基于ARM9的嵌入式LINUX地震数据采集系统设计

【key】AT91RM9200  embedded LINUX operating system  data collecting

0 引言

随着数字技术的飞速发展，数字化仪器已成为观测技术领域的主流仪器，因而数据采集技术也成为观测技术领域中一个十分重要的技术环节。众所周知，地震预报是一个的世界性难题，作为地震预报的基础，地震及地震前兆观测数据的地位可想而知，获得真实、可靠的观测数据取决于地震观测仪（包括传感器和采集器两部分）。伴随着计算机的迅速发展，以嵌入式为平台的数据采集系统就应运而生了，它具有可靠性高，体积小，易扩展、功能强，开发周期短、成本低。本论文是基于东方地球物理公司地震采集系统设计项目，采用ARM9的嵌入式系统，因此对其研究具有非常重要的现实意义。

1 总体设计方案

    作为一个通用的工业数据采集系统的硬件平台，其基本目的是获取外界信号，例如模拟量、开关量，并且能够将数字量信号，转化成模拟量信号输出，以达到对外部设备的控制。在此基础上，本文所要设计的系统有以下的要求:www.51kaifa.com

    (1)多通道模拟量采集。因为工控现场的模拟量数据非常多，而且各种模拟量所需要的放大倍数是不一样的，这就需要可变增益的放大器。

    (2)支持以太网等多种通讯接口。现代工业测控现场要求控制器能够更加速高效的传输数据。

    (3)数据采集具有移动转储功能。基于现场的实际工况，需要控制平台在正常工作的情况下，能够将部分数据通过移动存储器提取出来，以便在其它设备上进行数据分析。

设计要求为整个系统的性能提出了最低要求，它为器件选型和系统内部的设计提供了指导原则。根据要求总的系统框图如下：

 图1 系统的总体结构框图

2 系统硬件设计

    构建地震采集嵌入式系统必须有硬件支持，嵌入式系统硬件没有统一的标准，根据应用要求对嵌入式系统进行裁剪，系统设计的微处理器采用ATMEL公司生产的AT91RM9200微处理器，它是一个真正的片上系统，片内集成了USB、以太网、EBI、, MCI、SSC和SPI等多种通信接口，200MIPS的处理速度和先进电源管理使这款芯片非常适合于系统控制领域。

设计基于AT91RM9200的硬件框图如下所示：

图2  系统硬件结构图

本系统是一款功能强大的微功耗嵌入式高精度数据采集系统，采用基于ARM9内核的工业级处理器和嵌入式Linux操作系统。该系统具备丰富的外围控制接口和通信接口，可通过IO输出的形式控制外围部件以及进行多路模拟信号的切换，采集到的高精度数据可以通过RS232或者高速以太网等方式传送到远程监控端。由于系统采用了功能强大的处理器以及Linux操作系统，除了可以完成高精度数据的采集外，还可以允许用户完成数据处理以及其他的一些应用层的功能。

3 系统软件设计

该系统的实现是在嵌入式Linux操作系统下完成的。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。Linux拥有的许多特点，比如广泛的硬件支持，内核高效稳定，开放源码，软件丰富，优秀的开发工具，完善的网络通信和文件管理机制，免费的等等，它的这些优良特性使得其在嵌入式系统中应用十分合适。嵌入式系统是在满足实际应用基础上的最小简化型系统，嵌入式数据采集系统上运行的各种任务繁多并且部分实时性要求高，嵌入式微处理器需要管理的资源丰富，这些都决定了要在嵌入式平台上引入操作系统。

根据系统要求完成的任务，相应的各模块的设计也就有运用而生了。

3.1  A/D通道模块的软件设计

本系统中采用的 ADS1256 芯片，具有 24 位的转换数据，有效转换位数会根据转换速率、输入缓冲器及放大器的设置而有所改变，在输入缓冲器和放大器的设置不变的情况下，转换速率成了影响有效位数的要素。数据采集频率在允许范围内可人为改动，但无论采集频率为多少，ADC的转换速率始终设置为最高 30Ksps，这是为了满足在最高采样频率下工作时，使有效数据位数始终处于最小值，但并不能照顾在低采样频率下工作的情况，因为这时数据量相对较低，对转换速率没有太高的要求，故可以当改选用较低采样频率工作时，相应的将 ADC 工作参数进行设置，将其改为在较低的低转换速率下工作，当然要求是满足此时采样频率下的数据要求，这样可以提高系统在某些采样频率下 ADC 工作的转换精度。

使用ADC模块时，先要将测量通道引脚设置为AINx，然后通过ADCR寄存器设置ADC的工作模式，ADC转换通道，转换通道(CLKDIV时钟分频值)，并启动ADC转换。可以通过查询或中断的方式等待AD转换完毕，转换数据保存在ADDR存器中。ADC转换时钟分频值计算:  CLKDIV= -1（Fadclk为所要设置的ADC时钟，其值不能大于4.5MHZ）。

进行多通道AD转换的时候，首先切换到通道1并进行第一次转换，等待转换结束，再次启动转换，等待转换结果，读取ADC结果。然后切换到通道2并进行第一次转换，操作过程与通道1相同，依次再切换到通道3, 4......，最终完成所有通道的转换。

A/D转换任务的流程如图所示：

                    图3  A/D任务转换流程图

3.2 USB通道模块的软件设计

USB的拓扑结构中居于核心地位的是主机，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的USB设备都只能和主机建立连接，而目前，大量的扮演主机角色的是个人电脑。因此我们目前所使用的USB移动设备都是USB的设备如U盘，在嵌入式平台上使用U盘，就必须使得嵌入式产品支持USB host接口。

USB总线包含4种基本数据传输类型:控制传输、中断传输、批传输以及同步传输，本文中用到的是控制传输和批传输。由于一般U盘都属于mass-storage存储类，遵循Bulk-Only传输协议和UFI命令规范。在该种传输方式下，有3种类型的数据在板卡和U盘之间传送:CBW, CSW和普通数据。CBW是从板卡发送到U盘的命令，这里为SCSI传输命令集(包括标志信息，数据长度，UFI命令)，完成后U盘向板卡反映当前命令执行状态的CSW，板卡根据CSW来决定是否发送数据。

图4  U盘写数据流程图

3.3 串口模块的软件设计

    一般工控现场所使用的控制器或者智能仪表都需要具有与PC机通讯的功能，以充分发挥PC机和智能设备各自资源的优势。可以设置通讯的波特率，串行口为8位异步通信接口，一帧信息为10位:1位起始位(0)， 8位数据位(低位先)和1位停止位(1) TXD1为发送端，RXD1为接收端，这些都是对USART寄存器的初始化。www.51kaifa.com

    完成初始化后，下图是程序流程图：

             图5  串口流程图

4        结束语

    作为嵌入式系统在工业控制领域的应用，本文主要讨论了基于AT91系列处理器AT91RM9200、嵌入式Linux操作系统的地震数据采集系统的硬件软件设计，在对目前地震测量技术发展进行研究的基础上，对本数据采集的功能和设计方法提出了一整套系统的方案。在不断更新总结的过程中完成了采集系统的研发和制作，并且进行了系统的 ADC性能和数据存储各方面的测试。

参考文献

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[2] 周振安 范良龙等. 数据采集系统的设计与实践. 地震出版社，2005年7月www.51kaifa.com

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[5] 邹思轶. 嵌入式 Linux 设计与应用. 清华大学出版社，2002年4月www.51kaifa.com

[6] 何加铭. 嵌入式32位微处理器系统设计与应用. 电子工业出版社，2005年12月