基于ARM的数据采集系统学位论文 精品.docx
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基于ARM的数据采集系统学位论文精品
基于ARM的数据采集系统
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摘要
近年来随着计算机技术的发展和后PC时代来临，嵌入式技术已经成为工业生产和科研实验中不可或缺的重要组成部分。
另一方面，数据采集则是信号与信息处理的关键，在军工和民用中得到了广泛应用。
两者的相互结合，将是未来自动控制领域的发展趋势。
因为将嵌入式技术引入到数据采集系统中，不但大大提高了系统的实时性和灵活性，而且还能满足日益提高的自动测量需求。
本文的研究正是基于上述考虑而进行的基于ARM的嵌入式数据采集与显示系统研制。
在兼顾通用性和可扩展性的条件下，设计了以ARM处理器和可编程逻辑器件FPGA为核心的数据采集系统。
该系统主要由两个部分组成：
系统主控核心板和实现各外围功能的扩展板。
核心板由微处理器ARM、扩展内存以及直流电源模块组成，主要用来控制各相关外围功能器件的正常工作；扩展板主要由可编程逻辑器件FPGA、模数转换器、显示器接口以及串口等组成，可进行多通道多参数的采集、存储、传送和显示。
软件设计上，编写了Bootloader，完成了基于Xmodem协议的传输方式，开发了触摸屏和彩色LCD的驱动程序，移植了uC/GUI图形用户界面，实现了抢占式实时操作系统uC/OS-II在该平台上的运行。
最后对采集到的数据进行了基于小波变换的数字信号处理，得到了满意结果。
关键词：
嵌入式系统；ARM；数据采集；FPGA；小波变换；
Abstract
Developmentofembeddeddataacquisitionanddisplayingsystem
basedonARM
ZhangLei
DirectedbyProf.JiangHaihe
Withthedevelopmentofcomputertechnologyandafter-PCtimescoming,theembeddedtechnologyplaysveryimportantrolesinbothindustrialproductionandscientificexperiment.Ontheotherhand,Dataacquisitionisthekeyprocedureininformationandsignalprocessing,andhasbeenappliedwidelyinbothwarindustryandcivil.Embeddedsystemisoneoftheleading-edgetechnologiesnowadays.Itcanbeusedtoenhancereal-timefeatureandflexibilityofthesystem,soastomeettheincreasingautomatemeasurementneeds.ThestudyofembeddeddataacquisitionsystembasedonARMissuchacase.
Consideringuniversalityandexpansibility,wehavedesignedthisdataacquisitionsystem,mainlybasedonARMprocessorandFPGA.Thesystemconsistsoftwomainparts:
mainboardandperipheralboard.Thefunctionofmainboardistocontrolperipheralparts,andthemainboardiscomposedofARM,extendedmemoryandDCpower.ThenthereareFPGA,ADC,interfaceofLCDandUARTintheperipheralboard,whichisusedtoacquire,store,transmitanddisplaydata.Insoftwaredesign,BootloaderandprotocolbasedonXmodemhavebeenfinished.Inaddition,thedriversofthetouchscreenandLCDhavebeenalsodeveloped.Thefriendlyman-machineinterfaceisobtainedbyusingtheuC/GUI.Furthermore,theuC/OS-II,asareal-timepreemptivemultitaskingoperatingsystem,hasbeentransplantedtothehardwareplatform.Intheend,wavelettransformationisappliedtoresolveoverlappeddatasignalandasatisfyingresulthasbeenachieved.
