ARM数据采集

ARM数据采集（精选10篇）

ARM数据采集 第1篇

关键词：S3C6410,MODBUS,数据分析,远程传输

1 引言

随着科学技术的不断向前发展,我们的数字技术也随着飞速突破一个又一个的技术难题,数字技术也发展迅速。而相应在数据采集观测领域,数字化仪器也逐步成为主流产品,而数据采集技术以及数据存储和分析也成为其领域的重要的技术环节。随着现代信息技术的飞速发展,对于数据采集的要求也是越来越高,而我们的数据采集技术也是发展的突飞猛进。基于ARM的s3c6410处理器的数据分析采集系统,具有体积小、功耗低、硬件调试方便、易维护等适合在使用场地操作的优点,而且相对于操作系统的移植,32位机在这方面也比较方便,这样的话便于系统的后续开发和升级。

2 系统硬件设计

2.1 微处理器部分

S3C6410是一款低功率、高性价比、高性能的用于移动电话和通用处理RSIC处理器。采用64/32bit的内部总线架构,融合了AHB、AXI、APB总线。为了满足高端通讯服务所要求的高带宽外部存储器,为满足要求,连接高速mobile DDR使用的是专用DRAM端口。还有很多非常强大的硬件加速器,包括2D加速、运动视频处理、显示处理和缩放、音频处理。

S3C6410包括许多硬件外设,目的是为减少系统总成本和提高整体能,比如说Camera接口,I2C总线,USB Host,高速USB OTG,TFT 24bit真彩色LCD控制器,系统管理单元(电源始终等),4通道定时器,通用I/O口,I2S总线,SD Host和高速MMC卡接口以及内部的PLL时钟发生器,4通道的UART,32通道的DMA。

2.2网络接口模块电路

ARM处理器S3C6410与网络接口芯片DM9000A之间的硬件接口设计,成功的在嵌入式Linux操作系统中实现网络驱动的开发。在高速以太网接口芯片中DM9000A就是一款,单芯片快速以太网MAC控制器是符合成本效益并且是完全集成的,它的设计方向为低功耗、高处理性能,而且设计理念为操作又非常简单,可以直接连接多种处理器,具有通用的处理器接口,数据总线宽度可设置为8 b和16 b,支持3.3 V和5 V电源模式。连接嵌入式CPU的接口可以很便捷的实施,可以实现扩展以太网口的功能。

电路图设计如下:

采集的数据通过GPRS/CDMA无线网络或有线网络将数据传输到环保监控平台,从而实现数据的远程传输和设备反控,系统内置了Modbus Slave协议,支持现场监控平台与数采仪进行Modbus通讯。

2.3 485通通信信模模块块电电路

通常情况,RS-485使用的是差分信号,而差分传输通常是使用两根线发送和接收信号(一共四条线),使得其拥有更远的传输距离和更好的抗噪声的能力。RS-485接口组成的半双工网络,一般是两线制,多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。由于RS-485的收与发是共用两根线,所以不能够同时收和发(半双工),传输距离更长。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带多个从机。RS-485最大的通信距离约为1219m,最大传输速率为10Mbps,传输速率与传输距离成反比,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。

电路图设计如下:

3 系统软件设计

系统主流程图如图3所示,系统开始进行初始化,初始化完成后,该系统接收传感器和仪器仪表测的的数据,对接收到采集数据信进行数据处理,数据处理包括:对数据进行A/D转换,数据有效性分析,确定数据是否为有效数据,利用数据存储模块对数据进行保存,防止数据意外丢失,对做出分析的数据通过通讯模块对数据进行上传到平台。

数据分析部分流程如图4所示,采集到的数据为模拟量,我们对采集到的数据进行A/D转换,使其成为可以被处理器识别的数字信号,然后依据其噪声原理对数据进行去噪处理,根据系统设定判断数据是否为有效数据,并决定该数据是否能够进行传输。

4 结束语

本设计中,关键是针对ARM数据采集系统进行研究和设计。该系统核心处理器是s3c6410处理器,系统结构分为前端数据采集、数据远程传输两个部分,是采集和传输为一体的一款高性能数据采集传输设备,大幅度提高系统的稳定性和可靠性,使其应用前景十分广泛。

ARM数据采集 第2篇

Research and Development of the Remote I/O Data Acquisition System Based on Embedded ARM Platform

INTRODUCTION

With the wide use of the networked, intelligent and digital distributed control system, the data acquisition system based on the single-chip is not only limited in processing capacity, but also the problem of poor real-time and reliability.In recent years, with the rapid development of the field of industrial process control and the fast popularization of embedded ARM processor, it has been a trend that ARM processor can substitute the single-chip to realize data acquisition and control.Embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consumption, and so on.In this paper, a new kind of remote I/O data acquisition system based on ARM embedded platform has been researched and developed, which can measure all kinds of electrical and thermal parameters such as voltage, current, thermocouple, RTD, and so on.The measured data can be displayed on LCD of the system, and at the same time can be transmitted through RS485 or Ethernet network to remote DAS or DCS monitoring system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The new generation remote data acquisition and moni-toring system based on the high-performance embedded ARM microprocessor has important application significance.STRUCTRUE DESIGN OF THE WHOLE SYSTEM

The whole structure chart of the remote data acquisition and monitoring system based on embedded ARM platform is shown in Figure 1.In the scheme of the system, the remote I/O data acquisition modules are developed by embedded ARM processor, which can be widely used to diversified industries such as electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.This system is mainly used for the concentrative acquisition and digital conversion of a variety of

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electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermo-couple in the production process.Then the converted data can be displayed on the LCD directly, and also can be sent to the embedded controller through RS485 or Ethernet network communication interface by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The data in the embedded controller platform is transmitted to the work-stations of remote monitoring center by Ethernet after further analyzed and pro-cessed.At the same time, these data can be stored in the real time database of the database server in remote monitoring center.The system has the dual redun-dant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The hardware platform of the Remote I/O data acquisition system based on emb-edded ARM uses 32-bit ARM embedded microprocessor, and the software plat-form uses the real-time multi-task operating system uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The real time operating system(RTOS)makes the design and expansion of the application becomes very easy, and without more changes when add new functions.Through the division of the appli-cation into several independent tasks, RTOS makes the design process of the application greatly simple.Figure 1 Structure of the whole system

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THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM

The remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform has high universality, each acquisition device equipped with 24-way acquisition I/O channels and isolated from each other.Each I/O channel can select a variety of voltage and current signals, as well as temperature signals such as thermal resis-tance, thermocouple and so on.The voltage signals in the range of 0-75 mV ,1-5V ,0-5V, and so on, the current signals in the range of 0-10mA and 4-20 mA, the thermal resistance measurement components including Cu50, Cu100, Pt50, Pt100, and the thermocouple measurement components including K, E, S, T, and so on.Figure2.Structure of the remote I/O data acquisition system based on ARM processor

The structural design of the embedded remote I/O data acquisition system is shown in Figure 2.The system equipped with some peripherals such as power, keyboard, reset, LCD display, ADC, RS485, Ethernet, JTAG, I2C, E2PROM, and so on.The A/D interface circuit is independent with the embedded system, which is independent with the embedded system, which is system has setting buttons and 128*64 LCD, which makes the debugging and modification of the parameters easy.The collected data can be sent to the remote embedded controller or DAS, DCS system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol through RS485 or Eth-ernet communication interface also, and then be used for monitoring and control

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after farther disposal.The system of RS485 has a dual redundant network and long-distance communication function.As the embedded Ethernet interface makes the remote data exchange of the applications become very easy, the system can choose RS485 or Ethernet interface through jumper to communicate with host computer.Ethernet interface use independent ZNE-100TL intelligent embedded Ethernet to serial port

conversion module in order to facilitate the system maintenance and upgrade.The ZNE-100TL module has an adaptive 10/100M Ethernet interface, which has a lot of working modes such as TCP Server, TCP Client, UDP, Real COM, and so on, and it can support four connections at most.Figure3.Diagram of the signal pretreatment circuit

