【正文】 的應用。現(xiàn)在， 32 位嵌入式 CPU 價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用提供了可能 性。在嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上，由 于 Linux 有完整開放的源代碼，可針對具體應用修 改和優(yōu)化系統(tǒng)，內核穩(wěn)定，適用 于多種 CPU 和多種硬件平臺，支持網絡等特點，因而選擇 Linux 作為嵌入式操作系 統(tǒng) [4]。在工業(yè)控制設備上開發(fā)應用嵌入式操作系統(tǒng)具 有非常廣闊的市場前景 [3]。討論了國內外數據采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 ,分析出了嵌入式系 統(tǒng)在數據采集系統(tǒng)中的重要性和現(xiàn)實意義。給出了數據采集模塊的硬件設計總 結構模型，分析了嵌入式系統(tǒng)的概況，論述了嵌入式系統(tǒng)中常用的 ARM 概念及本 設計中采用的 AT91RM9200 芯片的工作原理，提出了硬件系統(tǒng)設計的技術要點并 給出了信號模數轉換模塊，內存模塊，網絡芯片模塊的設計。論述嵌入式 Linux 軟件平臺的搭建， 系統(tǒng)內核，開發(fā)環(huán)境及開發(fā)工具，設計了嵌入式 Linux 的軟件移植，闡述了 Linux 的裁減，內核一致及引導程序 Uboot 的移植，給出了 Linux 應用層 ARM 主程序 的軟件設計。搭建了測試平臺，對數據采集模塊進行了性能測試 及采樣測試，對測試結果進行了分析，針對出現(xiàn)的問題給出了改進技術措施。 4 碩士學位論文 第 2 章 數據采集模塊硬件設計及實現(xiàn) 數據采集模塊硬件設計 嵌入式數據采集器 將模擬信號轉換為數字信號，并進行存儲和計算機處理顯示的過程稱為數據 采集，而相應的采集器則為數據采集模塊。科學技術的發(fā)展和數據采集 技術的廣泛應用，采樣率、分辨率、存儲深度、數字信號處理速度、抗干擾能力 等技術指標成為了數據采集系統(tǒng)的重要因素。在許多應用場 合，例如：運動控制、爆炸檢測、醫(yī)療設備（如 CT、核磁共振）、快速生產過程 （如石油化工過程）和變電站自動化等領域，需要高速或超高速數據采集系統(tǒng)來 完成許多低速數據采集系統(tǒng)無法完成的工作。 而在工業(yè)控制領域，數據采集是整個工廠自動化的最前端，采樣速度、京都與實 現(xiàn)該功能的成本是幾個重要因素，數據采集也正朝這幾個方向發(fā)展。同時，工業(yè)測控、智能儀表、自動化裝置等領域還要求數據采集與處理系 統(tǒng)微型化、智能化 [5]。它包括硬件和軟件兩部分。 2．嵌入式微處理器的特點 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。 （ 2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。 （ 3）可擴展的處理器結構，以便能夠迅速地開發(fā)出滿足應用的高性能的嵌 入式微處理器 。 3．嵌入式操作系統(tǒng)的特點 嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極 為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動 接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，將大大提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的 效率，改變以往嵌入式軟件設計只能針對具體的應用從頭做起。 （ 1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的，嵌入式 CPU與通用型的最大不同就 是嵌入 式 CPU大多工作在為特定用戶群設計 的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體 積小、集成度高等特點，能夠把通用 CPU 中許多由板卡完成的任務集成在芯片內 部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網絡的藕合 也越來越緊密。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、 高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 （ 4）嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體 產品同 步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。 （ 6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也 不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。信號調理系統(tǒng)由電 荷放大或電壓放大或電流放大電路（視傳感器類型定）、程控放大、程控低通濾 波、緩沖放大等四級電路組成，其中由單片機控制上位機要求的程控放大、程控 低通濾波等參數。此種嵌入式數據采集裝置的總體結構圖見圖 。CB FPGA片 上 RAM ARM DBamp。CB FPGA 控制 amp。AB CB SDRAM 控制參數通信 圖 嵌入式數據采集裝置的總體結構圖 圖 中各個標記說明： DB 代表數據總線（ Data Bus） ,AB 代表地址總線（ Address Bus）， CB 代表控 制總線（ Control Bus）。 ARM：實現(xiàn)液晶顯示，與 PC 機的通信； SDRAM：完成系統(tǒng)數據的緩沖存儲，運行 Linux 內核、文件系統(tǒng)及 ARM 的應 用程序； FLASH：一種存儲器，該系統(tǒng)用來存放引導 ARM 啟動的程序，存放壓縮的 Linux 內核、文件系統(tǒng)及應用程序。根據不同的傳感器類型配備不同的信號調理通道板，各 種信號經過信號調理后都變換為 同一規(guī)格的電壓信號。 信號調理通道板信號流程見圖 。 第 1通道信號 FPGA 第 2通道信號 24 通 片上 RAM 第 24通道信號 道 ADC 采 樣 順序讀取 24路 信號數據 FFT等 方法 處理 分析結果輸出 ARM 數據打包處理 發(fā)送數據 圖 信號采集、處理板信號流程 數據采樣模塊框架 本設計由兩個主要部分組成，分別是設備控制模塊和數據采樣模塊。數據采樣模塊由一塊 FPGA 和四塊 A/D 轉換芯片組成， FPGA 根據 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 換，然后進行處理。 8 碩士學位論文 PC工作站 NAND FLASH SDRAM Ether Transceiver PROM A/D A/D ARM FPGA A/D SDRAM A/D SERIAL FLASH 圖 系統(tǒng)框架圖 （ 1） ARM從 DATA FLASH中讀取數據時，采用 SPI接口，而 ARM與 FPGA通訊時同 樣使用 SPI接口，所以可以使用 SPI的主從模式， ARM做主模塊， FPGA和 DATA FLASH 做從模塊，通過片選信號 NPCS0來控制兩塊芯片的切換。 NOR FLASH選用 AMD公司的 AM9LV320D，容量 32Mb，可在 125176。 DATA FLASH則選用 ST公司的 M25P64， 64Mb容量，支持 SPI接口，最高工作頻率 50MHz。其連接方式見圖 。 IRQ6 /E M D IO TCL K2/E M D C TCL K1/ ERXE R MCDB 2 /E R X D V MCDB 3 /E R X 0 TCL K0/E R X 1 MCDB /E T X E N MCDB 1 /E T X 1 MCC D B /E T X E N PCK 1/NPC S1 AT91 R M 9 2 0 0 MDIO MDC RXE R RXDV RXD[0 ] RXD[1 ] TXD[ 0 ] TXD[ 1 ] TXE N MDIN T R DM9 1 6 1 圖 ARM 與 DM9161 的連接方式 9 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數據采集模塊設計與實現(xiàn) （ 3） FPGA 選用 Xilinx 的 XC3S400PQ208， XC3S400PQ208 內部有豐富的 Blockram，可以用它來實現(xiàn) RAM 用作緩存，存放數據。 FPGA 在 復位 ARM 之后一直屬于從屬狀態(tài)，當 FPGA 接收到 ARM 的采集命令后，將一標志位置位， 采樣控制部分檢測到標志位同時啟動 4 塊 A/D 轉換芯片，這樣，每次轉換時間就 能采樣 4 個點得數據，然后將各個 A/D 芯片轉換來的數據存儲到特定的內部 RAM 中， 6 次轉換時間就完成了 24 個信號的轉換。 1991年 ARM公司成 立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。 ARM公司是專門從事基于 RISC技術芯片設計開發(fā)的公司，作為知 識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉 讓設計許可由合作公司生產各具 特色的芯片。