基于ARM9的嵌入式数据采集系统设计

分类号 UDC 工学硕士学位论文 密级 编号 基于A R M 9 的嵌入式数据采集系统设计 硕士研究生 黄建权 指导教师 桑恩方教授 学位级别 工学硕士 学科专业 信号与信息处理 所在单位 水声工程学院 论文提交日期 2 0 0 8 年2 月 论文答辩日期 2 0 0 8 年3 月 学位授予单位 哈尔滨工程大学 哈尔滨T 程大学硕十学位论文 摘要 伴随着计算机和网络技术的高速发展 数据采集系统从传统电路 微机 模式发展为嵌入式系统模式 嵌入式系统在现代工业数据采集中扮演着不可 替代的重要角色 本文研究的主要内容是利用A R M 9 系列处理器 3 C 2 4 1 0 A 为主控制器 设计一套嵌入式的数据采集系统 由于大多数工业环境的限制 要求采集系 统具有大容量的存储和无线转发功能 为此本文以 3 C 2 4 1 0 A 为核心 以一 片F P G A 和一片以太网控制器C S 8 9 0 0 A 为辅助来实现系统硬件的数字部分 模拟部分由两路A D 采集 可变增益放大器和基本放大电路组成 系统还实 现S D 卡存储功能以及各种接口如串口和J T A G 口 在软件部分实现了L i n u x 系统在开发平台上的移植 分别从B o o t l o a d e r 移植 L i n u x 内核移植和根文件系统的建立三个方面进行论述 并完成了A D 转换器 S D 卡和C S 8 9 0 0 A 在L i n u x 下的驱动设计 最后设计出数据采集 存储和转发程序 在系统的调试和实验过程中 能实现各部分的基本功能 但也存在一些 不足的问题 本文最后对这些不足给出了相关意见 并对系统的进一步研究 提出了一些展望 关键词 嵌入式 数据采集 3 C 2 4 1 0 A C S 8 9 0 0 A L i n u x 哈尔滨T 程大学硕十学位论文 葺 皇皇 薯 量 皇i i i 昌皇薯宣暑 宣 皇i mii i I 岛 A B S T R A C T A l o n g w i t ht h e 1 1 i g h s p e e dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e ra n dn e t w o r k t e c h n o l o g y d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sd e v e l o p e df r o mt h et r a d i t i o n a lc i r c u i t s a n dc o m p u t e rm o d e l st ot h ee m b e d d e ds y s t e mm o d e l E m b e d d e ds y s t e mp l a y sa l l i r r e p l a c e a b l er o l ei nt h em o d e m i n d u s t r i a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s T h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st ou s et h e 3 C 2 4 10 Aw h i c hi so n eo f A R M 9p r o c e s s o rt od e s i g nas e to fe m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m S i n c et h e m a j o r i t yo fi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s i tr e q u i r e st h ea c q u i s i t i o ns y s t e m w i t hl a r g ec a p a c i t ys t o r a g ea n dw i r e l e s sn e t w o r k S ot h i sp a p e ru s e st h e 3 C 2 4 10 Aa st h ec o r e a s s i s t e dw i t h 锄F P G Aa n daC S 8 9 0 0 At od e s i g nt h e h a r d w a r eo fs y s t e m T h ep a r to ft h ea n a l o g yh a st w oa n a l o g yc h a n n e l s w h i c ha r e c o m p o s e db yA D c o n v e r tc i r c u i ta n dv a r i a b l eg a i na m p l i f i e r s S y s t e ma l s o a c h i e v e dS Ds t o r a g ec a r d s a sw e l la sv a r i o u si n t e r f a c ef u n c t i o n ss u c ha ss e r i a l a n dJ T A Gi n t e r f a c e I nt h ep a r to fs o f t w a r e t h i sp a p e ra c h i e v e st h eL i n u xo p e r a t i o ns y s t e m t r a n s p l a n t e dt ot h ep l a t f o r m T h e r ep a r t sa l ed i s c u s s e d B o o t l o a d e rt r a n s p l a n t L i n u xk e r n e lt r a n s p l a n ta n dr o o tf i l es y s