Figure 3 shows the signal pretreatment circuit diagram.The signals of thermo-couple such as K,E,S,T etc and 0-500mV voltage signal can connect to the positive end INPx and the negative end INNx of the simulate multiplexers(MUX)directly.The 4-20mA current signal and 1-5V voltage signal must be transformed by resis-tance before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.The RTD thermal resistance signals such as Cu50, Cu100, Pt50 and Pt100 should connect one 1mA constant current before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure4.Diagram of ADC signal circuit

Figure 4 shows the ADC signal circuit, which using the 16-bit ADC chip AD7715.The connection of the chip and the system is simple and only need five lines which are CS(chip select), SCLK(system clock), DIN(data input), DOUT(data output)and DRDY(data ready).As the ARM microprocessor has the characteristics of high speed, low power, low voltage and so on, which make its capacity of low-noise, the ripple of power, the transient response performance, the stability of clock source, the reliability of power control and many other aspects should be have higher request.The system reset circuit use special microprocessor power monitoring chip of MAX708S, in order to improve the reliability of the system.The system reset circuit is shown in Figure 5.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure5.Diagram of system reset circuit

SOFTWARE DESIGN AND REALIZATION OF THE SYSTEM The system software of the remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform use the real-time operating system(RTOS)uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The key part of RTOS is the real-time multi-task core, whose basic functions including task management, resource management, system management, timer management, memory management, information management, queue management and so on.These functions are used though API service functions of the core.The system software platform use uC/OS-II real-time operating system core simplified the design of application system and made the whole structure of the system simple and the complex application hierarchical.The design of the whole system includes the tasks of the operating system and a series of user applications.The main function of the system is mainly to realize the initialization of the system hardware and the operating system.The initialization of hardware includes interr-upt、keyboard、LCD and so on.The initialization of operating system includes the control blocks and events control blocks, and before the start of multi-task schedu-ling, one task must be started at least.A start task has been created in this system, which is mainly responsible for the initialization and startup of clock, the start-up of interruption, the initialization of communication task module, as well as the division of tasks and so on.The tasks must be divided in order to complete various functions of the real-time multi-task system.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure6.Functional tasks of the system software

Figure6 shows the functional tasks of the system software.According to importance of the tasks and the demands of real-time, the system applications are divided into six tasks with different priority, which including the tasks of A/D data acquisition, system monitoring, receive queue, data send, keyboard input, LCD display.The A/D data acquisition task demands the highest real-time requirements and the LCD display task is the lowest.Because each task has a different priority, the higher-priority task can access the ready one by calling the system hang up function or delay function.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure7.Chart of AD7715 data transfer flow

Figure 7 shows the data conversion flow of AD7715.The application A/D

conversion is an important part of the data acquisition system.In the uC/OS-II real-time operating system core, the realization process of A/D driver depends mainly on the conversion time of A/D converter, the analog frequency of the conversion value, the number of input channels, the conversion frequency and so on.The typical A/D conversion circuit is made up of analog multiplexer(MUX), amplifier and analog to digital converter(ADC).苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure8.Diagram of the application transfer driver

Figure8 shows the application procedure transfer driver.The driver chooses the analog channel to read by MUX, then delay a few microseconds in order to make the signal pass through the MUX, and stabilize it.Then the ADC was triggered to start the conversion and the driver in the circle waiting for the ADC until its completion of the conversion.When waiting is in progress, the driver is detecting the ADC state signal.If the waiting time is longer than the set time, the cycle should be end.During waiting time of the cycle, if the conversion completed signal by ADC has been detected, the driver should read the results of the conversion and then return the result to the application.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure9.Diagram of serial receive

Figure9 shows the serial receive diagram with the buffer and signal quantity.Due to the existence of serial peripheral equipment does not match the speed of CPU, a buffer zone is needed, and when the data is sending to the serial, it need to be written to the buffer, and then be sent out through serial one by one.When the data is received from the serial port, it will not be processed until several bytes have been received, so the advance data can be stored in buffer.In practice，two buffer zones, the receiving buffer and the sending buffer, are needed to be opened from the memory.Here the buffer zone is defined as loop queue data structure.As the signal of uC/OS-II provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability.If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty.After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal.During the entire process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full.The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space.CONCLUSIONS

With the rapid development of the field of industrial process control and the

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wide range of applications of network, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system.Data acquisition system based on single-chip has been gradually eliminated because the problem of the poor real-time and reliability.With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to single-chip to realize data acquisition and control.The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum-ption, and so on.In this paper, A kind of ARM-based embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32-bit embedded ARM processor, and software platform use open-source RTOS uC/OS-II core.The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.And it is mainly used in the collection and monitoring of all kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process.Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ethernet interface.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.苏州大学本科生毕业设计（论文）

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的研究和开发

导言

随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。嵌入式ARM系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。

在本文中提出一种新型的基于ARM嵌入式平台的远程I / O数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。那个测量数据可以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议从RS485或以太网网络传送到DAS或DCS远程监控系统。该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。基于高性能嵌入式ARM微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。

整个系统的结构设计

基于嵌入式ARM的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图1中展示。在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式ARM处理器来开发远程I / O数据采集模块。该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议的RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。

基于嵌入式ARM远程I / O数据采集系统的硬件平台使用32位ARM嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。实时操作系统（RTOS）使设计和应用的扩大变得非常容易，增加新的功能时也没多大变化。通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。

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系统的硬件设计

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备24收购方式的I / O渠道且彼此孤立。每个I / O通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。在05V的,010毫安和4100TL智能嵌入式以太网串口转换模块。该ZNE500mV的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的INPx正极和INNx负极。45V的电压信号必须用阻抗转换。热电阻的电阻信号如Cu50，Cu100，Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器INPx正极和INNx负极前连接一1毫安的恒流源。

图4显示了使用16位ADC芯片AD7715的ADC信号电路。芯片与系统的连接非常简单，只需要CS（芯片选择），SLCK（系统时钟），DIN（数据输入），DOUT（数据输出）和DRDY（数据准备）5根线。

由于ARM微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使用特殊的微处理器电源监测芯片MAX708S。图5展示了该系统复位电路。

系统软件的设计与实现

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基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。RTOS的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。通过API服务职能核心使用这些功能。

该系统软件平台使用的是单一化的uC/ OS第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复杂。整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。

图6显示系统软件的功能任务。根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括A / D数据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。A / D数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。

图7显示的是AD7715的数据转换流。A / D转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。在uS/ OS的第二代实时操作系统的核心中，A / D驱动程序的实现过程主要取决于A / D转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通道的数量，转换频率等等。典型的A / D转换电路由模拟复用器（复用器），放大器和模拟到数字转换器（ADC）组成。

图8显示了申请程序转移的驱动程序。驱动程序可以在模拟通道读取由复用器，那么几微秒的延迟，以便使信号通过多路开关，并使其稳定。然后，当转换开始时，ADC被触发，并且驱动程序在一个周期内等待ADC的触发，直到完成转换。当等待的进展，该驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间比规定的时间越长，周期应该结束。在等待的周期时间，如果转换完成ADC的信号被检测到，驱动程序应改为转换的结果，然后将结果返回给应用程序。

图9显示了缓冲区和信号量的序列接收图。由于外围串行设备的存在CPU的运行速度匹配，一个缓冲区是必要的，当数据发送到序列，它必须被写入缓冲区，然后通过串行逐一地被发送出去。当从串行端口收到数据，这些数据将不会被处理直到收到一些字节，因此先前的数据可以存储在缓冲区中。在实践中，两个缓冲区，一个接收缓冲区和一个发送缓冲区，它们是需要从内存开放出来。在这里缓冲区像循环队列数据结构一样被定义。

由于uC/OS-II提供额外时间等待机制的信号，串口也具有额外的阅读和写作能力。如

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果收到的数据信号初值为0，它表示循环缓冲区是空的。在中断收到后，ISR从UART接受缓冲区中读到收到的数据，并投入接收缓冲区域，最后通过收到的数据开始用户执行读操作的的任务。在整个过程中，变量价值目前字节在存储缓冲区中的字节的变量值是可以被询问的，这能够表明接收缓冲区是否已满。为了降低数据丢失的可能性和避免浪费存储空间应合理地设置缓冲区的大小。

