基于ARM9的嵌入式LINUX地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　【摘要】本文簡(jiǎn)要地介紹了微處理器AT91RM9200和嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，同時(shí)討論了地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方法。

　　【關(guān)鍵詞】AT91RM9200  嵌入式LINUX操作系統(tǒng)  數(shù)據(jù)采集

　　0 引言

　　隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化儀器已成為觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的主流儀器，因而數(shù)據(jù)采集技術(shù)也成為觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。眾所周知，地震預(yù)報(bào)一個(gè)的世界性難題，作為地震預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，地震及地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)的地位可想而知，獲得真實(shí)、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)取決于地震觀測(cè)儀（包括傳感器和采集器兩部分）。伴隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，以嵌入式為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了，它具有可靠性高，體積小，易擴(kuò)展、功能強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短、成本低。本論文是基于東方地球物理公司地震采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，采用ARM9的嵌入式系統(tǒng)，因此對(duì)其研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　作為一個(gè)通用的工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，其基本目的是獲取外界信號(hào)，例如模擬量、開(kāi)關(guān)量，并且能夠?qū)?shù)字量信號(hào)，轉(zhuǎn)化成模擬量信號(hào)輸出，以達(dá)到對(duì)外部 設(shè)備的控制。在此基礎(chǔ)上，本文所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有以下的要求

　　(1)多通道模擬量采集。因?yàn)楣た噩F(xiàn)場(chǎng)的模擬量數(shù)據(jù)非常多，而且各種模擬量所需要的放大倍數(shù)是不一樣的，就需要可變?cè)鲆娴姆糯笃鳌?/p>

　　(2)支持以太網(wǎng)等多種通訊接口?，F(xiàn)代工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)要求控制器能夠更加速高效的傳輸數(shù)據(jù)。

　　(3)數(shù)據(jù)采集具有移動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能?；诂F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，需要控制平臺(tái)在正常工作的情況下，能夠?qū)⒉糠謹(jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)存儲(chǔ)器提取出來(lái)，以便在其它設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

　　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)部的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則。根據(jù)要求總的系統(tǒng)框圖如下：

　　                       圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　構(gòu)建地震采集嵌入式系統(tǒng)必須有硬件支持，嵌入式系統(tǒng)硬件沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)應(yīng)用要求對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT91RM9200微處理器，它是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)，片內(nèi)集成了USB、以太網(wǎng)、EBI、, MCI、SSC和SPI等多種通信接口，200MIPS的處理速度和先進(jìn)電源管理使這款芯片非常適合于系統(tǒng)控制領(lǐng)域。

　　設(shè)計(jì)基于AT91RM9200的硬件框圖如下所示：

　　                       圖2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)是一款功能強(qiáng)大的微功耗嵌入式高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用基于ARM9內(nèi)核的工業(yè)級(jí)處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備豐富的外圍控制接口和通信接口，可通過(guò)IO輸出的形式控制外圍部件以及進(jìn)行多路模擬信號(hào)的切換，采集到的高精度數(shù)據(jù)可以通過(guò)RS232或者高速以太網(wǎng)等方式傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端。由于系統(tǒng)采用了功能強(qiáng)大的處理器以及Linux操作系統(tǒng)，除了可以完成高精度數(shù)據(jù)的采集外，還可以允許用戶完成數(shù)據(jù)處理以及其他的一些應(yīng)用層的功能。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下完成的。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件是可裁剪的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。Linux擁有的許多特點(diǎn)，比如廣泛的硬件支持，內(nèi)核高效穩(wěn)定，開(kāi)放源碼，軟件豐富，優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具，完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制，免費(fèi)的等等，它的這些優(yōu)良特性使得其在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用十分合適。嵌入式系統(tǒng)是在滿足實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)上的最小簡(jiǎn)化型系統(tǒng)，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上運(yùn)行的各種任務(wù)繁多并且部分實(shí)時(shí)性要求高，嵌入式微處理器需要管理的資源豐富，這些都決定了要在嵌入式平臺(tái)上引入操作系統(tǒng)。

