【正文】 21 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （ 8）線性好、精度高； （ 9）成本低。因此，傳感器成 為感知、獲取與檢測信息的窗口，一切可惜研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過程要獲取的信息， 都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。在用 FPGA 設(shè)計(jì)的算法軟件和控制 軟件中，增加一些用于測試的電路或測試信號(hào)； （ 2）電路印制板上引出一些關(guān)鍵的測試點(diǎn)：如電源、系 統(tǒng)時(shí)鐘、同步脈沖、 工作狀態(tài)控制信號(hào)、中斷申請(qǐng)和中斷響應(yīng)及中斷結(jié)束標(biāo)志信號(hào)、地址總線、控制 總線和數(shù)據(jù)總線等； （ 3）編寫測試程序軟件，產(chǎn)生測試報(bào)告。 VLSI 技術(shù)雖然提供了把電路的全部 和大部分集成在一片集成電路芯片內(nèi)的可能性，但要使每一片含有上萬個(gè)、甚至 數(shù)十萬個(gè)門的芯片、由許多這樣的芯片組成的印制電路板以及由若干電路板構(gòu)成 的數(shù)字電子設(shè)備都永遠(yuǎn)不出現(xiàn)任何物理缺陷是不可能的。 （ 8）特殊引腳的處理。 （ 6）電路板制作采用多層板技術(shù)，信號(hào)層之間用地層隔離，減少信號(hào)層相 互之間的干擾。 （ 3）遠(yuǎn)距離傳輸高速數(shù)字信號(hào)用屏蔽雙絞線。 這些都有利于系統(tǒng)功耗的降低。在電路板制作時(shí)，選 19 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 用先進(jìn)的 EDA 軟件 DXDesigner－ Expedition PCB（ Mentor Graphics 2020），該 軟件能仿真高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性和電磁兼容性。 AT91RM9200 芯 片的開發(fā)板 AT91RM9200DK 也隨之提供，國內(nèi)也有很多公司生產(chǎn)類似的開發(fā)板。 AT91RM9200 芯片基于 ARM9 結(jié)構(gòu)，為 32 位 RISC 處理器，運(yùn)算速度高于 200 MIPS。 （ 6）電源類型： 17 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 數(shù)字電源： +、 +5V 模擬電源： +5V （ 7）時(shí)鐘：最高 5M 4． FPGA芯片 （ 1）功能： FPGA 芯片主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)基本功能。 針對(duì)以上性能指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)所使用芯片進(jìn)行選型。 SSC 的可編程高電平及兩個(gè) 32 位專用 PDC 通道，可在沒有處 理器干涉的情況下進(jìn)行連續(xù)的高速率數(shù)據(jù)傳輸。它包括： 1個(gè) 32位存儲(chǔ)器指針寄存器、 1個(gè) 16位傳輸計(jì)數(shù)寄存器、 1個(gè) 32位寄存器作下個(gè)存儲(chǔ)器指針、 1個(gè) 16位寄存器作一個(gè)傳輸計(jì)數(shù)。 7．外設(shè)數(shù)據(jù)控制器和同步 串行控制器 （ 1）外設(shè)數(shù)據(jù)控制器 PDC PDC在諸如 UART、 USART、 SSC、 SPI、 MC等片上串行外設(shè)與片內(nèi)、片外存儲(chǔ)器 間傳輸數(shù)據(jù)，使用 PDC能避免處理器干涉并刪除處理器中斷處理開銷。每個(gè) I/O線均有一個(gè)與 32位寬用戶接口的 32位寄存器相關(guān)的 位序號(hào)。靜態(tài)存儲(chǔ)器、 SDRAM及 Burst Flash控制器均可作為 EBI上的外部存儲(chǔ)控制 器，這些外部存儲(chǔ)控制器可以處理多種類型的外部存儲(chǔ)器以及外部設(shè)備，如 SRAM, PROM, EPROM, EEPROM， Flash， SDRAM及 Burst Flash. EBI通過集成電路支持 Compact Flash與 Smart Media協(xié)議從而極大的降低了對(duì)外部組件的需求。此軟件能檢查任何其它未處 理的中斷，并能相應(yīng)地調(diào)度它們。 8 級(jí)優(yōu)先級(jí)控制器驅(qū)動(dòng)處理器正常中斷、處理中斷源 1到 31的優(yōu)先級(jí)、高優(yōu)先級(jí)中 斷可在低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)期間先行服務(wù)。內(nèi)部中斷源可編程為電平敏感或邊沿觸發(fā)。它的設(shè)計(jì)充分降低了軟件與實(shí)時(shí)開銷內(nèi)部 與外部中斷處理。 SDRAM控制器支持對(duì)一 個(gè)位置脈沖長度的讀或?qū)懀恢С置}沖的字節(jié)讀 /寫或脈沖的半字寫。它還提供外部等待請(qǐng)求 能力。每個(gè)外設(shè)擁有 256 或者 512 字節(jié)。 13 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖 外部存儲(chǔ)地址空間映射 存儲(chǔ)控制器通過地址譯碼器來對(duì) 32位地址總線的最高 4位進(jìn)行譯碼并定義 11 個(gè)獨(dú)立區(qū)域。它還可通過一個(gè)異常中止?fàn)顟B(tài)與 一個(gè)失調(diào)檢波器來幫助應(yīng)用程序調(diào)試。 PLLB主要是給 USB 提供時(shí)鐘源的，一旦要啟用 USB，則必須配置 PLLB,它將提供 96M二分頻或 48M的時(shí) 鐘給 USB HOST和 USB DEVICE。其中 SLK為系統(tǒng)常駐時(shí)鐘，如果用戶不去配置時(shí) 鐘管理，則系統(tǒng)將以 SLK()工作。當(dāng)微控制器的 NRST輸入插入，處理 器立即停止當(dāng)前執(zhí)行的指令。一個(gè)轉(zhuǎn)換旁路緩沖器 (TLB)被用來加速地址轉(zhuǎn)換過程，并減少頁表讀取所 需的總線傳送。 （ 15）復(fù)位和測試信號(hào)。 （ 11） TWI，支持兩線 EEPROM。 （ 7）三個(gè)同步串口控制器 SSC。 （ 3）系統(tǒng)外設(shè)：八級(jí)別高級(jí)中斷管理器 AIC,電源管理器 PMC、時(shí)鐘發(fā)生器、實(shí)時(shí) 時(shí)鐘、四個(gè)可編程外部時(shí)鐘信號(hào)、調(diào)試單元、四個(gè) 32bit PIO控制器、七個(gè)外部 中斷源和一個(gè)快速中斷 。 （ 1） 16K字節(jié)片上 SRAM, 128K字節(jié)片上 ROM。 （ 3） MMU支持高級(jí)操作系統(tǒng)如 Linux， Windows CE，提供了一個(gè)地址轉(zhuǎn)換表， CP15是訪問 MMU的唯一途徑。 AT91RM9200微處理器 1． AT91RM9200微處理器的特點(diǎn) AT91RM9200是 Atmel公司的嵌入式 ARM920T內(nèi)核處理器，內(nèi)核工作電壓為 伏，輸入 /輸出電壓 (I/0)為 ，典型功耗值小于 ，具有 180MHz/200MIPS 性能， 16KH的數(shù)據(jù) Cache,16KB指令 Cache，全功能的 MMU, ， 內(nèi)置 10/100M網(wǎng)絡(luò)接口，支持高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及其他應(yīng)用，非常適合于系統(tǒng)控 制以及通訊領(lǐng)域使用，同時(shí)，也適用于汽車、醫(yī)藥等領(lǐng)域。 （ 3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。手機(jī)中的 32位 SIM智能卡也采用了 ARM技術(shù)。 （ 3） 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 :隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用 ARM技術(shù)的 ADSL芯片正逐步獲得 競爭優(yōu)勢。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM公司購買其設(shè)計(jì)的 ARM微處理器核，根 據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?ARM微處理器芯 片進(jìn)入市場。 ARM 微處理器 ARM概述 ARM (Advanced RISC Machines)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn) 為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 MISO/PA0 MOSI/PA1 SPCK/PA2 I/O I/O I/O NPCS0/PA3 XC3S400PQ208 AT91RM9200 Q D C S M25P64 圖 ARM 與 M25P64 的連接方式 （ 2） ARM與 DM9161的連接方式見圖 。C下可靠工作 20年。系統(tǒng)總體框架見圖 。 圖 信號(hào)調(diào)理通道板信號(hào)流程 2．信號(hào)采集、處理板 信號(hào)采集、處理板的輸入信號(hào)是信號(hào)調(diào)理通道板的輸出信號(hào)，該板的信號(hào)流 程見圖 。 嵌入式數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)信號(hào)流程設(shè)計(jì) 1．信號(hào)調(diào)理通道板信號(hào)流程 取自現(xiàn)場設(shè)備的各種傳感器信號(hào)送入信調(diào)理通道板，每個(gè)信號(hào)調(diào)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 包含三個(gè)信號(hào)調(diào)理通道。預(yù) 處理 DBamp。 ADC 時(shí)鐘系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 傳感器信號(hào) 信號(hào)調(diào)理 電路 1 傳感器信號(hào) 信號(hào)調(diào)理 電路 2 1～ 24路 信號(hào)同步 DBamp。 6 碩士學(xué)位論文 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)和信號(hào)采集、處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。 （ 3）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余， 力爭在 同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的 選擇更具有競爭力。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(qiáng)嵌入式應(yīng)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(xué)性。 （ 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(dòng)的計(jì) 算和通信設(shè)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(jí)。嵌入式微處理器一般具備以下特點(diǎn)： （ 1）對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并有較短的中斷響 應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低的限度 。 1. 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)被定義為 :以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁 剪、適應(yīng)應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)。 具體的說，航空航天系統(tǒng)中火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣流量、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)測試、 發(fā)射試驗(yàn)過程中的瞬態(tài)信號(hào)的記錄、振動(dòng)波型的記錄，需要高速的信號(hào)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要 分支、計(jì)算機(jī)技術(shù)儀器構(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。 