结论

随着工业过程控制领域的快速发展和网络，智能，数字化分布式控制系统广泛应用，有必要发展对数据准确性和控制可靠性要求更高的系统。由于较差的实时性和可靠性基于单片机数据采集系统已逐步被淘汰。随着嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器替代单芯片实现数据采集与控制成为了一种新的趋势。嵌入式ARM系统能够适应数据采集系统的严格要求，如功能，可靠性，成本，大小，耗电量等等。

ARM数据采集 第3篇

摘要：针对近景大视场图像采集，提出了一种基于ARM9芯片S3C2410的多路视频采集系统。使用四个CMOS摄像头（OV7660）进行图像的采集，摄像头输出8位RawRGB格式的图像数据流。系统利用一片FPGA接受摄像头的输出时序，并参考这个时序控制SRAM地址将4个CMOS摄像头的一帧图象数据缓存于4个8位的SRAM中，然后通知ARM读取。ARM以32位总线同时读取图象数据后，将RawRGB格式的图像数据转换成常用的RGB格式，然后显示在LCD 上。

关键词：精简指令计算机内核；图像采集；CMOS摄像头；现场可编程门阵列；LINUX；QT

中图分类号：TN911.73文献标识码：B

Design of a Multi-channel Video Acquisition System Based on ARM9

CAO Hong, LU Rong-sheng, MA Cheng

（Hefei University of Technology, Anhui 23001, China）

Abstract: To achieve the requirement of image acquisition of close and large range visual field, it designs a multi-channel video acquisition system based on ARM9 chip S3C2410. It adopts four CMOS cameras (OV7660) to capture image, and the camera exports image data stream which is 8-bit RawRGB format. The system uses a FPGA chip to design timing controller, which receives the export timing of cameras. It refers this timing to control SRAM addresses, which saves one frame image data from four cameras to four 8-bit SRAM chips. Then ARM reads the image data from four SRAM chips at the same time with 32-bit data bus, and the format of image data is changed from RawRGB to RGB. At last, ARM processes the image data and displays them on the LCD.

Keywords: ARM；image collection；CMOS Camera；FPGA；LINUX；QT

引 言

视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，也是一种防范能力较强的综合系统。视频监控系统以其直观、方便、信息内容丰富广泛应用于许多领域。而在近景大视场图像采集的应用中，采用多路视频同时进行采集，可以获得更多的近景图像信息。传统的多路图像采集的方法是多个通道输入，然后通过通道的切换来完成对多个静态场景图像信息的采集。这对于一般的应用已经足够，但是对于多路动态场景的实时监控，就有一些力不从心。举例来说，在车载环视显示系统的应用中就要求多路动态场景的实时同步采集，来最终完成一个大视场的拼接。并且对所采集到的图像，在时间上要求同步。使用视频通道切换的方法，在切换到一个通道时，会造成另外几个通道图像信息的丢失。这样，因为几路图像数据在时间上不同步，合成的时候很难获得很好的效果。所以本文在这里提出一种嵌入式的多路视频采集的方法，以成本较低CMOS摄像头为图像采集设备。以ARM9芯片S3C2410为主控制器，并配以LINUX系统。利用一片FPGA和4片8位的SRAM完成四路CMOS摄像头的同步采集和缓存。并以FPGA配合ARM外部总线时序，完成图像数据的读取。最后由ARM对所采集到的数据进行处理和显示。

1 系统组成与工作原理

整个系统可以分为三个模块:图像采集模块，图像存储模块，ARM。系统结构框图如图1 所示。图像采集模块主要由4片CMOS摄像头组成，摄像头的初始化由ARM通过SCCB总线完成[1]。图像存储模块由4片SRAM和1片FPGA组成。由FPGA控制SRMA的地址，将CMOS输出的图像数据流存储进SRAM中。ARM部分加载LINUX系统，读取到图像数据后，对图像进行转换后，最终显示在液晶屏上。

本系统的设计难点在于如何保证图像数据读取单元和CMOS 摄像头的严格同步以及高速数据流(24 MHz) 的实时处理。系统采用一片FPGA设计时序控制器, 协同CMOS 传感器、ARM以及帧存储器

（SRAM）之间的工作流程,很好地解决了系统同步和

高速数据流实时处理的问题。

整个系统上电后，由ARM通过GPIO口模拟SCCB总线设置4个CMOS摄像头的工作状态，使其输出8位的RawRGB图象格式数据。初始化完成后，摄像头开始工作，由FPGA根据同步信号控制帧缓存（SRAM）地址，把4个摄像头的数据信号分别写入4个不同的SRAM中。到4个摄像头都写完一帧后，FPGA给中断通知ARM读取数据。ARM收到中断后，通过对两个DATABUF的控制，切换SRAM的数据总线到ARM这边。再通过地址同步信号和读开始完成信号，与FPGA配合，由FPGA控制SRAM地址，通过32位总线同时读取4片SRAM中的数据。数据读完后，ARM再将总线切换回来，FPGA继续根据同步信号将图像数据写入SRAM中。而ARM则完成采集到数据的处理和显示。

2 硬件电路设计

2.1 图像传感器

本系统选用OmniVision 公司的OV7660彩色CMOS 摄像头作为图像输入单元,该摄像头集光学镜头与CMOS 图像传感器于一体,简化了系统的设计,它能够通过SCCB 接口控制其工作状态、工作方式及图像输出格式等;芯片运用专有的传感器技术,能够消除普通的光电干扰,输出清晰、稳定的彩色图像[1]。

单个CMOS 摄像头同FPGA和ARM 的接口电路如图2 所示,摄像头输出场同步信号VSYNC、行同步信号HREF、像素时钟PCL K 及RawRGB图像数据,FPGA 由行、场同步信号生成系统的时序,实现系统与CMOS 摄像头的同步,并将图像数据写入帧存储器中。同时，在系统上电时，由ARM控制GPIO口模拟SCCB总线，根据需要设置CMOS摄像头的工作参数。

2.2 ARM控制器

ARM选用Samsung公司的S3C2410，它采用了ARM920T内核，0.8μm工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元。S3C2410提供了丰富的内部设备：分开的16KB的指令Cache和16KB的数据Cache，MMU虚拟存储器管理，LCD控制器（支持STN&TFT）,支持NAND FLASH系统引导，系统管理器（片选逻辑和SDRAM控制器）等等[2]。

本系统为S3C2410外加了64M的SDRAM，64M的NAND FLASH，网络接口等等，进一步为LINUX的系统移植创造条件。外接的帧存储器挂接在S3C2410的片选3上，通过对S3C2410相应存储控制器的正确配置，可以方便地读取帧存储器中的数据。

2.3 帧存储器模块

帧存储器模块的SRAM选用的是ISSI公司的CMOS静态随机存储器IS63LV1024，8位数据总线，大小为128K字节（大于RawRGB一帧数据的大小），一共4片。其外部电路主要分为两部分：一部分是写入的部分，数据端分别接4个CMOS摄像头。另一部分是读出的部分，4片8位的SRAM组成32位总线，外接到S3C2410的片选3上。读写的地址控制全部由FPGA负责。

IS63LV1024只有一个外部总线，为了防止读写两部分的总线冲突，在两部分的总线之间加上三态缓冲，由ARM控制总线的切换。

3 设计仿真

本系统中FPGA起到桥接的作用，主要的功能是完成读写帧存储器的地址控制。在写的过程中由FPGA根据CMOS摄像头提供的同步信号将4个摄像头所采集到的数据分别写入4片SRAM中。FPGA采用行、列两个计数器为帧存储器提供地址信号。OV7660的行同步信号HREF 和像素时钟PCL K分别作为行、列计数脉冲,场同步信号VSYNC和HREF 则作为行、列计数器的清零信号端。在VSYNC变为低电平时,行计数器开始计数,每一个HREF 脉冲行计数器加1 ;在HREF 变为高电平时,列计数器开始计数,每一个PCL K脉冲列计数器加1。行、列计数器的输出分别作为帧存储器的高位和低位地址信号,在三个同步信号的控制下,依次将像素数据存入帧存储器,这样就保证了帧存储器中每一个单元与图像的一一对应关系,也就保证了系统与CMOS 摄像头的严格同步[3]。

在读的部分，FPGA根据地址同步信号（ARM的片选信号）控制地址，配合好ARM读帧存储器的时序，帮助ARM顺利的读取4个摄像头所采集到的4帧的图像数据。整个过程的仿真图形如图3所示。

