【正文】 這些優(yōu)點使得 K4S561632C能廣泛的應(yīng)用于寬頻帶、高 [10] 24 碩士學(xué)位論文 圖 K4S561632C 接線圖 2． FLASH1(NOR FLASH)芯片： AM29LV320D AM29LV320D是一款 32兆的 Flash存儲設(shè)備，包含 4， 194， 304字節(jié)或 2， 097， 152字 [11]。 由于 R5=R6 則 CH1+端的輸入電壓為： VCH 1+ = (R1 + R3 )R4 (R1 + R3 )R2 VREF + (R2 + R4 )R3 (R2 + R4 )R3 VIN （ ） 這樣，在保證 V+CH1＝ 0~5V 的前提下， VIN 可以是雙極信號，調(diào)整 R R4 的比例使 VIN 有合適的輸入范圍。為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率， 讀取數(shù)據(jù)可以在下一個轉(zhuǎn)換期間進行 [9]。這個低電平可使各個通道的采樣保持放大器同時處于保持狀態(tài)從而每 個通道開始轉(zhuǎn)換。以及高速并行接口。傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置。 20 碩士學(xué)位論文 可測試設(shè)計 數(shù)字信號處理系統(tǒng)由各個功能模塊組成。 （ 5）每塊電路板功能相對獨立、具有板級自檢報錯能力。 （ 2）選用高性能嵌入式微處理器（ ARM）和 FPGA，這些芯片都采用雙電源技 術(shù)，內(nèi)核電壓低；并且每片高性能的芯片處理能力強，芯片間的數(shù)據(jù)交換減少。 AT91RM9200 采用 PQFP208 和 BGA256 兩種封裝形式。 3．模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ 1）功能：實現(xiàn)傳感器信號的模數(shù)變換 （ 2）采樣速率： 200KHz 以上 （ 3）量化位數(shù)： 16－ bit （ 4）芯片型號： ADS8364（ 6 通道 ADC）； （ 5）該芯片特征：采樣頻率高（最高可達 250KHz）； ADC 線性好；功耗低 （ 450mW），集成度高（單片完成 6 通道模擬信號采樣）。最多可傳輸 16 個 32 位數(shù)據(jù)，可編程設(shè)定為自動啟動或在幀同步信號檢測 16（ 5）采樣長度：為了便于分析，一般取 2 次方，目前為 102 204 409 碩士學(xué)位論文 到不同事件時啟動。 TWI可編程作為主機進 行連續(xù)或單字節(jié)訪問，可配置波特率發(fā)生器允許輸出數(shù)據(jù)諫率在內(nèi)核時鐘頻率的 一個寬范圍內(nèi)進行調(diào)整。 6．外部總線接口、并行輸入 /輸出接口和 TW （ 1）外部總線接口 EBI EBI設(shè)計用以確保多個外設(shè)和基于 ARM器件的內(nèi)置控制存儲器間的正確數(shù)據(jù) 傳輸。 32個獨立可屏蔽向量中斷源：源 0為快速中斷輸入 (FIQ)、源 1為系統(tǒng)外設(shè) (ST,RTC,PMC, DBGU...)、源 2到源 31控制多達 30個內(nèi)置外設(shè)中斷或外部中斷。 5．中斷 AT91RM9200的高級中斷控制器 (AIC)是一個有 8個優(yōu)先級，獨立可屏蔽的向量 中斷控制器，最高可處理 32個中斷源。 SMC支持不同的允許單時鐘周期存儲器訪問的訪問協(xié)議。 ARM920T為主機 0,外設(shè)數(shù)據(jù)控制器為主機 1,USB主機端口作為主機 2，以太網(wǎng) MAC作為主機 3。而 PLLA和 PLLB則通過對輸入時鐘源進 行倍頻，產(chǎn)生高頻時鐘信號 (稱為 MCK)提供給 CPU和片上外設(shè)。 NRST信號必須看作系統(tǒng)復(fù)位信號，用 以強制微控制器單元出現(xiàn)初始狀態(tài) :對引導(dǎo)模式選擇 (BMS)邏輯狀態(tài)采樣、保存用 戶接口默認狀態(tài) (默認值 )、請求處理器由地址零讀取下一條指令、處理器寄存器 只定義了程序計數(shù)器與當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器。 （ 14）一個 8KHz振蕩器，用于產(chǎn)生低功耗的實時時鐘。 （ 6）以太網(wǎng)卡接口 MII、 RMII，集成 28Byte FIFO和專用 DMA接收傳輸通道。 2． AT91RM9200功能模塊結(jié)構(gòu)圖 AT91RM9200功能模塊見附錄 E，是以 ARM920T為內(nèi)核的嵌入式處理器。 （ 6）指令長度固定。 10 碩士學(xué)位論文 （ 5）成像和安全產(chǎn)品 :現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用 ARM技 術(shù)。 ARM公司是專門從事基于 RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知 識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn) 讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具 特色的芯片。其連接方式見圖 。數(shù)據(jù)采樣模塊由一塊 FPGA 和四塊 A/D 轉(zhuǎn)換芯片組成， FPGA 根據(jù) ARM 發(fā)送來的采樣頻率及采樣精度來控制 4 塊 A/D 芯片，將探測器發(fā)出的信號進行轉(zhuǎn) 換，然后進行處理。 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(nèi)核、文件系統(tǒng)及 ARM 的應(yīng) 用程序； FLASH：一種存儲器，該系統(tǒng)用來存放引導(dǎo) ARM 啟動的程序，存放壓縮的 Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)及應(yīng)用程序。此種嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置的總體結(jié)構(gòu)圖見圖 。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、 高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 （ 3）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能夠迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的高性能的嵌 入式微處理器 。同時，工業(yè)測控、智能儀表、自動化裝置等領(lǐng)域還要求數(shù)據(jù)采集與處理系 統(tǒng)微型化、智能化 [5]。 4 碩士學(xué)位論文 第 2 章 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計及實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計 嵌入式數(shù)據(jù)采集器 將模擬信號轉(zhuǎn)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(yīng)的采集器則為數(shù)據(jù)采集模塊。討論了國內(nèi)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。目前，工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。 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(shè) 備比單片機系統(tǒng)更復(fù)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(fù)雜的功能。在一些惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，現(xiàn)有系統(tǒng)根本無法完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。 