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用 ARM公司的授權，因 此既使得 ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成 本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力 [6]。 （ 2） 無線通訊領域 :目前己有超過 85%的無線通訊設備采用了 ARM技術， ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。此外， ARM在語音及視頻處理上進行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對 DSP的應用領域提出了挑戰(zhàn) 。 10 碩士學位論文 （ 5）成像和安全產品 :現(xiàn)在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用 ARM技 術。除此以外， ARM微處理器及技術 還應用到許多不同的領域，并會在將來取得更加廣泛的應用。 （ 2）支持 Thumb(16位 )ARM(32位 )雙指令集，能很好的兼容 8位 /16位器件。 （ 4）大多數數據操作都在寄存器中完成。 （ 6）指令長度固定。 2． ARM920T 的構成 ARM920T內核結構是在 ARM9TDMI基礎上加 Cache和 MMU而成的，包含如下功能 模塊 : （ 1） ARM9TDMICPU核，支持五級流水線 :Fetch、 Decode、 Execute、 Memory、 Write buffer,同時支持 ARM， Thumb指令集，支持 JTAG以及嵌入式 ICE。 Cache由 Line組成， Line是 Cache進行塊讀取和替換的單位。 （ 4）提供 16KB Instruction Cache和 16KB Data Cache，一個 Write Buffer， 一個 Write back PATAG RAM。 2． AT91RM9200功能模塊結構圖 AT91RM9200功能模塊見附錄 E，是以 ARM920T為內核的嵌入式處理器。 11目標進行了優(yōu)化。 基于 Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式數據采集模塊設計與實現(xiàn) （ 2）擴展總線接口 EBI支持 SDRAM、 Static Memory、 Burst Flash、 Compact Flash, Smart Media、 NAND Flash。 （ 4）多媒體卡接口（ MCT），最多支持兩張 SD卡。 （ 6）以太網卡接口 MII、 RMII，集成 28Byte FIFO和專用 DMA接收傳輸通道。 （ 8）四個 USART，支持 IS07816 TO/T1 Smart Card。 （ 10）兩個三通道， 16bit定時器 /計數器 TC，兩個可編程脈沖寬度調制接口 PWM。 （ 12）完全的 JTAG邊界掃描和嵌入式 IEC支持。 （ 14）一個 8KHz振蕩器，用于產生低功耗的實時時鐘。 （ 16） 32位數據總線 D[0:31],26位地址總線 A[0:25]和其他控制信號。 MMU構造一個自動轉換表，接收來自 CPU的 虛擬地址，當所需的虛擬地址不在高速緩存中時，由 MMU將虛擬地址轉換為物理 地址。 2．復位 AT91RM9200有兩個獨立的復位輸入線： NRST與 NTRST。 NRST信號必須看作系統(tǒng)復位信號，用 以強制微控制器單元出現(xiàn)初始狀態(tài) :對引導模式選擇 (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 只定義了程序計數器與當前程序狀態(tài)寄存器。 NSTRST提供測試復位，主要使用于使用內部仿真器 12 碩士學位論文 單元的硬件調試接口，而且對其初始化不影響 ARM處理器正常工作。 3．時鐘 AT91RM9200的 PMC含有時鐘發(fā)生器模塊，時鐘源有四個 :慢時鐘 (SLK)，主時 鐘 (Main Clock ), PLLA, PLLB。同時慢時鐘也是系統(tǒng)啟動時的時鐘源。而 PLLA和 PLLB則通過對輸入時鐘源進 行倍頻，產生高頻時鐘信號 (稱為 MCK)提供給 CPU和片上外設。時鐘發(fā)生器框見圖 。它通過一個總線 判決器和個地址譯碼器將 4G字節(jié)的地址空間分區(qū)來訪問內置的 SRAM與 ROM、內置 外設及通過外部總線接口 (EBI)的外部存儲器。 總線判決器是用戶可編程的，主機可配置為 07中任意一個優(yōu)先級，其中 7級 為最高