4系统软件设计

4.1嵌入式系统的搭建

为了加快开发速度，在S3C2410上移植了LINUX系统，版本为2.4.18。开发环境为Red Hat 9.0，bootloader使用的Uboot1.12，交叉编译工具为arm-linux-gcc2.95.3。整个系统的移植包括了bootloader的移植，LINUX内核的裁减，编译和移植，文件系统的制作等等[4]。在这里不一一详细介绍。

4.2 CMOS摄像头的初始化

现在的CMOS 图像传感器芯片大都采用SCCB 作为控制总线,通过它用户可以很方便地对芯片进行编程操作以控制采集图像的格式和质量。然而在构架系统时,大多的控制器并没有SCCB 接口,因此需要用普通的I/ O 接口来模拟SCCB[5]。配置时，主要是写OV7660的内部寄存器，使芯片输出格式正确的图像数据。

4.3 图像的采集

由于使用使用了LINUX系统，整个帧存储器部分可以作为一个模块使用专有驱动程序。整个驱动程序主要分为两个部分。首先是初始化部分，主要完成的是：帧存储器片选控制器的配置，外部帧存储器的挂接，模拟SCCB总线初始化CMOS摄像头。其次是中断部分，得到FPGA给中断后，切换总线，给FPGA开始读的信号，然后使阻塞的读过程恢复，从而正确的读去数据到内存中。具体过程如图4所示。

4.4 图像的处理及显示

本系统所设置CMOS摄像头所输出的图像是RawRGB格式的图像，这样采集的图像信息在每个像素的位置上只有一种颜色分量可以获得，要复原另外两种缺少的颜色分量，就必须通过相邻的像素进行估算，这个过程就叫CFA插值。它所输出的图像格式也叫Bayer格式，即奇数扫描行分别采集和输出R、G、R、G……，偶数行分别采集和输出G、B、G、B……，其一般格式如图5所示。

在本系统的设计中，是要将采集到的图像传输到显示器上进行显示，因此需要将采集到的图像信息转化为便于显示的RGB格式。在格式转化方式的选择上，使用双线性差值法将CMOS图像传感器输出的Bayer格式的图像信息转化为RGB格式。其基本原理是将每个像素位置上缺少的另外两种彩色分量通过以它本身为中心的邻域内具有相同分量的像素平均值获得[6]。

Qt是一个跨平台的C++图形用户界面库，由挪威TrollTech公司出品，目前包括Qt，基于Framebuffer的Qt Embedded。在本系统中界面以及图像的显示部分选择的就是QTE。它有着很好的移植性，并且对于图像的显示和保存有着很好的接口，在这里不再详细的说明。

5 结束语

本系统使用一片FPGA将4个CMOS摄像头的数据缓存于4个片外的帧存储器中，再以中断驱动ARM同时读取，充分利用了ARM体系结构的32外围总线。同时通过使CMOS摄像头输出8位的RawRGB格式，减小了采集的图象大小，缓解了总线传输的压力。为近景大视场的图像采集提供了一种新的方法。

参考文献

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[6]Bahadir K. Gunturk，John Glotzbach，Yucel Altunbasak et. Demosaicking: color filter array interpolation[J]. Signal Processing Magazine, IEEE, 2005,22:44-54

ARM数据采集 第4篇

关键词：ARM,USB接口,数据采集,数据库系统

远程数据采集系统是利用网络通信技术采集、记录和显示生产现场的各种物理参量,以供生产管理人员和现场操作者参考的系统。如在一些生产环境恶劣、危险性大、对人体有某些危害的场合,希望操作者能与被测控对象隔离,进行远程数据测量和生产过程自动化管理[1]。

传统的远程数据采集系统解决了数据自动上传的问题,在一定程度上提高了工作效率,近年来出现了不少这样的实用系统,近几年随着ARM嵌入式系统的性价比不断提高,该文作者将数据采集器由原来的单片机升级为ARM控制芯片,在如下几个方面进行了升级[2]。

1) 丰富采集器接口

在传统的采集器提供的输入输出接口的基础上,增加了USB接口方式。USB即通用串行总线的缩写,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯,得到了各大硬件厂商和软件方案提供商的推崇,使用非常广泛[3]。

2) 升级开发平台

ARM芯片可以运行在专用的μC/OS-II实时操作系统之上,开发工具更加丰富,提供了诸如可视化调试界面,专用仿真平台和快捷的平台部署。

3)优化数据传输

传统采集采集系统数据, 数据集中传输到总控端,数据瞬间流量大,在极端条件下会造成网络堵塞,极大降低系统的使用速度,影响系统的使用效率。ARM芯片支持更大的地址寻址空间,增加数据缓冲区,将原来的数据直接传输升级为数据先缓冲再传输模式,将网络时延带来的影响降到最低[4]。[4]

4)增加网络传输方式

站点和总控管理系统除了采用Internet相连外,扩展采用了GPRS的无线通信方式。GPRS永远在线、按流量计费、网络覆盖范围广和传送速率高等优点, 既保证了数据的完整性, 又提高了实时性, 同时在经济开销上更加合理[5]。

1 系统结构

基于ARM的多层远程数据采集系统利用Internet网络或GPRS收集各个站点中的采集数据,并将这些数据保存到中央数据库服务器中供管理人员和用户查询。管道负责采集数据,若干个管道与智能控制器相连,智能控制器连接到站点上,管道和智能控制器之间通过RS232或USB进行通信,智能控制器与站点通过以太网连接。所有站点和总控机一起连接到Internet上,以TCP方式或商用GPRS进行数据传输。总控机可以通过发送命令字采集具体站点具体管道中的特定数据。总控机将采集到的数据存放到后台数据库服务器中,用户和管理人员可以通过浏览器查询到各种数据。系统结构如图1所示。

2 背景知识

2.1 ARM9

ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。目前,总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议,其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。

2.2 ARM实时操作系统

邮箱,消息队列)和内存管理等功能。它可以使各个任务独立工作,互不干涉,很容易实现准时而且无误执行,使实时应用程序的μC/OS-II是一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统,包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步(信号量,设计和扩展变得容易,使应用程序的设计过程大为减化。

2.3 ADO对象

微软公司的ADO (Active X Data Objects) 是一个用于存取数据源的COM组件。它提供了编程语言和统一数据访问方式OLEDB的一个中间层。允许开发人员编写访问数据的代码而不用关心数据库是如何实现的,而只用关心到数据库的连接。访问数据库的时候,关于SQL的知识不是必要的,但是特定数据库支持的SQL命令仍可以通过ADO中的命令对象来执行。ADO被设计来继承微软早期的数据访问对象层,包括RDO (Remote Data Objects) 和DAO(Data Access Objects)。

3系统设计

系统主要由若干管道(数据采集器)、智能控制模块、站点(普通PC机)、总控机(服务器)和数据库服务器组成。管道和智能控制模块通过RS232或USB相连,通过串口或USB方式进行通信。站点和总控制机以及总控机与数据库服务器之间通过Internet进行面向连接的通信,借助于商用互联网或GPRS网络进行。管道(数据采集器)的结构如图2所示。

3.1 USB接口设计

管道主控ARM芯片通过PDIUSBD12 USB标准组件实现USB接口电路,减小了开发的时间、风险以及费用,是实现ARM嵌入式系统扩展USB的最有效的解决方案之一。PDIUSBD12与S3C44B0X ARM7处理器的电路图见图3。

3.2数据缓冲

为了降低外部接口时延对管道数据上传的影响,系统将采集的到的数据首先存储于Flash中,再根据指令将数据转送到USB或RS232外部接口。

FLASH的数据总线宽度必须在系统启动前确定。该文所采用的FLASH数据总线为16。由于CPU是32位的,FLASH是16位的,故硬件连接时CPU地址线的最低位必须舍弃,从倒数第2根连上FLASH的最低位,其他引脚依次即可。

3.3数据库设计

从各管道上传到管理端的程序需要进行存储,对于数据量大的应用场景可以选择Oracle等大型数据库管理系统,对于数据量不大的情况可以选择MS SQL Server或Mysql来存储和管理数据。选择好数据库管理系统后,进行数据库的设计。数据库的设计包括数据库设计和数据库应用系统设计两方面的内容。数据库设计是设计数据库结构特性,即为特定应用环境构造出最优的数据模型;数据库应用系统设计是设计数据库的行迹结构特性并建立能满足各种用户对数据库应用需求的功能模型。

