1、承 诺 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日期： 摘 要 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
2、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 Bo
3、otloader， 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 Development of embedded data acquisition and displaying system based on ARM Zhang Lei Directed by Prof. Jiang Haihe With th
4、e development of computer technology and after-PC times coming, the embedded technology plays very important roles in both industrial production and scientific experiment. On the other hand, Data acquisition is the key procedure in information and signal processing, and has been applied widely in bo
5、th war industry and civil. Embedded system is one of the leading-edge technologies nowadays. It can be used to enhance real-time feature and flexibility of the system, so as to meet the increasing automate measurement needs. The study of embedded data acquisition system based on ARM is such a case.
6、Considering universality and expansibility, we have designed this data acquisition system, mainly based on ARM processor and FPGA. The system consists of two main parts: main board and peripheral board. The function of main board is to control peripheral parts, and the main board is composed of ARM,
7、 extended memory and DC power. Then there are FPGA, ADC, interface of LCD and UART in the peripheral board, which is used to acquire, store, transmit and display data. In software design, Bootloader and protocol based on Xmodem have been finished. In addition, the drivers of the touch screen and LCD
8、 have been also developed. The friendly man-machine interface is obtained by using the uC/GUI. Furthermore, the uC/OS-II, as a real-time preemptive multitasking operating system, has been transplanted to the hardware platform. In the end, wavelet transformation is applied to resolve overlapped data
9、signal and a satisfying result has been achieved. Key Words: Embedded system; ARM; Data acquisition; FPGA; Wavelet transformation;目 录 目 录 摘 要 . ii Abstract . iii 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
10、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 3.1.1 S3C44B0X 微处理器 .9 3.1.2 S3C44B0X 存储系统 .10 3.1.3 ROM 接口电路 .10 3.1.4 RAM 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 3.1.7 JTAG 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 3.2.2 U
11、ART 接口电路 .18 3.2.3 FPGA 控制电路 .18 3.2.4 LCD 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 4.1 ARM 引导程序设计 .27 4.1.1 Bootloader 程序设计 .27 4.1.2 Xmodem 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 4.2.2 FPGA 控制 ADC 的程序设计 .41 基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研
12、制 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 . 错误 !未
13、定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 第一章 绪 论 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
14、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
15、 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
16、 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，成为理想的嵌入式基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研制 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
17、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
18、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
19、点有： 第一章 绪 论 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-I
20、I 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
21、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
22、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。 基于 ARM 的嵌入式数据采集与显示系统研制 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 。 压 力 传 感 器 温 度 传 感 器离 子 迁 移 谱 仪直 线 步 进 电 机接 近 开 关触 发 模 块 高 压 电 源 模 块嵌 入 式 控 制 器图 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
23、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。 第二章 系统的总体设计 离子迁移谱仪高 压 电 源 模 块离 子 信 号 采 集环 境 参 数 采 集直 线 步 进 电 机同 步 触 发 脉 冲嵌入式控制器电 压 调 节 控 制F P G A 控 制 模 块A R M 控 制 模 块接 近 开 关 采 集脉
24、 冲 产 生 模 块D A C 7 7 3 1 ( 1 6 b i t )( - 5 V + 5 V )M A X 1 9 7 ( 1 2 b i t )( 8 路 模 拟 输 入 通 道 )A D S 7 8 0 5 ( 1 6 b i t )( 1 0 u s 采 样 率 )由 F P G A 提 供 驱 动 脉 冲信 号脉 冲 周 期 和 宽 度 可 调图 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
25、，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
