【正文】 傳統(tǒng)的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常是基于單任務(wù)機(jī)制的。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(dòng)、使用方便，以滿足遠(yuǎn)程采集的需要[1]。嵌入式系統(tǒng)采用的是微處理器，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)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。 Wavelet transformation。 Data acquisition。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。軟件設(shè)計(jì)上，編寫(xiě)了Bootloader，完成了基于Xmodem協(xié)議的傳輸方式，開(kāi)發(fā)了觸摸屏和彩色LCD的驅(qū)動(dòng)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(tái)上的運(yùn)行。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。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。兩者的相互結(jié)合，將是未來(lái)自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。本人簽名： 日期： 摘 要近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和后PC時(shí)代來(lái)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。對(duì)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。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。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。另一方面，數(shù)據(jù)采集則是信號(hào)與信息處理的關(guān)鍵，在軍工和民用中得到了廣泛應(yīng)用。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(dòng)測(cè)量需求。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)。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(lái)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(chǔ)、傳送和顯示。最后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于小波變換的數(shù)字信號(hào)處理，得到了滿意結(jié)果。 ARM。 FPGA。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(chǔ)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(dòng)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(hào)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(jiǎn)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(lái)越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。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(duì)工業(yè)測(cè)量的要求也越來(lái)越高。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(dòng)測(cè)量需求。這種機(jī)制具有簡(jiǎn)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。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(lái)ARM技術(shù)的不斷成熟，使得32位微處理器的功能更加完善。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(chǔ)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(chǔ)器?？傊?，32位處理器的出現(xiàn)，為嵌入式設(shè)計(jì)帶來(lái)豐富的硬件功能，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的升級(jí)只需通過(guò)軟件的升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)[2]?；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(duì)離子遷移譜進(jìn)行控制。uC/OSII系統(tǒng)因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂且內(nèi)核完全開(kāi)放以及強(qiáng)大的外圍接口支持，成為理想的嵌入式平臺(tái)。 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(shū)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。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多通道模擬、數(shù)字信號(hào)輸入、輸出的數(shù)據(jù)采集和控制。4) 針對(duì)ARM7TDMI類(lèi)型處理器，移植了uC/OSII操作系統(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(xiě)了觸摸屏和LCD的驅(qū)動(dòng)程序，創(chuàng)建了基于該GUI的小型漢字庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中類(lèi)Windows的圖形界面的開(kāi)發(fā)。7) 完成了基于小波變換的重疊信號(hào)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。該論文選題的主要?jiǎng)?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)。即采用FPGA作為ARM與AD之間的接口，利用ARM來(lái)控制FPGA完成數(shù)據(jù)采集。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。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)。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(kù)又十分龐大，所以通過(guò)鏈表創(chuàng)建一個(gè)自定義的小型漢字庫(kù)，只存放將要用到的幾十個(gè)漢字，這樣一來(lái)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。滿足高速數(shù)據(jù)采集的需要，而且能夠?qū)Σ杉降男盘?hào)作正確的分析與處理。第一章介紹了課題的背景和研究的基本任務(wù)。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)。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)。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)。應(yīng)用小波變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性分析。介紹了系統(tǒng)控制方式和調(diào)試結(jié)果。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)的電路模塊介紹系統(tǒng)的電路模塊部分主要由離子遷移譜模塊和嵌入式控制器模塊組成。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。觸發(fā)電路主要產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，在觸發(fā)脈沖的高電平期間前端離子門(mén)打開(kāi)，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，當(dāng)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)離子門(mén)關(guān)閉。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。輸入信號(hào)(IN SIGNAL)通過(guò)光耦TLP521和20K電阻，進(jìn)入繼電器驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803。 電磁閥控制電路腔體的溫度和氣壓測(cè)量分別使用溫度傳感器和壓力傳感器，測(cè)量范圍分別為0~400，0~1125 torr，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0~5V。嵌入式控制系統(tǒng)電路在這里主要指為離子遷移譜儀提供控制信號(hào)的接口電路，主要包括數(shù)字I/O口、采集環(huán)境參數(shù)電路和高壓調(diào)節(jié)控制電路等。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。而MAX197的使能信號(hào)引腳則與地址最低位ADDR0相連，因?yàn)閿?shù)據(jù)的存儲(chǔ)是16位的，即當(dāng)ADDR0為0時(shí)先發(fā)送低8位數(shù)據(jù)，然后地址加1，指向下一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，此時(shí)ADDR0為1，再發(fā)送高8位數(shù)據(jù)到此存儲(chǔ)區(qū)域即可。嵌入式數(shù)據(jù)采集控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它完成了對(duì)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(guò)人機(jī)界面進(jìn)行交互。 嵌入式控制器總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)采集主離子信號(hào)，另一個(gè)采集各個(gè)環(huán)境參量。本章介紹了整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)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。最后介紹了嵌入式控制器的總體設(shè)計(jì)，對(duì)各功能單元只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述，具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)將在后面的章節(jié)詳細(xì)描述。核心板完成系統(tǒng)最基本的功能，其硬件設(shè)計(jì)相對(duì)固定，只需要改變軟件代碼便可以實(shí)現(xiàn)不同的功能；擴(kuò)展板和受控對(duì)象連接，針對(duì)不同的受控對(duì)象需要作相應(yīng)的硬件改動(dòng)。 S3C44B0X微處理器核心板的主控制芯片采用了ARM系列的微控制器S3C44B0X。ARM公司1991年成立于英國(guó)劍橋，專門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，主要出售ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)(Intelligence Patent,簡(jiǎn)稱IP)核的授權(quán)。目前比較流行的ARM的IP核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T, ARM940T, ARM946T, ARM966T，ARM10TDMI等。S3C44B0X是Samsung公司推出的16/32位采用了AR