4 控制管理系统实现

管道负责记录检测点的数据采集,管道通过RS485、USB方式或无线方式连接智能控制模块传输数据,智能控制模块通过以太网方式连接各站点。站点通过GPRS与总管理控制系统互连,以面向连接方式进行数据传输。总管理控制系统将采集到的水流量数据存放到专门数据库服务器中,用户通过浏览器查询到采集流量数据。以远程抄表系统为例给出控制管理系统的部分功能列表和实现。系统结构如图4所示。控制管理程序用VS2005开发,管道主控程序利用Keil C开发。

4.1 获取数据集

4.2 用户管理

4.3 管道向站点发送数据

5 结束语

ARM实训总结 第5篇

一、实验目的1、巩固嵌入式系统硬件结构的基本应用

2、巩固嵌入式系统程序编制的基本方法

3、了解嵌入式系统的工程设计要点

4、了解嵌入式系统的开发平台要点

5、学习μC/OS-II在ARM7上的移植

6、学习μC/OS-II嵌入式实时操作的基本原理与应用

7、运用所学内容完成一个基于操作系统的小课题

二、实训内容

1、熟练掌握LPC2210开发板的使用

2、基本了解嵌入式系统的工程设计一般方法

3、学习μC/OS-II在ARM7上的移植

4、学习μC/OS-II嵌入式实时操作基本概念、基本运用

5、结合课程内容与μC/OS-II运用完成一个小课题

三、实训条件（环境）

1、LPC2210开发板

2、PC机

3、ADS1.2集成开发环境

4、μC/OS-II实时操作系统

四、学习内容

1、LPC2210硬件内容

2、μC/OS-II嵌入式实时操作内容

3、嵌入式系统的工程设计内容

五、小课题：μC/OS-II在IIC上的应用

六、实训总结

这两周我们在原本ARM的学习基础上以μC/OS-II嵌入式实时操作系统展开了实训。主要内容是如何将嵌入式实时操作系统μC/OS-II移植到ARM7体系结构上，并将一直代码应用到具体的基于ARM7核的微控制器上。

对于这些天的所学到的内容，我稍稍的写了点心得，都是一些很基本的东西。首先把实验书上系统的例程序先跑了一遍，稍微了解一下板子的功能，熟悉下实验流程。先移例子，按照要求把source文件夹放在了softwareucos-II文件夹下，在这个文件夹下，存放得是系统移植的例子，其中有三个文件夹arm_pc,source,lpc2100是和系统移植相关的。当一个任务一旦建立，系统为这个任务配备了任务控制块且在任务就绪表中进行了就绪登记，这个任务就进入就绪态准备运行。一个任务可以通过调用OSTaskDel()返回到睡眠态，或通过调用该函数让另一个任务进入睡眠态，进入睡眠态的任务它的的任务控制块被剥夺，调用OSStart()可以启动多任务。OSStrart()函数运行进入就绪态的优先级最高的任务。

下载到目标板上的固态存储器指定地址当中,比如flash,EEPROM, ROM等等在程序执行之前,根据某些

描述文件,将需要读写数据的部分读出放入动态存储器比如RAM当中,然后程序从ROM开始执行或者有时为了提高程序的运行速度,也可以将所有的程序(有一些root的部分除外,以后会提及)通过一个描述文件放入指定的RAM当中,然后程序从RAM开始执行,但是这样会耗费大量的动态存储器,所以大部分程序会取折中的方法,将需要快速运行的部分和要读写的部分放入RAM中(一般读固态存储器的过程和动态存储器的过程是一样的,但是写就不同了,所以读写的部分一定要放到RAM中),而只读的部分和对速度要求不是那么高的部分放入固态存储器同时ARM结构的异常向量表规定放在地址为0x00000000开始的地址空间上,而一般的CPU为了提高异常相应速度,会将这个向量段remap到其他的RAM当中,所以在描述文件当中必须精确指定异常向量跳转程序的地址到remap的地方在application程序执行前,还需要由一些文件描述application程序执行的环境比如系统工作时钟,总线频率现在一般嵌入式编程语言为C,C 等 主程序中首先进行了操作系统初始化，然后创建了一个任务，最后启动了多任务运行环境。太简单了。再往下看创建的任务子函数TaskStart(),在这个函数中又创建了。了解到在启动多任务环境前需要至少创建一个任务，我想TaskStart()任务就应该是这个原因放在了 OSStart()之前。

中断级任务调度，和任务级调度。我的理解是当发生中断时，操作系统内核判断此时是否有更高优先级的就绪任务，有的话进行任务调度。任务级调度就是当前任务在执行过程中主动执行任务调度，将权力交给内核。

但是这个中断是怎么产生的呢，我又看到了时钟节拍的概念，时钟节拍(clock tick)：P67页中说道时钟节拍是特定的周期性中断。有两种作用：这种周期性的定时中断一来为内核提供一个时间标准，例如某个任务要延时多长时间，可以通过纪录这种中断来完成(中断的时间是已知的，但应当是可更改的)，二 为任务切换提供了时间片，任务之间的调度是按时完成的，就是在一个时钟节拍后来进行P68-P69中的图形说明了这一点。以前不明白每个任务是一个死循环，在每个程序中都有一个OSTimeDly(),这个函数是将任务挂起，将控制权交给内核，内核进行任务调度，从就续的任务中找到优先级最高的任务执行，这是一种调度。那么当一个低优先级任务在执行时，如果在等待一个信号，可能要等很长时间，那么内核不能一直在这里等待这个信号的到来，别的高优先级任务可能已经就绪，那么就需要进行任务调度，何时调度呢？这时就应该是时钟节拍所起到的作用，每一个时钟节拍到达后进入中断处理函数，进行任务调度。

ARM数据采集 第6篇

关键词：现场可编程门阵列 (FPGA) ,ARM数据采集

在这个系统中, FPGA被应用于控制前端电子电路, 并通过模数转换器将数据转换发送给ARM, 同时, ARM可以发送数据到其他计算机来进行即时时间存储和处理。考虑到这个系统的最大数据采集率是8 MB/秒, 因此从FPGA到ARM的数据发送的速度一定要超过8 MB/秒。

1 介绍

许多数据采集系统仍然基于CAMAC (计算机自动测量和控制) 总线, 其最大传输速率为3MB/秒, 不能够满足高速数据传输的需要。

此外, 也有大量的基于VME, FASTBUS, PCI或PXI的数据采集系统, 虽然这些总线的速度可以满足要求, 但是它们的协议非常复杂, 并且ARM的I/O端口不能与那些协议兼容。此外, 一些便携设备都基于如SPI, 12C等的串行总线上, 由于它的速度的限制, 也不适合高速数据系统。因此, 我们选择了高速并行通信方法, 这不仅是因为它的简单的协议, 还有低成本和高速的优势。

这种通信方法有两个设计要点:首先, FPGA设计为一个存储器与ARM的IO总线相连接;其次, FPGA是受控于SROM (静态只读存储器) 控制器 (SROMC) 并集成在ARM中。理论上, 该数据通信机制可以使FPGA和ARM之间传输速率高达50 MB/s, 因此能够满足我们的数据采集系统的设计要求。FPGA可以独立或与相同的模块一起工作非常方便。该数据采集系统可以工作在主模式或客户端模式。该FPGA通过数模转换总线控制4个本地数模转换器, 然后通过返回总线与其他数据采集模块通信。只有在主控模式下, 数据采集模块需要通过SROM总线将数据传输到ARM。所有的数据通过以太网被发送到计算机进行处理。

2 FPGA与ARM之间的连接方式

FPGA和ARM之间的通信方法包括串行通信, 定制的并行通信和高速并行通信。ARM和FPGA之间的连接包括一个16位的数据总线, 一个16位的地址总线, 读取控制信号线 (OEN) , 写控制信号线 (WEN) 和中断信号线 (IRO) 。由于FIFO和SROMC的控制逻辑是不同的, 因此, SROMC中的控制信号首先应在FPGA中处理后才能保证FIFO中的R&W数据是正确的。当FIFO由读时钟和写时钟控制时, SROMC是由读和写控制信号控制的, 因此, 我们需要将SROMC的读写控制信号转换为FIFO中的读写时钟。

