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

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

　　【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)也成為觀測技術(shù)領(lǐng)域中一個十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。眾所周知，地震預(yù)報一個的世界性難題，作為地震預(yù)報的基礎(chǔ)，地震及地震前兆觀測數(shù)據(jù)的地位可想而知，獲得真實、可靠的觀測數(shù)據(jù)取決于地震觀測儀（包括傳感器和采集器兩部分）。伴隨著計算機的迅速發(fā)展，以嵌入式為平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就應(yīng)運而生了，它具有可靠性高，體積小，易擴展、功能強，開發(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)計項目，采用ARM9的嵌入式系統(tǒng)，因此對其研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

　　1 總體設(shè)計方案

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

　　(1)多通道模擬量采集。因為工控現(xiàn)場的模擬量數(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，就需要可變增益的放大器。

　　(2)支持以太網(wǎng)等多種通訊接口。現(xiàn)代工業(yè)測控現(xiàn)場要求控制器能夠更加速高效的傳輸數(shù)據(jù)。

　　(3)數(shù)據(jù)采集具有移動轉(zhuǎn)儲功能。基于現(xiàn)場的實際工況，需要控制平臺在正常工作的情況下，能夠?qū)⒉糠謹?shù)據(jù)通過移動存儲器提取出來，以便在其它設(shè)備上進行數(shù)據(jù)分析。

　　設(shè)計要求為整個系統(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

　　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)硬件沒有統(tǒng)一的標準，根據(jù)應(yīng)用要求對嵌入式系統(tǒng)進行裁剪，系統(tǒng)設(shè)計的微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT91RM9200微處理器，它是一個真正的片上系統(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IO輸出的形式控制外圍部件以及進行多路模擬信號的切換，采集到的高精度數(shù)據(jù)可以通過RS232或者高速以太網(wǎng)等方式傳送到遠程監(jiān)控端。由于系統(tǒng)采用了功能強大的處理器以及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

　　該系統(tǒng)的實現(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，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件是可裁剪的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。Linux擁有的許多特點，比如廣泛的硬件支持，內(nèi)核高效穩(wěn)定，開放源碼，軟件豐富，優(yōu)秀的開發(fā)工具，完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機制，免費的等等，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)是在滿足實際應(yīng)用基礎(chǔ)上的最小簡化型系統(tǒng)，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上運行的各種任務(wù)繁多并且部分實時性要求高，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)計也就有運用而生了。

　　3.1  A/D通道模塊的軟件設(shè)計

　　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，但無論采集頻率為多少，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，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，因為這時數(shù)據(jù)量相對較低，對轉(zhuǎn)換速率沒有太高的要求，故可以當改選用較低采樣頻率工作時，相應(yīng)的將 ADC 工作數(shù)進行設(shè)置，將其改為在較低的低轉(zhuǎn)換速率下工作，當然要求是滿足此時采樣頻率下的數(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，先要將測量通道引腳設(shè)置為AINx，然后通過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時鐘分頻值)，并啟動ADC轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^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)換時鐘分頻值計算:  CLKDIV= -1（Fadclk為所要設(shè)置的ADC時鐘，其值不能大于4.5MHZ）。

　　進行多通道AD轉(zhuǎn)換的時候，首先切換到通道1并進行第一次轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，再次啟動轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取ADC結(jié)果。然后切換到通道2并進行第一次轉(zhuǎn)換，操作過程與通道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

　　USB的拓撲結(jié)構(gòu)中居于核心地位的是主機，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制，所有的USB設(shè)備都只能和主機建立連接，而目前，大量的扮演主機角色的是個人電腦。因此我們目前所使用的USB移動設(shè)備都是USB的設(shè)備如U盤，在嵌入式平臺上使用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(包括標志信息，數(shù)據(jù)度，UFI命令)，完成后U盤向板卡反映當前命令執(zhí)行狀態(tài)的CSW，板卡根據(jù)CSW來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　           圖4  U盤寫數(shù)據(jù)流程圖

　　3.3 串口模塊的軟件設(shè)計

　　一般工控現(xiàn)場所使用的控制器或者智能儀表都需要具有與PC機通訊的功能，以充分發(fā)揮PC機和智能設(shè)備各自資源的優(yōu)勢?？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

　　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，在對目前地震測量技術(shù)發(fā)展進行研究的基礎(chǔ)上，對本數(shù)據(jù)采集的功能和設(shè)計方法提出了一整套系統(tǒng)的方案。在不斷更新總結(jié)的過程中完成了采集系統(tǒng)的研發(fā)和制作，并且進行了系統(tǒng)的 ADC性能和數(shù)據(jù)存儲各方面的測試。

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