　　根據(jù)系統(tǒng)要求完成的任務(wù)，相應(yīng)的各模塊的設(shè)計(jì)也就有運(yùn)用而生了。

　　3.1  A/D通道模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中采用的 ADS1256 芯片，具有 24 位的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，有效轉(zhuǎn)換位數(shù)會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)換速率、輸入緩沖器及放大器的設(shè)置而有所改變，在輸入緩沖器和放大器的設(shè)置不變的情況下，轉(zhuǎn)換速率成了影響有效位數(shù)的要素。數(shù)據(jù)采集頻率在允許范圍內(nèi)可為改動(dòng)，但無(wú)論采集頻率為多少，ADC的轉(zhuǎn)換速率始終設(shè)置為最高 30Ksps，這是為了滿足在最高采樣頻率下工作時(shí)，使有效數(shù)據(jù)位數(shù)始終處于最小值，但并不能照顧在低采樣頻率下工作的情況，因?yàn)檫@時(shí)數(shù)據(jù)量相對(duì)較低，對(duì)轉(zhuǎn)換速率沒(méi)有太高的要求，故可以當(dāng)改選用較低采樣頻率工作時(shí)，相應(yīng)的將 ADC 工作數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將其改為在較低的低轉(zhuǎn)換速率下工作，當(dāng)然要求是滿足此時(shí)采樣頻率下的數(shù)據(jù)要求，這樣可以提高系統(tǒng)在某些采樣頻率下 ADC 工作的轉(zhuǎn)換精度。

　　使用ADC模塊時(shí)，先要將測(cè)量通道引腳設(shè)置為AINx，然后通過(guò)ADCR寄存器設(shè)置ADC的工作模式，ADC轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換通道(CLKDIV時(shí)鐘分頻值)，并啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^(guò)查詢或中斷的方式等待AD轉(zhuǎn)換完畢，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存在ADDR存器中。ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘分頻值計(jì)算:  CLKDIV= -1（Fadclk為所要設(shè)置的ADC時(shí)鐘，其值不能大于4.5MHZ）。

　　進(jìn)行多通道AD轉(zhuǎn)換的時(shí)候，首先切換到通道1并進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取ADC結(jié)果。然后切換到通道2并進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換，操作過(guò)程與通道1相同，依次再切換到通道3, 4......，最終完成所有通道的轉(zhuǎn)換。

　　A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)的流程如圖所示：

　                　圖3  A/D任務(wù)轉(zhuǎn)換流程圖

　　3.2 USB通道模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中居于核心地位的是主機(jī)，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)來(lái)發(fā)起和控制，所有的USB設(shè)備都只能和主機(jī)建立連接，而目前，大量的扮演主機(jī)角色的是個(gè)人電腦。因此我們目前所使用的USB移動(dòng)設(shè)備都是USB的設(shè)備如U盤，在嵌入式平臺(tái)上使用U盤，就必須使得嵌入式產(chǎn)品支持USB host接口。

　　USB總線包含4種基本數(shù)據(jù)傳輸類型:控制傳輸、中斷傳輸、批傳輸以及同步傳輸，本文中用到的是控制傳輸和批傳輸。由于一般U盤都屬于mass-storage存儲(chǔ)類，遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規(guī)范。在該種傳輸方式下，有3種類型的數(shù)據(jù)在板卡和U盤之間傳送:CBW, CSW和普通數(shù)據(jù)。CBW是從板卡發(fā)送到U盤的命令，這里為SCSI傳輸命令集(包括標(biāo)志信息，數(shù)據(jù)度，UFI命令)，完成后U盤向板卡反映當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)的CSW，板卡根據(jù)CSW來(lái)決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　           圖4  U盤寫(xiě)數(shù)據(jù)流程圖

　　3.3 串口模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　一般工控現(xiàn)場(chǎng)所使用的控制器或者智能儀表都需要具有與PC機(jī)通訊的功能，以充分發(fā)揮PC機(jī)和智能設(shè)備各自資源的優(yōu)勢(shì)?？梢栽O(shè)置通訊的波特率，串行口為8位異步通信接口，一幀信息為10位:1位起始位(0)， 8位數(shù)據(jù)位(低位先)和1位停止位(1) TXD1為發(fā)送端，RXD1為接收端，這些都是對(duì)USART寄存器的初始化。

　　完成初始化后，下圖是程序流程圖：

　　                 圖5  串口流程圖

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　作為嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，本文主要討論了基于AT91系列處理器AT91RM9200、嵌入式Linux操作系統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計(jì)，在對(duì)目前地震測(cè)量技術(shù)發(fā)展進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)本數(shù)據(jù)采集的功能和設(shè)計(jì)方法提出了一整套系統(tǒng)的方案。在不斷更新總結(jié)的過(guò)程中完成了采集系統(tǒng)的研發(fā)和制作，并且進(jìn)行了系統(tǒng)的 ADC性能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)各方面的測(cè)試。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 江俊輝，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，微計(jì)算機(jī)信息，2005年第7-2期

　　[2] 周振安 范良龍等. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 地震出版社，2005年7月

　　[3] 馬建明. 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù).  西安交通大學(xué)出版社，2005年9月

　　[4] 楊恒. ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 西安電子科技大學(xué)出版社，2005年10月

　　[5] 鄒思軼. 嵌入式 Linux 設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社，2002年4月

　　[6] 何加銘. 嵌入式32位微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社，2005年12月