另外, 还要特别注意“rdclk”信号和“wrclk”信号的同步, 以避免时序电路中系统时钟的矛盾问题。由于FPGA的系统时钟频率为50MHz, 为了同步, “rdclk”信号和“wrclk”信号的周期应该高于40ns。然而, 由于ARM的数据总线和地址总线是由FIFO和其他设备共享的, 因此, 在进行任何读操作和写操作之前, 我们都必须检查CSN信号, 否则, 读或写逻辑将提供一个错误的结构, 导致整个系统崩溃。

3 ARM中的驱动设计

事件信号的产生往往是随机的, 为了解决系统不知道何时读取数据的问题, 在其中实施了中断机制, 以达到有效的结果。其工作机理如下:当事件的累积数 (多事件模式) 达到预设值时, FPGA被设置为通知ARM读取数据, 该方法可以减少对ARM的负担, 驱动器会处理该中断信号, 并通知给程序来解决。中断处理器模块用于响应

硬件中断。如果数据达到数预设值时, FPGA将发送一个中断消息至ARM来读取数据, 并将其写入到缓冲区中。此外, 为了减少事件损失率和死亡时间 (未检测到第二脉冲的时间) , 我们在驱动中应用了乒乓缓冲技术。当应用程序 (APP) 从两个缓冲器中的一个读取数据时, 中断服务程序可以响应硬件中断, 与此同时将数据写入另一个缓冲器。除此之外, ARM中的应用程序是基于多线程的, 所以信号和数据可以在不同的线程中处理。信号处理线程能够响应驱动器中的数据读出要求, 并将数据写入到APP缓冲器。同时该数据的处理线程可以分析信号处理线程获得的数据。同样, 乒乓缓冲技术也应用在APP中, 这样一来, 它可以减少死区时间, 并提高数据的吞吐量。

4 实验结果

该数据采集和传输系统的性能由下述两个实验结果验证:

实验一, 采用P1010MIN模块来产生脉冲信号和门信号, 脉冲信号直接被发送至数据采集系统, 栅极信号先由MIN模块GG800处理, 然后发送至系统。实验结果表明, 最大数据传输速率约为2百万字节/秒, 而事件生成的频率为250k Hz;

实验二, 将该数据采集系统应用于微波信号的采样处理。经检测器后, 微波信号被转化为脉冲信号和门信号, 最后得到的结果与通过PHILLIPS7164得到的结果是相同的。该系统的结构如图1所示。

5 总结

FPGA和RAM结合的高速传输方法成功地解决了数据采集系统中大量数据很难以高速发送的问题。第一个实验结果显示最大数据传输速率能够达到2百万字节/秒, 以及事件生成的频率为250k Hz。第二个微波信号采样显示这种方法能够满足数据收集系统的要求。然而, 由于还存在一些微小的缺陷, 整个系统的运行速度还达不到8 MB/秒。一旦系统的所有部分全部完成, 系统就能够全速运行。

参考文献

[1]王亚庭.基于ARM与FPGA的高速数据采集技术研究[D].北京交通大学, 2008.

[2]朱建光, 余红英.基于ARM和FPGA的高速数据采集系统[J].伺服控制, 2010, 03:75-77.

[3]吴伟, 郝建新, 卢力.基于ARM和FPGA的高速高空数据采集系统的实现[J].现代电子技术, 2009, 01:126-128.

ARM数据采集 第7篇

随着测井技术的不断发展, 数字测井在很多领域得到广泛的应用, 越来越显示出重要的作用。其中重庆地质仪器厂研制生产的JGS-1B型轻便数字测井仪和陕西渭南煤炭设备厂研制生产的TYSC-QB型轻便数字测井仪在三侧向测井中应用非常普遍, 两个厂家的测井系统各有优缺点, 在硬件方面能互相取长补短, 但是不同厂家的探管和地上采集装置是配套使用的, 不能进行互换。为了节约成本和提高测井效率, 研制一种多功能数据采集装置具有很大的现实意义。

首先对多个厂家数字测井系统的结构、接口、信号形式等进行了探究, 在此基础上进行扩展, 分析不同厂家测井系统的差异, 从而设计出了一种适合多个厂家多种型号测井系统的地上数据采集装置, 对于不同型号的探管可以使用同一采集装置, 实现了仪器的兼容, 不仅提高了设备的集成化和智能化, 而且具有很高的实用价值。本文主要介绍此数据采集装置的硬件电路设计。

1 数据采集装置的工作原理及具体设计

1.1 数据采集装置的工作原理

目前测井仪器的测量信号分为四种形式:

(1) 数字测井仪探管信号, 传输二进制编码。

(2) 模拟探管输出为模拟信号, 有交流方波及直流信号。

(3) 脉冲信号的传输, 有正、负脉冲计数测量。

(4) 电桥供电测量形式。

除 (1) 外 , 其他三种形式的信号都变成数字量后, 进行存储、显示、打印等工作, 由于测量信号形式不同, 本文介绍的数据采集装置分别对不同形式的信号进行了处理。该装置的结构框图如图1所示。

从图1可以看出, 本数据采集装置以ARM7 Cortex-M3作为CPU, 控制数据信号的采集、处理和传输, 对井下探管输出的不同形式的信号, 分别作不同的处理。由于测井系统中需要传送的数据信息量越来越大, 为此必须解决数据的高速传输与正确接收两个问题, 所以对于数字信号, 首先通过缓冲电路, 然后进行曼彻斯特编解码, 通过编解码器来实现。实现编解码器与ARM7的接口需要添加大量的逻辑电路, 而采用CPLD可以大大简化。对于模拟信号, 先经过跟随器然后通过放大器对信号进行放大, 放大后的信号经过ARM芯片内置的12位A/D转换器进行模/数转换, 将模拟信号转换为数字信号。根据不同探管测井参数的测量原理, CPU对数字信号做相应的计算和处理。处理后的数据可以通过RS 485, USB, CAN, 蓝牙等多种总线接口方式传输到上位机, 上位机也可以通过这些总线发送命令从而对采集装置进行控制。此外, 在获取测井数据的同时, 还需得到电缆的深度信号。通过计数器对绞车控制器送来的脉冲信号进行计数, 由于一个脉冲代表的深度值一定, 则通过计数值可以计算出相应的深度。

1.2 硬件电路的具体设计

1.2.1 电源模块

不同型号的探管工作方式不同, 对于电性方法的探管, 有恒流式、恒压式、恒功率式, 所以本装置对于不同的工作方式提供相应的电压。例如对于JGS-1B型测井系统, 需要72 V直流电压供电, 本装置的电源模块包括24 V转72 V DC-DC电路, 还可以提供3.3 V电压供CPU使用, 12 V电压供运算放大器使用, 5 V电压等供扩展电路使用。通过电压转换器和稳压器等能够提供满足各器件要求的电压。

1.2.2 数据采集和测量电路

对于模拟信号, 本装置可以对三路模拟信号进行采集, 由于信号动态范围比较大, 从几μV～9 V, 为了使其满足12位A/D转换器的有效转换范围, 采用放大器LMH6646MA使模拟信号的幅度在0～3.6 V之间。三个通道放大器的放大倍数不同, 不同幅度的模拟信号可以选择相应的通道, 模拟信号首先经过缓冲电路, 进入放大器进行放大到合适的幅度, 然后进入STM32F103ZET6芯片进行数据采集和处理。

STM32F103ZET6增强型芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核, 工作频率为72 MHz, 内置高速存储器 (高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM) , 具有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设, 包含3个12 b的ADC、4个通用16 b定时器和2个PWM定时器, 还包含标准和先进的通信接口:多达2个I2C, 3个SPI, 2个I2S, 1个SDIO, 5个USART, 1个USB和1个CAN。其供电电压在2.0～3.6 V之间, 一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。利用此芯片内部的12 b A/D转换器将模拟信号转换为数字信号进行处理和计算, 有效地利用了器件资源, 提高了运算效率。