KeyWords:
Embeddedsystem;ARM;Dataacquisition;FPGA;Wavelettransformation;
目录
摘要ii
Abstractiii
第一章绪论1
1.1选题背景1
1.2论文研究的主要内容2
1.3论文的创新点及研究目标2
1.4本论文的组织结构3
第二章系统的总体设计4
2.1系统控制的总体设计4
2.2系统的电路模块介绍4
2.2.1离子迁移谱模块电路介绍5
2.2.2嵌入式控制系统电路介绍6
2.3嵌入式控制器总体设计7
2.4本章小结8
第三章基于ARM的数据采集系统硬件设计9
3.1核心板电路设计9
3.1.1S3C44B0X微处理器9
3.1.2S3C44B0X存储系统10
3.1.3ROM接口电路10
3.1.4RAM接口电路12
3.1.5系统电源设计13
3.1.6晶振及复位电路13
3.1.7JTAG接口电路14
3.1.8触摸屏接口电路15
3.2扩展板电路设计16
3.2.1系统电源电路16
3.2.2UART接口电路18
3.2.3FPGA控制电路18
3.2.4LCD接口电路20
3.2.5模数转换电路22
3.2.6数模转换电路25
3.2.7数字I/O口电路26
3.3本章小结26
第四章系统软件设计27
4.1ARM引导程序设计27
4.1.1Bootloader程序设计27
4.1.2Xmodem传输协议实现32
4.2控制系统主体软件设计34
4.2.1移植uC/OS-II操作系统35
4.2.2FPGA控制ADC的程序设计41
4.2.3应用控制程序的实现45
4.3图形用户界面uC/GUI的移植45
4.3.1设备驱动程序46
4.3.2系统界面设计49
4.4本章小节53
第五章数据分析与处理54
5.1数据分析处理的方法54
5.2数据分析的理论依据55
5.3基于小波变换的应用58
5.4谱峰信号处理软件（VC版）60
5.5本章小节62
第六章离子迁移谱控制应用63
6.1整体工作流程简介63
6.2系统的不足及改进64
第七章总结65
参考文献66
攻读硕士期间发表的论文68
致谢69
第一章绪论
1.1选题背景
随着计算机和微电子技术的进步，嵌入式系统越来越广泛的应用于各个领域。
嵌入式系统采用的是微处理器，可实现相对单一的功能，运行独立的操作系统，所以往往不需要大量的外围器件，嵌入式系统也正朝着网络化、智能化、便携化和人机界面友好等方向发展。
另一方面，随着电子、信息、网络等技术的飞速发展，人们对工业测量的要求也越来越高。
不但要求数据采集的高速度高精度，还要求采集设备便携、可移动、使用方便，以满足远程采集的需要[1]。
因此将嵌入式技术引入到数据采集系统中，不但能提高系统的实时性和灵活性，而且还能满足日益提高的自动测量需求。
目前，传统的单片机测控系统通常是基于单任务机制的。
这种机制具有简单直观、易于控制的优点，然而由于程序只能按单一的顺序执行，缺乏灵活性，在复杂系统中难以胜任，所以必须引入多任务机制，改善程序结构，以满足复杂、实时系统的要求。
由于8/16位MCU资源极度受限，实现多任务系统相对困难。
而32位高性能微处理器的出现很好地解决了上述矛盾，尤其是随着近年来ARM技术的不断成熟，使得32位微处理器的功能更加完善。
首先，它的高速低功耗特性适于便携应用设计。
其次，目前许多32位微控制器都可以使用SDRAM，因此可极大地降低使用大容量数据存储器的成本；而8位微处理器一般只能使用成本较高的SRAM作为数据存储器。
此外，要求在系统上建立RTOS必然成为一种现实需求，而32位微处理器在设计上就考虑到了对RTOS的支持。
总之，32位处理器的出现，为嵌入式设计带来丰富的硬件功能，使得整个嵌入式系统的升级只需通过软件的升级即可实现[2]。
数据采集和嵌入式技术相结合被广泛的应用，具体涉及到科研实验数据采集系统、交通运输数据采集系统、航空航天数据采集系统、资源勘测数据采集系统、农业数据采集系统等。
基于以上原因，研制了基于ARM的嵌入式数据采集与显示系统，用于对离子迁移谱进行控制。
本系统平台采用基于ARM7技术规范三星公司的S3C44B0X为微处理器，它以很好的性价比和很强的功能得到了广泛的应用。
uC/OS-II系统因层次结构简单易懂且内核完全开放以及强大的外围接口支持，成为理想的嵌入式平台。
