【正文】 ，具有體積小、重量輕、成本低及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且一般在工作溫度、抗電磁干擾及可靠性等方面都做了加強(qiáng)。 課題研究的意義 本課題的目的是運(yùn)用 ARM 實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井供電系統(tǒng)的信息采集。技術(shù)具有性能高、成本 低和能耗省的特點(diǎn)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 指導(dǎo)教學(xué)，還可使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，使知識(shí)更加系統(tǒng)化、實(shí)用化，并提高其綜合知識(shí)水平和技能。數(shù)據(jù)采集與處理在傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)以及嵌入式多媒體設(shè)備如音頻、視頻信號(hào)處理中占據(jù)著十分重要的地位，是實(shí)現(xiàn)各類現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)、準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)數(shù)字化的必要 環(huán)節(jié)。 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是處理速度慢、系統(tǒng)資源有限、實(shí)時(shí)性能較差。通過溫度傳感器和電流傳感器采集到供電系統(tǒng)的溫度信號(hào)和電量信號(hào)，傳輸?shù)交谖⑻幚砥?S3C2410A的芯片所構(gòu)成的電路系統(tǒng)裝置進(jìn)行信號(hào)處理。 信息采集的發(fā)展概況 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB766587 對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在國(guó)外，嵌入式 CUP 的處理能力提升較快，由 8 位、16 位升級(jí)到 32 位，掌上電腦、 PAD、智能手機(jī)等新產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。然而國(guó)內(nèi)的個(gè)人數(shù)字處理 (PDA)市場(chǎng)火爆，掌上電腦、機(jī)頂盒等產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后也獲得用戶好評(píng)，智能手機(jī)市場(chǎng)前景看好。目前國(guó)內(nèi)外推出了很多商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)，努力爭(zhēng)取自己的市場(chǎng)份額。信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇，從中可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢(shì)：嵌入式開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本，友好的用戶界面、圖像界面和靈活的控制方式等趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，本論文所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有以下的要求 : (l)多通道模擬量采集。 (2)數(shù)據(jù)采集具有移動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能。設(shè)計(jì)要求為整個(gè)系統(tǒng)的性能提出了最低要求，它為器件選型和系統(tǒng)內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則。系統(tǒng)中沒有被呼叫到的分站以獨(dú)立自動(dòng)的方式控制本站內(nèi)所有高壓真空配電裝置內(nèi)的智能采集器，并不受主控計(jì)算機(jī)通信的影響。地面主控計(jì)算機(jī)還可通過向采區(qū)變電所分站發(fā)控制命令，控制某智能采集器輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)真空配電開關(guān)的復(fù)位、合閘或分閘。圖 嵌入式系統(tǒng)的概述 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)己 所謂嵌入式系統(tǒng) (EmbeddedSystem)，實(shí)際上是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱，它是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。像這樣“嵌入”到更大，更專用的統(tǒng)，稱之為“嵌入式 AT91RM9200 EMC 開關(guān)量輸入輸出 以太網(wǎng) SDRAMC BFC SMC SPI UHP/UNP USART A/D USB主 /設(shè)備 串口 EMC PIO 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 6 計(jì)算機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”或者“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。這個(gè)定義是從應(yīng)用方面考慮的，國(guó)內(nèi)一般定義為 :以應(yīng)用中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著國(guó)內(nèi)外嵌式產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密關(guān)聯(lián)。在工業(yè)領(lǐng)域中，使用嵌入式技術(shù)的數(shù)字機(jī)床、能工具、工業(yè)機(jī)器人等正在改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。它與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 相比具有如下的特點(diǎn) : ● 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專用性強(qiáng)。 ● 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 7 固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，而不是存儲(chǔ)于磁盤等載體 。 ● 對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高，應(yīng)該盡最大可能避免“死機(jī)”的發(fā)生 。 