对于脉冲信号, 可以通过CPLD对其进行计数累加转换为数字信号, 为了使大量的测井数据正确快速地传输, 对其进行曼彻斯特编解码, 然后再进行采集、处理和计算。曼彻斯特编解码通过HD9P6409_9Z编解码器实现。由于编解码器与ARM7的接口需要添加大量的逻辑电路, 所以采用可编程逻辑器件EPM240T100C5, 它具有用户可编程、时序可预测、速度高和容易使用等优点, 可以使电路大大简化。

对于深度信号, 通过计数器对绞车控制器送来的脉冲信号进行计数, 由于一个脉冲代表的深度值一定, 则通过计数值可以计算出相应的深度。

1.2.3 与上位机的接口电路

此数据采集装置与上位机具有丰富的接口方式:RS 485, USB, CAN, 蓝牙, 由于CAN和USB公用片内RAM, 不能同时使用, 其余几种接口可以同时使用, 实现和上位机方便高速的通信。

RS 485 标准串行口的实现方式是CPU发送的数据通过MAX485串口转换芯片, 将CPU发送的TTL电平信号转换为上位机的标准RS 485信号。

USB为通用串行总线, 采用USB 2.0 Device全速接口, 传输速率可达480 Mb/s。

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络, 其构成的网络各节点之间的数据通信实时性强, 其实现方式是通过CAN收发器接口芯片SN65HVD230QD的发送和接收端与CPU相连。

蓝牙传输方式采用蓝牙转串口HC-06无线模块, 工作电压为3.3 V, 工作电流为40 mA, 波特率为1 200 b/s, 2 400 b/s, 4 800 b/s, 9 600 b/s, 19 200 b/s, 38 400 b/s, 57 600 b/s, 115 200 b/s, 用户可设置, 而且模块尺寸小, 功耗低, 是一种高性能无线收发系统。

1.2.4 数据的存储与传输电路

采集得到的测井数据通过数据总线存入由从ARM中事先分配好的RAM 地址中, 等待CPU 来取。STM32F103ZET6内置高速存储器 (高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM) , 为了满足大量数据存储的需要, 此装置还配置了SD卡和M25P64-VMF6TP 64 MB的FLASH存储器。

由于测井数据应与钻孔的深度一起传给主机, 所以当绞车每传送一个脉冲信号时, 计数器对其计数, 同时CPU从相应的地址中取出测井数据和深度数值, 进行处理和计算。

1.2.5 外围扩展电路

此数据采集装置还具有键盘、LCD液晶显示屏、LED等外围扩展电路。通过键盘可以与ARM7进行人机交互, 发送命令控制探管型号的选择、通信接口的选择等, 测井数据可以在LCD上进行显示, 当数据大小超出范围时可以用LED灯进行提示。这些扩展电路的设计使得数据采集装置更加智能化。

2 数据采集装置的特色及应用前景

本文设计的数据采集装置的特色在于能够对不同厂家不同型号的探管进行采集和处理, 实现了地上采集仪器的兼容, 对模拟信号的采集利用ARM内部自带的模/数转换器, 对数字信号进行曼彻斯特编解码来提高传输速度和可靠性, 与上位机之间具有多种通信方式, 而且键盘、LCD、LED等外围电路很好地实现了人机交互, 使此装置更加智能化。总的来说, 该装置电路设计简单、可行、方便易操作, 稳定性好, 而且还可以根据实际需要进行扩展, 大大节约了测井成本, 提高了工作效率。

随着测井技术的不断发展, 测井仪器也在不断更新换代, 正朝着高度集成化、简便实用性、智能多功能性、低成本等方向发展, 本文设计的数据采集装置可以实现地面采集仪器的兼容, 随着它不断的完善和扩展, 相信以后可以在越来越多的测井单位得到广泛的应用, 同时也为多种测井仪器的组合研制奠定了一定的基础。

3 结 语

不同厂家不同型号的探管和地面采集仪器必须配套使用, 为了节省仪器成本, 提高测井效率, 本文设计出了一种通用的数据采集装置, 实现了地面仪器的兼容。此数据采集装置经过测试显示工作稳定, 故障率低, 性能良好, 能满足基本的测井要求, 不过其功能还不是很完善, 有待于今后进一步的研究, 在各测井单位具有很大的发展前景和应用价值。

摘要：三侧向测井作为解决高矿化度泥浆和高阻薄层的测井问题的有效方法, 其测井仪器得到广泛应用。但是不同厂家不同型号的探管和地面采集装置不能互换使用, 为了节约成本和提高工作效率, 设计了一种数据采集装置, 该装置采用以ARM为核心的32位微控制器, 利用CPLD实现曼彻斯特编解码, 具有RS 485, USB, CAN, 蓝牙等多种总线接口方式, 从而便捷高速地与计算机进行通信, 同时配有键盘和液晶显示以及闪速存储器。经过测试证明, 该测井系统数据采集装置工作稳定, 性能良好, 故障率低, 能实现对不同型号探管不同形式信号的采集。

关键词：ARM,测井,数据采集装置,硬件设计,CPLD,通信

参考文献

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ARM数据采集 第8篇

机载数据采集设备用于进行对机载、弹载设备进行数据采集测试, 在民用航空与国防领域应用较为广泛, 随着我国航空、航天工业与电子技术的不断发展, 机载、弹载设备的复杂度越来越高, 飞行试验中测试参数的种类、数量越来越多。对机载测试系统的可靠性、智能化程度、体积、采样数据数量与精度等性能要求也越来越高, 智能化、综合化、系统化、多功能化也因此成为现代新型机载数据采集设备的发展方向。

本文中的新型机载数据采集设备以ARM9内核的S3C2410嵌入式处理器为核心, 基于VxWorks实时操作系统, 利用液晶显示/触控技术、海量数据存储技术以及高精度采样技术, 实现了对机载设备的数据采集、数据显示、数据记录等功能, 并且体积轻便, 适用于外场飞行试验。

2 系统的硬件架构设计

机载数据采集系统的硬件系统采用了“核心板-底板”设计思路, 整个系统包含了:S3C2410核心电路板、扩展电路底板、液晶显示/触控屏、IDE硬盘, 其中扩展电路地板上包含了电源模块、A/D采样模块、显示/触控接口模块、IDE接口模块以及多种模式接口 (USB接口、以太网接口、串行接口) 。以ARM920T处理器为核心的机载数据采集系统的硬件系统结构如图1所示。

机载设备的测量信号经扩展电路板的A/D转换模块后, 传送到S3C2410核心电路板, 经过相关算法处理后的采集信号在处理器的控制下经扩展电路板的IDE接口模块写入到海量数据存储介质中 (IDE接口硬盘) 。在数据采集过程中, 数据内容可以在液晶显示器上进行实时显示。同时测试人员可使用触摸屏对采集设备进行人工调控。

2.1 核心电路板设计

基于ARM的核心电路板为整个数据采集系统的核心模块, 包括:一片S3C2410处理器;一片64M的Nand Flash存储器以及两片共64M的SDRAM存储器。核心电路板的接口图如图2所示。

2.2 显示/触控接口设计

在S3C421内部集成了LCD显示接口与触摸屏接口, 在硬件上可以非常容易实现显示触控接口的设计。其中, 液晶显示接口直接与S3C2410的LCD输出、控制管脚相连;触摸屏接口的X+、Y+引脚分别直接与S3C2410的AIN[7]、AIN[5]脚相连, 并应用4个外部晶体管, 采用S3C2410的控制信号来控制晶体管的开断, 实现对触摸屏4个引脚的控制 (X+、X-、Y+、Y-) 。接口示意图如图3所示。

2.3 IDE接口设计

为实现数据采集设备的海量数据储存功能, 在设计中选择IDE硬盘作为系统的数据存储介质。处理器芯片与IDE硬盘之间的硬件电路结构根据ATA硬盘接口规范进行设计, 包含了3部分内容:片选信号、数据信号和控制信号。接口图如图4所示。

IDE_CS0、IDE_CS1片选信号用来选择IDE硬盘的组内寄存器, 使用一片EPM7032对其时序进行调整控制;A0~A2为地址线, HDD0~HDD15为数据线, 并使用Buffer和nOE信号来控制数据的输入输出;其余的控制信号直接与处理器相连。