t e me s t a b l i s h m e n t I th a sa l s oc o m p l e t e d t h ed r i v e r so fA Dc o n v e r t e r S Dc a r da n dC S 8 9 0 0 Au n d e rL i n u xs y s t e m F i n a l l y i td e s i g n st h ed a t aa c q u i s i t i o n s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o np r o c e d u r e s I I lt l l ep r o c e s so fd e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t i tC a na c h i e v et h eb a s i c f u n c t i o n so ft h ev a r i o u sp a r t s b u tt h e r ea r ea l s os o m es h o r t a g ep r o b l e m s F i n a l l y t h ep a p e rg i v e ss o m ev i e w sa b o u tt h ed e f i c i e n c i e s a n dp r o p o s e sp r o s p e c t st ot h e f u r t h e rr e s e a r c ha b o u tt h es y s t e m K e yw o r d s E m b e d d e ds y s t e m D a t aa c q u i s i t i o n 3 C 2 4 10 A C S 8 9 0 0 A L i n u x 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引 用己在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用 的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 作者 签字 日期 加D g 年 垄 毖 弓月 7 日 哈尔滨T 程大学硕十学付论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 伴随着计算机技术的迅速发展 工业数据采集与控制系统已由传统的测 控电路发展为由微型计算机 接口电路 外部通用设备和工业生产对象等组 成的现代数据采集与控制系统 但是以微型计算机为核心平台的数据采集和 控制系统也逐渐暴露出许多缺陷 工业环境一般条件恶劣 而微型计算机的 防尘 防震等功能较差 体积大 不易携带使用 扩展性差 成本高等 因此 以嵌入式系统为平台的数据采集系统就应运而生了 嵌入式数据 采集系统具有以下特点 1 可靠性高 嵌入式系统大都是芯片等部件 与计算机系统的硬盘 扩展卡相比 具有防震 防尘优点 程序固化在F l a s h R O M 中 不易破坏 硬件集成度高 使系统整体可靠性大大提高 2 体积小 由于高端微型处理器甚至S O C 的应用 嵌入式系统的体 积不断减小 直接影响数据采集与控制系统的体积 从而形成便携式系统 携带和使用非常方便 3 易扩展 功能强 嵌入式数据采集与控制系统很容易扩展出输入 输出 I O 接口 实现各种功能 4 开发周期短 成本低 嵌入式系统开发的数据采集与控制系统 周 期短 成本低 具有微机工业控制系统无法比拟的优势 随着后P C 时代的到来 现代工业数据采集系统已经从传统电路 微机 模式走进了嵌入式系统模式 嵌入式系统在工业数据采集系统中起着不可替 代的作用 在许多数据采集环境中 我们无法对采集系统进行现场控制 这就需要 我们把需要的数据采集并存储于如S D S e c u r eD i g i t a l 卡 C F C o m p a c t D i g i t a l 卡中 随着无线通信技术的发展 远距离大数据量的数据传输己成 为可能 这样把先进的无线通信技术应用到工业采集控制系统上 可以对系 统进行实时的监控 哈尔滨T 稃大学硕十学何论文 1 2 嵌入式系统概述 随着电子技术的快速发展 特别是大规模集成电路的产生而出现的微型 机 使现代科学研究得到了质的飞跃 而嵌入式微控制器技术的出现则给现 代工业控制领域带来了一次新的技术革命 嵌入式系统的快速发展和应用的 日益广泛也极大的丰富 延伸了嵌入式系统的概念 1 2 1 嵌入式系统的定义 所谓嵌入式系统 E m b e d d e dS y s t e m 实际上是 嵌入式计算机系统 的简称 它是相对于通用计算机系统而言的 根据电气工程师协会 I E E E 的定义 嵌入式系统是用来控制或监视机器 装置或工厂等大规模系统的设 备 这个定义是从应用方面考虑的 国内一般定义为 以应用为中心 以计 算机技术为基础 软硬件可裁减 从而能够适应实际应用中对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统口1 1 2 2 嵌入式系统的特点 从上文对嵌入式系统所作的定义可以得出嵌入式系统几个重要特征p 1 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的 嵌入式系统的专用性很强 其 中的软件系统和硬件的结合非常紧密 一般需要针对硬件进行系统的移植 同时针对不同的任务 往往需要对系统进行较大更改 程序的编译下载要和 系统相结合 这种修改和通用软件的 升级 是完全不同的概念 2 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分 不要求其功能设计及实现上过于复杂 这样一方面利于控制系统成本 同时 也利于实现系统安全 3 高实时性嵌入式操作系统 这是嵌入式软件的基本要求 而且软件 要求固态存