經(jīng)過電阻R13進(jìn)入后端的A/D轉(zhuǎn)換器。為整個芯片的片選信號，為讀寫控制信號，為整個采集標(biāo)志信號。當(dāng)為低電平時，所有的轉(zhuǎn)換命令都將被忽略，必須在恢復(fù)高電平前完成由低電平到高電平的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)總線直接和FPGA的相應(yīng)引腳相連，和連接到FPGA的GPIO口上。 74HC245連接電路 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路主要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計通過界面輸入相應(yīng)數(shù)值，然后將該數(shù)字量轉(zhuǎn)換成高壓電源模塊的控制輸入信號，完成對高壓模塊的控制。 數(shù)字I/O口的輸出用來控制氣路系統(tǒng)中電磁閥。將硬件的設(shè)計過程中分為核心板設(shè)計和擴(kuò)展板設(shè)計。因此對涉及到的電路都進(jìn)行了細(xì)致分析和說明，并給出了詳細(xì)的電路設(shè)計原理圖。根據(jù)S3C44B0X的存儲器結(jié)構(gòu)，ROM的硬件設(shè)計見本文第三章，下面將基于此設(shè)計介紹引導(dǎo)代碼的主要功能。l Flash(BootRom)編程：引導(dǎo)flash編程，通過串口或以太網(wǎng)口下載編譯成功的操作系統(tǒng)或者應(yīng)用程序，甚至BootRom本身。 在此S3C44B0X的嵌入式系統(tǒng)中，為了保證上電或復(fù)位時正常運(yùn)行，Bootloader必須存放在FLASH中的0x0000_0000地址處，因此在硬件設(shè)計上把FLASH接在ARM的nGCS0處。中斷控制器收到這個信號后檢查該中斷是否被允許或被屏蔽。當(dāng)一個中斷發(fā)生后，處理器會自動跳轉(zhuǎn)到0x0000_0000地址開始的異常中斷向量表中的某個位置（由中斷類型確定）讀取指令后運(yùn)行。在引導(dǎo)程序初始化的時候，標(biāo)號為HandleIRQ的變量被賦值，被賦予的值就是IsrIRQ。它的值為0xc7fff00，即在RAM的高端開辟一塊空間用于中斷服務(wù)程序的地址，這個值也可以修改為其他值。2.