嵌入式 系統(tǒng)的組成 圖 典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件 嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、外設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等幾大部分組成。嵌入 復(fù)位 ROM ROM 復(fù)位 電源模塊 復(fù)位 時(shí)鐘 ROM MPU FLASH RAM 外圍電路 微處理器 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 8 式處理器與通用處理器的最大不同點(diǎn)在于其大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。嵌入式處理器可分為 : ● 低端的微控制器 (MCU):俗稱單片機(jī)，最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，而使功耗和成本下降，可靠性提高。 ● 中高端的嵌入式微處理器 (EMPU):其基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CUP 具有體小、重量輕、成本低及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且一般在工作溫度、抗電磁干擾可靠性等方面都做了加強(qiáng)。 ● 通信領(lǐng)域 DSP 處理器 (DSP):因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令的 特殊設(shè)計(jì)，DSP 適合于行 DSP 算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。 ● 高度集成的片上系統(tǒng) (Soc):Soc 在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。 除了嵌入式處理器以外還有用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能他部件。 ● 接口 :應(yīng)用最廣泛的包括并口、 RS 一 232 串口、 IDrA 紅外接口、 SPI 串行外設(shè)備接口、 I， C(InterIC)總線接口、 USB 通用串行總山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 9 線接口、 Ether 接口等。 (2)嵌入式系統(tǒng)的軟件 如圖 所示，嵌入式軟件系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩大部分 : 圖 典型嵌入式系統(tǒng)基本組成 — 軟件 在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開發(fā)更 方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等，即嵌入式操作系統(tǒng)。用戶的任務(wù)可能有時(shí)間和精度的要求。由于嵌入式應(yīng)用對(duì)成本十分敏感，因此 ，為減少系統(tǒng)成本，除了精簡(jiǎn)每個(gè)硬件單元的成本外，應(yīng)盡可能地減少應(yīng)用軟件的資源消耗，盡可能地優(yōu)化。嵌入式系統(tǒng)與 PC 最大的不同就是嵌入式 CPU 大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，能夠把 PC 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)。 (3)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，系統(tǒng)精簡(jiǎn)；操作系統(tǒng)一般和應(yīng)用軟件集成在一起，量體裁衣、去除冗余。 (5)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，需要專門的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境。 嵌入式系 統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號(hào)處理與控制 ,目前己經(jīng)在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)生活各領(lǐng)域普及應(yīng)用，工業(yè)控制、交通管理、信息家電、山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 11 家庭智能管理、 POS 網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、環(huán)境檢測(cè)、機(jī)器人等領(lǐng)域，無不有它的蹤影。 嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 嵌入式系統(tǒng)正處于一個(gè)飛速發(fā)展激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。就嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)和市場(chǎng)來說，國(guó)外發(fā)展速度極快，技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)格局基本形成 。硬件方面，近年來微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，處理器增長(zhǎng)速度也隨之加快，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。在國(guó)內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵硬件主要靠國(guó)外引進(jìn)，技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱。軟件方面，作為嵌入式系統(tǒng)核心的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是開發(fā)嵌入式應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)有 windowCsE、 vxworks、 QNX 等，我國(guó)自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品有 Deltasystem、 Hopen 等。它的出現(xiàn)無疑為國(guó)家發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)事業(yè)提供了極有吸引力的機(jī)山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 本設(shè)計(jì)的總體思路 12 會(huì)。 ● 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 ● 精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。 ● 友好的用戶界面、圖像界面和靈活的控制方式。目前一些先進(jìn)的 PAD 在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式設(shè)備想達(dá)到這個(gè)要求還有很長(zhǎng)的路要走。 AT91RM9200 是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)，它片內(nèi)以太網(wǎng)、 EBI、 MCI、 SSC 和 SPI 等多種通信接口， 200MIPS 的處理速度管理使這款芯片 非常適合于系統(tǒng)控制領(lǐng)域 AT91RM9200 的結(jié)構(gòu)如圖 。 ● 16KB 的高速數(shù)據(jù)緩存， 16KB 的高速指令緩存 。 ● 支持在線仿真 (JTAG)。 ● 2 個(gè)片內(nèi)振蕩器和 2 個(gè)鎖相環(huán)電路 PLL。 ● 4 個(gè)可編程的外部輸出時(shí)鐘信號(hào) 。 ● 專用調(diào)試單元，兩線 UATR 的調(diào) 試通道 。 ● 7 個(gè)外部中斷源和 1 個(gè)快速中斷源 。 ● 20 個(gè)外圍數(shù)據(jù)控制通道 。 ● 發(fā)送和接收分別集成了 28 字節(jié)的 FIFO 和專用 DMA 通道 。 ● 集成 FFIO 和專用 DMA 通道 。 ● ZKB 可配置的集成 FFI 氏 (8)多媒體卡接口 MCI ● 自動(dòng)協(xié)議控制和快速數(shù)據(jù)傳輸 。 (9)3 個(gè)同步串行控制器 SCS ● 每個(gè)發(fā)送器和接收器都有單獨(dú)的時(shí)鐘和幀同步信號(hào) 。 ● 支持 32 位的高速數(shù)據(jù)流傳送 。 ● 硬件和軟件握手協(xié)議 。 ● USARTI 口包括一個(gè)完整 Mdome 的所有控制信號(hào) 。 ● 4 條外部片選線 。 ● 支持 ATMEL 公司所有兩線串行 EEPRMO。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的主要任務(wù)就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的加工，并將處理結(jié)果進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的測(cè)量和監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)方面的功能： ● 數(shù)據(jù)采集：按照一定的采樣頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，也可以直接對(duì)數(shù)字信號(hào)和開關(guān)量進(jìn)行采樣。由各種傳感器獲得的低電平信號(hào)或者由儀器、變送器輸出的小電流信號(hào)經(jīng)過采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確性判斷、標(biāo)度變換及線性化等處理工作。 ● 開關(guān)量處理：主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)開關(guān)器件的狀態(tài)變化，開關(guān)信號(hào)主要來自各種開關(guān)器件，如按鈕和繼電器觸點(diǎn)。 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 17 ● 屏幕顯示：顯示信號(hào)波形、趨勢(shì)圖、模擬圖、相關(guān)性等曲線。 ● 打印輸出：定期將各種數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式打印出來。 數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處 理和二次處理。數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)包括對(duì)采集的各種信號(hào)做物理量解釋，消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)和分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征。 傳感器通常由三部分組成： 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 18 敏感元件： 直接感受被測(cè)量 ,輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系。 轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號(hào)的電路。 有些傳感器很復(fù)雜 。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 ,沒有轉(zhuǎn)換電路 ,如壓電式加速度傳感器 ,其中質(zhì)量塊是敏感元件 ,壓電片 (塊 )是轉(zhuǎn)換元件。 傳感器的分類 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電阻 敏感元件 +12V 被測(cè)量 山東科技大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 數(shù)據(jù)信息采集前的準(zhǔn)備 19 按傳感器的工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型和生物型。 按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。 按轉(zhuǎn)換過程是否可逆，分為雙向傳感器、單向傳感器。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理 的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量 .在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。但靈敏度越高，與測(cè)量信號(hào)無關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會(huì)被放大。 傳感器的量程范圍 是和靈敏度緊密相關(guān)的一個(gè)參數(shù)。有些需在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行的測(cè)試工作，被測(cè)信號(hào)疊加干擾信號(hào)后也不應(yīng)迸入非線性區(qū)。 如被測(cè)量是一個(gè)向量時(shí)，則傳感器在被測(cè)量方向的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；如果被測(cè)量是二維或三維向量，那么對(duì)傳感器還應(yīng)要求交叉靈敏度愈小愈好 ● 傳感器的線性范圍 任何傳感器都有一 定的線性范圍，