所以本数据采集系统以ARM7作为硬件模块并将uC/OS-II嵌入到该平台中去，这样系统在处理多个任务时，就可以通过调度机制进行调度运行。
1.2论文研究的主要内容
基于ARM的嵌入式数据采集与显示系统主要包括两个部分：
系统主控核心板和各外围功能扩展板，工作的主要内容有：
1）阅读了ARM体系结构的相关书籍和资料，根据S3C44B0X的设计原理，结合具体的需要设计了基于ARM的嵌入式系统核心电路板，完成了原理图的设计和PCB版图的绘制。
2）根据实际需要设计了基于FPGA的嵌入式系统外围扩展电路板，完成了原理图的设计和PCB版图的绘制。
同时实现了多通道模拟、数字信号输入、输出的数据采集和控制。
3）在上述硬件平台环境下，编写了用于配置系统硬件，加载、升级固件代码的Bootloader，完成的主要功能有：
系统硬件自检、配置端口与外设、处理系统中断、引导操作系统以及对Flash编程等。
4）针对ARM7TDMI类型处理器，移植了uC/OS-II操作系统。
当同时运行多个任务时，能够进行正确调度。
5）阅读了图形用户界面uC/GUI的源代码，完成了uC/GUI在ARM处理器上的移植，编写了触摸屏和LCD的驱动程序，创建了基于该GUI的小型汉字库，实现了嵌入式系统中类Windows的图形界面的开发。
6）编写了离子迁移谱仪的控制系统软件，包括主动模式程序、被动模式程序、环境变量参数采集、数字开关量以及极性电压控制。
7）完成了基于小波变换的重叠信号的分辨与处理，使得处理后的谱图峰可达到基线分离、峰位置和面积基本不变的满意效果。
8）完成了系统在离子迁移谱仪上的设计和应用。
1.3论文的创新点及研究目标
该论文选题的主要创新点有：
1）利用ARM＋FPGA模式设计数据采集系统。
为了解决嵌入式数据采集系统中，数据采集速度快，而处理器速度有限的矛盾，提出了ARM＋FPGA模式。
即采用FPGA作为ARM与AD之间的接口，利用ARM来控制FPGA完成数据采集。
通过Verilog语言在FPGA内部实现了异步FIFO，这样就可以把采集到的数据先保存到FPGA内部数据缓存区FIFO中，当达到FIFO半满值或者一个采集周期结束时产生外部中断，在中断服务子程序中由ARM取走数据。
此种设计减轻了ARM的负担，同时也提高了数据采集的实时性。
2）uC/OS-II上移植了uC/GUI图形用户界面并实现了自建小汉字库。
uC/GUI是一个小型而且功能强大的图形用户界面，其设计目标就是应用于嵌入式系统。
对于汉字的显示，常用的方法是加载整个汉字库到内存的指定地址。
但由于嵌入式系统的内存资源十分有限，而整个汉字库又十分庞大，所以通过链表创建一个自定义的小型汉字库，只存放将要用到的几十个汉字，这样一来不但可以实现汉字的显示还能节约宝贵的内存资源。
本论文的研究目标是：
在对数据采集和嵌入式系统的理解基础上，设计出一套接口丰富、功能强大的嵌入式数据采集和显示系统。
满足高速数据采集的需要，而且能够对采集到的信号作正确的分析与处理。
1.4本论文的组织结构
为了更清晰地了解本论文的内容，从开发角度，介绍下整个系统的设计实现流程以及论文各章节的主要内容。
第一章介绍了课题的背景和研究的基本任务。
第二章为整个数据采集系统的总体设计。
介绍了各个器件的选型考虑、总体控制逻辑以及嵌入式数据采集和显示的总体设计。
第三章介绍了基于ARM的数据采集系统硬件设计。
包括核心板与外围板的设计、ARM与FPGA的通信、串口、触摸屏等硬件设计。
第四章为系统的软件设计。
包括Bootloader程序的分析和设计、uC/OS-II操作系统的移植、uC/GUI移植和界面设计、控制系统程序的设计。
第五章为数据的分析处理。
应用小波变换对数据进行定量、定性分析。
第六章为系统在离子迁移谱中的应用。
介绍了系统控制方式和调试结果。
第七章对整个项目进行了总结，并指出了系统存在的不足和改进措施。
第二章系统的总体设计
2.1系统控制的总体设计
系统控制的总体设计如图2.1所示，图中列出了各个模块单元以及之间的相互流程关系。
图2.1系统控制总体设计模块简图
如图2.1所示，高压电源模块为离子迁移谱仪提供所需高压，其高压输出值受嵌入式控制器控制而变化；压力传感器和温度传感器分别提供需要的腔体压力值和腔体温度值；触发模块为数据采集提供同步触发信号；而接近开关则为直线步进电机的运动提供标志信号。
2.2系统的电路模块介绍
系统的电路模块部分主要由离子迁移谱模块和嵌入式控制器模块组成。
