引言

隨著數(shù)字技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化儀器已成為觀測技術領域的主流儀器，因而數(shù)據(jù)采集技術也成為觀測技術領域中一個十分重要的技術環(huán)節(jié)。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)設計項目，采用ARM9的嵌入式系統(tǒng)，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(zhí)行周期實現(xiàn)的。 因此對其研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 總體設計方案

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、開關量，并且能夠將數(shù)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(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，這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)。以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。以太網(wǎng)絡使用CSMA/CD（載波監(jiān)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(wǎng)與IEEE802·3系列標準相類似。

（3）數(shù)據(jù)采集具有移動轉儲功能。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，能夠將部分數(shù)據(jù)通過移動存儲器提取出來，以便在其它設備上進行數(shù)據(jù)分析。

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

圖1 系統(tǒng)的總體結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

構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)應用要求對嵌入式系統(tǒng)進行裁剪，系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)，片內集成了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)控制領域。

設計基于AT91RM9200的硬件框圖如下所示：

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

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。

3 系統(tǒng)軟件設計

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(tǒng)。Linux擁有的許多特點，比如廣泛的硬件支持，內核高效穩(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)中應用十分合適。嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)中采用的 ADS1256 芯片，具有 24 位的轉換數(shù)據(jù)，有效轉換位數(shù)會根據(jù)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(shù)的要素。數(shù)據(jù)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(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(shù)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(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。可以通過查詢或中斷的方式等待AD轉換完畢，轉換數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)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(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)長度，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機和智能設備各自資源的優(yōu)勢。可以設置通訊的波特率，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 結束語

作為嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)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(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件軟件設計，在對目前地震測量技術發(fā)展進行研究的基礎上，對本數(shù)據(jù)采集的功能和設計方法提出了一整套系統(tǒng)的方案。在不斷更新總結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。雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風靡起來的，但是這個概念并非新近才出現(xiàn)。從20世紀七十年代單片機的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已經有了近30年的發(fā)展歷史。作為一個系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。