引言

隨著數字技術的飛速發展，數字化儀器已成為觀測技術領域的主流儀器，因而數據采集技術也成為觀測技術領域中一個十分重要的技術環節。伴隨著計算機的迅速發展，以嵌入式為平臺的數據采集系統就應運而生了，它具有可靠性高，體積小，易擴展、功能強，開發周期短、成本低。本論文是基于東方地球物理公司地震采集系統設計項目，采用ARM9的嵌入式系統，ARM9系列處理器是英國ARM公司設計的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。新一代的ARM9處理器，通過全新的設計，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執行周期實現的。 因此對其研究具有非常重要的現實意義。

1 總體設計方案

作為一個通用的工業數據采集系統的硬件平臺，其基本目的是獲取外界信號，例如模擬量、開關量，并且能夠將數字量信號，轉化成模擬量信號輸出，以達到對外部設備的控制。在此基礎上，本文所要設計的系統有以下的要求：

（1）多通道模擬量采集。因為工控現場的模擬量數據非常多，而且各種模擬量所需要的放大倍數是不一樣的，這就需要可變增益的放大器。

（2）支持以太網等多種通訊接口。現代工業測控現場要求控制器能夠更加速高效的傳輸數據。以太網（Ethernet）指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。

（3）數據采集具有移動轉儲功能?；诂F場的實際工況，需要控制平臺在正常工作的情況下，能夠將部分數據通過移動存儲器提取出來，以便在其它設備上進行數據分析。

設計要求為整個系統的性能提出了最低要求，它為器件選型和系統內部的設計提供了指導原則。根據要求總的系統框圖如下：

圖1 系統的總體結構框圖

2 系統硬件設計

構建地震采集嵌入式系統必須有硬件支持，嵌入式系統硬件沒有統一的標準，根據應用要求對嵌入式系統進行裁剪，系統設計的微處理器采用ATMEL公司生產的AT91RM9200微處理器，ARM9的典型應用TI公司的OMAP730是最新的無線通信基帶信號處理器。該處理器是TI的GPRS Class 12通信模塊與專用于應用處理的ARM926通用處理器（GPP）的集成。由于GPP的速度可達200MHz,因此OMAP730具有兩倍于上一代OMAP710處理器的應用處理性能。如同所有的OMAP處理器一樣，OMAP730可支持領先的移動操作系統，其中包括Microsoft的智能電話與Pocket PC PhoneEdition、Svmbian OS與Series 60、Palm OS以及Linux.它是一個真正的片上系統，片內集成了USB、以太網、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控制領域。

設計基于AT91RM9200的硬件框圖如下所示：

圖2 系統硬件結構圖

本系統是一款功能強大的微功耗嵌入式高精度數據采集系統，采用基于ARM9內核的工業級處理器和嵌入式Linux操作系統。該系統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，采集到的高精度數據可以通過RS232或者高速以太網等方式傳送到遠程監控端。

3 系統軟件設計

該系統的實現是在嵌入式Linux操作系統下完成的。嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，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。Linux擁有的許多特點，比如廣泛的硬件支持，內核高效穩定，開放源碼，軟件豐富，優秀的開發工具，完善的網絡通信和文件管理機制，免費的等等，它的這些優良特性使得其在嵌入式系統中應用十分合適。嵌入式系統是"控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置"（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

根據系統要求完成的任務，相應的各模塊的設計也就有運用而生了。

3.1 A/D通道模塊的軟件設計

本系統中采用的 ADS1256 芯片，具有 24 位的轉換數據，有效轉換位數會根據轉換速率、輸入緩沖器及放大器的設置而有所改變，在輸入緩沖器和放大器的設置不變的情況下，轉換速率成了影響有效位數的要素。數據采集頻率在允許范圍內可人為改動，但無論采集頻率為多少，ADC的轉換速率始終設置為最高 30Ksps,這是為了滿足在最高采樣頻率下工作時，使有效數據位數始終處于最小值，但并不能照顧在低采樣頻率下工作的情況，因為這時數據量相對較低，對轉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，相應的將 ADC 工作參數進行設置，將其改為在較低的低轉換速率下工作，當然要求是滿足此時采樣頻率下的數據要求，這樣可以提高系統在某些采樣頻率下 ADC 工作的轉換精度。

使用ADC模塊時，先要將測量通道引腳設置為AINx,然后通過ADCR寄存器設置ADC的工作模式，ADC轉換通道，轉換通道（CLKDIV時鐘分頻值），并啟動ADC轉換?？梢酝ㄟ^查詢或中斷的方式等待AD轉換完畢，轉換數據保存在ADDR存器中。ADC轉換時鐘分頻值計算： CLKDIV= -1（Fadclk為所要設置的ADC時鐘，其值不能大于4.5MHZ）。

進行多通道AD轉換的時候，首先切換到通道1并進行第一次轉換，等待轉換結束，再次啟動轉換，等待轉換結果，讀取ADC結果。然后切換到通道2并進行第一次轉換，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換。

A/D轉換任務的流程如圖所示：

圖3 A/D任務轉換流程圖

3.2 USB通道模塊的軟件設計

USB的拓撲結構中居于核心地位的是主機，任何一次USB的數據傳輸都必須由主機來發起和控制，所有的USB設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移動設備都是USB的設備如U盤，在嵌入式平臺上使用U盤，就必須使得嵌入式產品支持USB host接口。

USB總線包含4種基本數據傳輸類型：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傳輸協議和UFI命令規范。在該種傳輸方式下，有3種類型的數據在板卡和U盤之間傳送：CBW, CSW和普通數據。CBW是從板卡發送到U盤的命令，這里為SCSI傳輸命令集（包括標志信息，數據長度，UFI命令），完成后U盤向板卡反映當前命令執行狀態的CSW,板卡根據CSW來決定是否發送數據。

圖4 U盤寫數據流程圖

3.3 串口模塊的軟件設計

一般工控現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，以充分發揮PC機和智能設備各自資源的優勢?？梢栽O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位數據位（低位先）和1位停止位（1） TXD1為發送端，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 結束語

作為嵌入式系統在工業控制領域的應用，本文主要討論了基于AT91系列處理器AT91RM9200、嵌入式Linux操作系統的地震數據采集系統的硬件軟件設計，在對目前地震測量技術發展進行研究的基礎上，對本數據采集的功能和設計方法提出了一整套系統的方案。在不斷更新總結的過程中完成了采集系統的研發和制作，并且進行了系統的 ADC性能和數據存儲各方面的測試。雖然嵌入式系統是近幾年才風靡起來的，但是這個概念并非新近才出現。從20世紀七十年代單片機的出現到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規模應用，嵌入式系統已經有了近30年的發展歷史。作為一個系統，往往是在硬件和軟件交替發展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩定和成熟，嵌入式系統也不例外。