离子迁移谱模块与嵌入式控制器模块之间的通信模式如图2.2所示。
图2.2模块间通信简图
如图2.2所示，高压调节是通过芯片DAC7731将预期的高压值转换成相应的控制电压并输出到高压电源模块端；离子信号的采集则是由嵌入式控制器端的FPGA模块控制完成，采用的模数转换芯片为ADS7805，它的采样率最高达到100Ksps，精度为16位；环境的各参数采集则是由MAX197芯片完成，其显著特点是精度高并且能同时对8路模拟信号进行采集；直线步进电机的驱动信号和采集的同步触发脉冲则都是由FPGA模块产生，脉冲的周期和宽度都可调。
2.2.1离子迁移谱模块电路介绍
离子迁移谱电路模块主要包括：
直线步进电机电路、电磁阀控制电路、触发电路、高压电源模块以及压力和温度传感器。
本文不涉及离子迁移谱仪的具体构造，接下来将对上面提到的几个电路模块进行详细的介绍。
触发电路主要产生触发脉冲，在触发脉冲的高电平期间前端离子门打开，开始采集数据，当变为低电平时离子门关闭，其电路结构如图2.3所示。
图2.3同步脉冲触发电路
图中输入为控制信号，该信号通过光耦6N137和三极管9013形成脉冲输出信号。
采用光耦的隔离控制方式，增强了电路的安全性和可靠性。
电磁阀的供电电压为直流24V，其控制电路如图2.4所示。
输入信号（INSIGNAL）通过光耦TLP521和20K电阻，进入继电器驱动芯片ULN2803。
ULN2803能为继电器提供最大0.5A的驱动电流，最后输出信号（OUTSIGNAL）直接用来控制电磁阀。
图2.4电磁阀控制电路
腔体的温度和气压测量分别使用温度传感器和压力传感器，测量范围分别为0~400
，0~1125torr，对应的输出电压为0~5V。
高压电源模块用于给离子迁移谱仪提供高压，其控制输入电压为-5V~+5V，对应输出高压为-10kV~+10kV。
2.2.2嵌入式控制系统电路介绍
嵌入式控制系统电路在这里主要指为离子迁移谱仪提供控制信号的接口电路，主要包括数字I/O口、采集环境参数电路和高压调节控制电路等。
数字I/O口主要是为电磁阀提供一个数字开关量来控制电磁阀的开关，环境参数指腔体温度和腔体压力，而高压控制则是通过控制器输出控制信号来改变高压模块输出的电压值。
环境参数的采集是由ARM控制MAX197芯片完成的，MAX197芯片是12位转换精度，分两次读取数据:
先读取低8位再读取高8位。
具体的电路结构如图2.5所示。
图2.5环境参数采集电路
MAX197的片选、读、写引脚分别与ARM控制器BANK2的nGCS2、nWE和nOE相连接。
而MAX197的使能信号引脚则与地址最低位ADDR0相连，因为数据的存储是16位的，即当ADDR0为0时先发送低8位数据，然后地址加1，指向下一个存储区域，此时ADDR0为1，再发送高8位数据到此存储区域即可。
高压调节控制则是通过DAC7731完成，将希望加载到模块上的电压值通过界面输入，然后经过DAC7731进行数字量到模拟量的转化，最后将得到的值作为高压模块的控制输入信号。
2.3嵌入式控制器总体设计
嵌入式数据采集控制器是整个系统的控制核心，它完成了对离子迁移谱仪相关参数的数据采集和控制，并通过人机界面进行交互。
它的总体设计如图2.6所示。
微控制器采用三星公司的ARM7系列的S3C44B0X，负责对各单元电路进行控制；人机界面采用的是LCD和触摸屏；LCD使用的是320×240象素的256色STN屏，触摸屏使用的是四线电阻式触摸屏；FPGA主要功能是完成主信号的采集、触发脉冲的产生以及步进电机的驱动脉冲；串口通信方式为RS-232，设计了两路串口，其中一路和PC机进行通信，在调试阶段打印调试信息；另外一路预留，通过扩展系统软件功能可以和PC机进行通信，使系统接受PC机控制。
图2.6嵌入式控制器总体设计
本系统设计有两个A/D转换电路，一个采集主离子信号，另一个采集各个环境参量。
电磁阀电路使用8路数字I/O口中的3路，接近开关使能信号占用1路数字I/O口，而其他4路预留，用于功能扩展。
2.4本章小结
本章介绍了整个系统的总体设计，对系统的电路结构分别从离子迁移谱模块电路和嵌入式控制系统电路两方面进行了详细的介绍。
同时给出了离子迁移谱模块和嵌入式控制模块之间的通信简图，使读者能更容易地理解两模块之间的关系。
最后介绍了嵌入式控制器的总体设计，对各功能单元只是进行了简单的描述，具体的实现细节将在后面的章节详细描述。