1 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計與實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算 機能識別的數(shù)字信號，送進計算機處理、存儲、傳輸和顯示，以便實現(xiàn)對某些物 理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些 物理量。模擬技術(shù)和數(shù) 字技術(shù)混合運用以綜合發(fā)揮兩者的優(yōu)勢己是電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。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。 （ 3）論述了軟件平臺 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)計中的嵌入式系統(tǒng)軟件構(gòu)建及 FPGA數(shù)字信號處理技術(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) 計及 FPGA系統(tǒng)內(nèi)部功能圖和 FPGA功能模塊的具體實現(xiàn)。針對這些問題，設(shè)計開發(fā) 了基于 Linux操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊。對本文的研究做出重要貢 獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 大規(guī)模集成電路技木的迅速發(fā)展，微處理器、存儲器、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。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，市場對其需求很大。在保證精度的條件下應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、 實時處理和實時控制對速度的要求 [3]。而 Linux 從 1991 年問世以來，已經(jīng)發(fā)展成為功能強大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)。 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、價格高等缺點，而且 控制部件大多遠離機械設(shè)備，布線很復(fù)雜。 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。 第 4 章，系統(tǒng)測試分析。 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)。嵌入式微處理器一般具備以下特點： （ 1）對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并有較短的中斷響 應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低的限度 。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(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。 6 碩士學(xué)位論文 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)由信號調(diào)理系統(tǒng)和信號采集、處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。預(yù) 處理 DBamp。 圖 信號調(diào)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(diào)理通道板的輸出信號，該板的信號流 程見圖 。C下可靠工作 20年。 ARM 微處理器 ARM概述 ARM (Advanced RISC Machines)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認 為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)的名字。 （ 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。 （ 3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。 （ 3） MMU支持高級操作系統(tǒng)如 Linux， Windows CE，提供了一個地址轉(zhuǎn)換表， CP15是訪問 MMU的唯一途徑。 （ 3）系統(tǒng)外設(shè)：八級別高級中斷管理器 AIC,電源管理器 PMC、時鐘發(fā)生器、實時 時鐘、四個可編程外部時鐘信號、調(diào)試單元、四個 32bit PIO控制器、七個外部 中斷源和一個快速中斷 。 （ 11） TWI，支持兩線 EEPROM。一個轉(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。其中 SLK為系統(tǒng)常駐時鐘，如果用戶不去配置時 鐘管理，則系統(tǒng)將以 SLK()工作。它還可通過一個異常中止?fàn)顟B(tài)與 一個失調(diào)檢波器來幫助應(yīng)用程序調(diào)試。每個外設(shè)擁有 256 或者 512 字節(jié)。 SDRAM控制器支持對一 個位置脈沖長度的讀或?qū)?，它不支持脈沖的字節(jié)讀 /寫或脈沖的半字寫。內(nèi)部中斷源可編程為電平敏感或邊沿觸發(fā)。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。每個 I/O線均有一個與 32位寬用戶接口的 32位寄存器相關(guān)的 位序號。它包括： 1個 32位存儲器指針寄存器、 1個 16位傳輸計數(shù)寄存器、 1個 32位寄存器作下個存儲器指針、 1個 16位寄存器作一個傳輸計數(shù)。 針對以上性能指標(biāo)，對系統(tǒng)所使用芯片進行選型。 AT91RM9200 芯片基于 ARM9 結(jié)構(gòu)，為 32 位 RISC 處理器，運算速度高于 200 MIPS。在電路板制作時，選 19 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計與實現(xiàn) 用先進的 EDA 軟件 DXDesigner－ Expedition PCB（ Mentor Graphics 2020），該 軟件能仿真高速數(shù)字電路的信號完整性和電磁兼容性。 （ 3）遠距離傳輸高速數(shù)字信號用屏蔽雙絞線。 （ 8）特殊引腳的處理。在用 FPGA 設(shè)計的算法軟件和控制 軟件中，增加一些用于測試的電路或測試信號； （ 2）電路印制板上引出一些關(guān)鍵的測試點：如電源、系 統(tǒng)時鐘、同步脈沖、 工作狀態(tài)控制信號、中斷申請和中斷響應(yīng)及中斷結(jié)束標(biāo)志信號、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)生測試報告。對測量放大電路的 基本要求如下： （ 1）輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配； （ 2）一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益； （ 3）低噪聲； （ 4）低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； （ 5）足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號）； （ 6）高輸入共模范圍（如達幾百伏）和高共模抑制比； （ 7）可調(diào)的閉環(huán)增益； 21 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計與實現(xiàn) （ 8）線性好、精度高； （ 9）成本低。三個保持信號同時被選通時，轉(zhuǎn)換結(jié) 果保存在六個寄存器中，對于每一個讀操作 ADS8364