第 4 章，系統(tǒng)測試分析。 第 2 章，數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。 嵌入式 Linux 的研究、開發(fā)和應(yīng)用在國外已經(jīng)是如火如荼，在國內(nèi)，嵌入式 Linux 系統(tǒng)的研發(fā)熱潮正在蓬勃興起。工 業(yè)以太網(wǎng)使用了 TCP/IP 協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。 工業(yè)企業(yè)的傳統(tǒng)測控設(shè)備一般來講有體積大、靈活性差、價(jià)格高等缺點(diǎn)，而且 控制部件大多遠(yuǎn)離機(jī)械設(shè)備，布線很復(fù)雜。嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)其開放的 2 碩士學(xué)位論文 源代碼，其內(nèi)核源代碼可從 Inter 上下載，同時(shí) Inter 上有其各種外接設(shè)備 的驅(qū)動(dòng)程序源代碼，強(qiáng)大而穩(wěn)定，用戶可以根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，使得系統(tǒng)小 型化、專業(yè)化。而 Linux 從 1991 年問世以來，已經(jīng)發(fā)展成為功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高而日益提高。在保證精度的條件下應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、 實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對(duì)速度的要求 [3]。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)采集、監(jiān)視和 記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在設(shè)備監(jiān)測、儀器儀表制造、電力控制、地礦勘測、 水文檢測、油田數(shù)據(jù)采集、紡織制造、交通運(yùn)輸記錄儀等領(lǐng)域中，都需要用到數(shù) 據(jù)采集和監(jiān)控設(shè)備，市場對(duì)其需求很大。而且微處 理器由于價(jià)格越來越低，功能也不斷增強(qiáng)。 大規(guī)模集成電路技木的迅速發(fā)展，微處理器、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出等外圍接 口器件的性能不斷提高，體積越來越小，價(jià)格越來越低，使數(shù)據(jù)采集器不斷向智 能化、小型化發(fā)展，智能化儀器的研制己經(jīng)成為當(dāng)今研制的主要方向。 本學(xué)位論文屬于 保密 □，在 ______年解密后適用本授權(quán)書。對(duì)本文的研究做出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 （ 4）搭建了系統(tǒng)地測試平臺(tái)，進(jìn)行了基于 SPI傳輸模式下核心版基本性能測 試及嵌入式數(shù)據(jù)采集通道板測試，分析了測試結(jié)果并針對(duì)出現(xiàn)的問題給出了改進(jìn) 技術(shù)措施。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)開發(fā) 了基于 Linux操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊。但傳統(tǒng)的基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣模塊因?yàn)闊o法或很難完成 操作系統(tǒng)的嵌入、文件的管理、各種接口的連接、與 Inter的互聯(lián)、大容量存 儲(chǔ)器的擴(kuò)展等功能，所以在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。 （ 3）論述了軟件平臺(tái) Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核及其開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，闡述了 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的嵌入式系統(tǒng)軟件構(gòu)建及 FPGA數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，分析了嵌入式 Linux操作系統(tǒng)剪裁、內(nèi)核移植、引導(dǎo)程序 Uboot移植，提出了 ARM中主程序的設(shè) 計(jì)及 FPGA系統(tǒng)內(nèi)部功能圖和 FPGA功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編 入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯 編本學(xué)位論文。在冶金、 化工、醫(yī)學(xué)和電器性能測試等許多應(yīng)用場合需要同時(shí)對(duì)多通道快變的模擬信號(hào)進(jìn) 行采集、預(yù)處理、暫存和向上位機(jī)傳送，再由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、自動(dòng)報(bào) 表生成、信號(hào)波形顯示和輸出打印等處理。模擬技術(shù)和數(shù) 字技術(shù)混合運(yùn)用以綜合發(fā)揮兩者的優(yōu)勢己是電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 2．選題意義 該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)后，數(shù)據(jù)采集模塊不僅是一種具有現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 、處理功能 的自動(dòng)化設(shè)備，還具備實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、即時(shí)顯示、即時(shí)反饋、自動(dòng)處理、 自動(dòng)傳輸?shù)裙δ?，為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性、即時(shí)性、可用性提供了保證， 并能方便