第三章基于ARM的数据采集系统硬件设计
3.1核心板电路设计
嵌入式数据采集系统按其执行功能分成两个部分：
核心板和扩展板。
核心板完成系统最基本的功能，其硬件设计相对固定，只需要改变软件代码便可以实现不同的功能；扩展板和受控对象连接，针对不同的受控对象需要作相应的硬件改动。
这样的硬件设计有利于系统硬件的升级，控制不同对象的时候只需更改扩展板电路和系统软件。
3.1.1S3C44B0X微处理器
核心板的主控制芯片采用了ARM系列的微控制器S3C44B0X。
ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，既可以认为是一家公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。
ARM公司1991年成立于英国剑桥，专门从事基于RISC技术芯片的设计和开发，主要出售ARM技术知识产权（IntelligencePatent,简称IP）核的授权。
作为一家IP核供应商，ARM公司本身不直接从事芯片生产，通过转让设计许可，由合作公司根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
目前比较流行的ARM的IP核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T,ARM940T,ARM946T,ARM966T，ARM10TDMI等。
它们每秒可以处理6000万至1.2亿条指令，不同的授权厂商提供了不同的外设,支持高端、中端、低端产品，可供选择的余地很大，极大的满足了各类应用方案的设计。
S3C44B0X是Samsung公司推出的16/32位采用了ARM7TDMI核的处理器，它为嵌入式系统和一般类型的应用提供了高性价比的微控制器解决方案。
为了降低系统成本和减少外围器件，S3C44B0X提供了丰富的内置部件，包括:
8KBCache、内部SRAM,LCD控制器、带自动握手的2通道UART、4通道DMA、外部存储器控制器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM）、带有PWM功能的5通道定时器、71个通用IO口、实时时钟（RTC）、8通道10位ADC、8个外部中断源、I2C总线控制器、I2S总线控制器、同步SIO接口和PLL倍频器等。
此外，S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII（三星ARMCPU嵌入式微处理器总线结构）。
S3C44B0X通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化了系统的成本[3]。
3.1.2S3C44B0X存储系统
在系统复位的时候，S3C44B0X的程序（PC）指针被设置成0，使程序跳转到0x0000_0000处开始执行。
该地址对应的是Bank0，Bank0是与ROM相连接的。
ROM中存储有系统的初始化程序，负责配置处理系统的结构、工作模式以及自动检测嵌入式控制器的各个硬件是否工作正常。
然后系统开始运行。
S3C44B0X复位后的存储器映射图如图3.1所示。
图3.1S3C44B0X复位后的存储器映射
S3C44B0X的存储器控制系统具有以下特点：
●支持数据存储的大/小端选择（通过外部引脚实现）；
●地址空间：
具有8个Bank，每个Bank可达32MB，总共可达256MB；
●每个Bank的数据宽度均可改变（8位/16位/32位）；
●8个Bank中，Bank0～Bank5支持ROM和SRAM，Bank6和Bank7支持ROM、SRAM和FP/EDO/SDRAM等；
3.1.3ROM接口电路[4]
S3C44B0X内部没有ROM，所以扩展了一块FLASH存储器，用于在系统掉电以后保存系统的代码和数据。
ROM采用的FLASH芯片是SST公司的SST39VF1601，容量为16Mbit（×16）。
其数据总线和地址总线和S3C44B0X的数据和地址总线相连，读、写和S3C44B0X的读、写引脚相连。
需要注意的是数据宽度不同时，地址总线的连接也不同，在设计时要详细参考S3C44B0X的数据手册。
由于
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