3 系统软件设计

VxWorks为实时多任务操作系统, 具有精简的内核、灵活的多任务调度方式、信号量机制和中断机制, 支持信号量、消息队列等任务间通讯与同步机制。机载数据采集系统软件可通过对多个任务之间的合理调度, 实现对机载设备的数据采集、数据存储、LCD显示以及触控接口接收控制命令等功能。机载数据采集系统软件的工作流程如图5所示。

3.1 系统任务的划分与任务间通讯的设计

嵌入式系统控制软件设计的关键在于系统实时性的保证, 包括系统任务的划分、任务优先级确定与多任务间通讯设计。

根据对机载数据采集系统软件工作流程的分析与系统功能的规划, 设计了4个任务:接收触控接口控制命令任务、数据采集任务、数据存储任务、结果显示任务。触控接口控制任务控制着整个机载数据采集系统工作的开始与结束, 具有最高的优先级 (优先级为1) , 采用中断方式实现;数据采集任务的优先级为2, 当触控接口发送采集命令, 该任务开始运行, 直到触控接口发送停止命令为止;数据显示与存储2个任务具有相同的优先级 (优先级为3) , 在数据采集状态下接收到控制命令后开始执行。

当系统任务数目和优先级确定后, 多任务之间的通讯设计决定了整个系统软件能否同步协调运行, 实现每个任务的功能。在本系统设计过程中, 采用二进制信号量来实现任务间通讯。为保证系统的实时性, 触控接口控制任务的中断服务程序必须在最短时间内被执行, 因此控制任务的中断服务程序只执行释放信号量操作;数据采集任务只有在进入数据采集状态后才释放信号量;而数据显示任务与数据存储任务只有等到信号量可用时才执行操作。通过上述方式实现3种优先级下的4个任务之间的协调运行。

3.2 图形化显示界面的设计

本设计中的新型机载数据采集系统的一个主要特点为图形化显示界面的设计。图形化的显示界面是在WindML、Zinc与中文字库组件下开发完成, 可以通过LCD屏对机载设备测试数据的图形化显示, 实现采集系统与操作者之间的人机交互。为实时直观显示采集数据的变化, 在图形绘制函数内添加了计时器事件, 通过对计时器事件的触发, 在显示界面内实时绘制采集数据。

整个机载数据采集系统的显示界面如图6所示, 主要包括:操作控制区、结果显示区、图形绘制区、系统工作状态区。操作控制区实现对采集系统的采集开始、停止控制、显示控制以及存储控制;结果显示区与图形绘制区用来实时显示数据的采集结果;系统工作状态区用来显示当前采集系统的采集、显示、存储状态、系统的工作时间以及当前硬盘的存储状况等。

4 结语

本文提出了一种基于ARM嵌入式系统的新型机载数据采集系统, 对采集系统的硬件结构与软件系统进行了详细介绍。本系统在某型号弹载通信设备的飞行试验中通过了连续100h以上的现场试验, 采样数据精度、数据存储容量、连续正常工作时间均满足性能指标要求。并在飞行实验环境下能够独立完成对采样数据的实时动态显示, 摆脱以往机载采集设备对计算机的依赖。实现了机载数据采集系统的智能化、综合化、多功能化以及小型化的设计。

摘要：为满足航空测试环境下对测试设备的智能化、小型化、低功耗以及实时性等要求, 提出一种基于VxWorks的机载航空数据采集设备图形化系统的设计方案, 实现对机载设备的数据采集、数据存储和采集结果图形化显示。方案采用基于ARM9内核的嵌入式处理器、AD9430数模转换芯片、TFT触摸显示屏以及大容量数据存储器为关键部件, 设计出数据采集设备的硬件结构;在此基础上通过移植VxWorks操作系统、开发设备驱动程序与图像控制显示应用程序, 实现了对机载数据采集设备的图像化设计。经测试本系统满足机载航空测试设备的技术要求。

关键词：机载数据采集设备,VxWorks操作系统,ARM9,多任务操作

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ARM数据采集 第9篇

1 RSSI技术与惯性导航系统

1.1 RSSI技术

RSSI(Received Signal Strength Indication)是通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离,进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术[1]。在无线通信领域,信号传输距离在实际测量中的模型如下:

式中,A为射频参数,n为信号传输常数,d为距发射节点的距离。在计算时,A和n的取值是一个关键的问题;不同的取值对测距的误差影响很大。实际测算RSSI数值时,为了使模型能够尽量真实地反映出无线信号在当前空间环境中的传播特性,需要对A和n进行优化以得到最适合该室内环境情况的参数值[2]。

应用RSSI技术定位的三个步骤:采集RSSI数值;根据信号传播模型和RSSI数值计算距离;结合距离参数进行定位计算。目前,RSSI的数值可以依靠芯片自身的功能获取,如美国TI公司生产的CC2431就可依靠芯片中植入的ZIGBEE协议来获取RSSI强度数值。

1.2 惯性导航系统

惯性导航系统(INS)是一种不依赖于外部信息、不向外部辐射能量的自主式导航系统。惯性导航系统利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置。其中,陀螺仪测定航向和姿态角,加速度计测量运动体的加速度[3]。

2 机器人控制系统

2.1 机器人整体结构设计

机器人设计为履带式结构,外观尺寸为:600 mm450mm300 mm。在设计中,机器人外壳采用具备良好机械性能和尺寸稳定性的工程塑料(ABS)材质。直流电机安装于机器人前侧,左右各置一只。机器人控制系统安装于运动底盘上方,并通过金属支架固定。

2.2 机器人控制系统组成

机器人控制系统包括处理器、电机控制、无线通信、传感器和电源模块,如图1所示。其中,处理器选用ARM11芯片S3C6410;电机控制模块采用大功率MOS-FET搭建H桥控制电路实现直流电机的控制;传感器模块包括陀螺仪、加速度计和车速传感器,其中陀螺仪采用HMC5883L,加速度计采用MMA7261QT,车速传感器采用AB相增量型旋转编码器;电源模块包括一个12 V 6 800 m A/h和一个7.2 V 4400 m A/h的锂电池,其中12 V锂电池为两个直流电机提供电源,7.2 V锂电池为直流电机以外的控制芯片和电路提供电源。

2.2.1主要芯片

(1)S3C6410

S3C6410是三星公司生产的16位RISC ARM11处理器芯片。S3C6410包含TFT24位真彩色液晶显示控制器、系统管理器(电源管理等)、4通道UART、32通道DMA、4通道定时器、通用的I/O端口、I2S总线接口、I2C总线接口、USB主设备、高速多媒体卡接口和用于产生时钟的PLL[4]。

(2)CC2431

CC2431是美国TI公司生产的一款系统芯片(So C)芯片。该芯片整合了Zig Bee射频(RF)前端、内存和微控制器。内置一个8位MCU(8051),具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM。CC2431芯片集成了模拟数字转换器、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 k Hz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。与CC2430相比较,CC2431具有一个基于IEEE802.15.4的无线定位引擎,该引擎可以实现0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[5]。

(3)电机驱动

电机驱动电路采用H桥控制电路,如图2所示。电机驱动电路中的H桥电路使用4个N沟道IRF3205 MOSFET搭建[6]。电机控制电路使用不同的电源与控制系统中的其他电路相隔离。

2.2.2 主要传感器

(1)电子罗盘

机器人控制系统中的电子罗盘采用霍尼韦尔公司生产的HMC5883L。HMC5883L是一种弱磁传感器芯片,可广泛应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L芯片能使罗盘精度控制在1°~2°[7]。HMC5883L与S3C6410之间电路如图3所示。

(2)加速度计

MMA7260QT是Freescale公司生产的一款三轴加速度计芯片[8]。MMA7261QT采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,并且提供4个量程可选,分别是2.5 g、3.3 g、6.7 g和10 g。由于MMA7261QT输出的X、Y和Z轴的加速度数值是模拟量,因而在处理器S3C6410与MMA7261QT之间需加入一个A/D转换模块,将X、Y和Z轴的模拟加速度数值转换成数字量再输出给S3C6410芯片。

(3)车速传感器

系统中,车速传感器采用增量型旋转编码器。该增量型旋转编码器每转400个脉冲,最大机械转速为10 000r/min,响应频率最大为20 k Hz。

2.3 机器人控制策略

机器人在布置了无线传感器结点的室内环境中运行。这些无线传感器结点不仅采集建筑能效数据,同时还作为机器人定位时计算RSSI数值的参考结点。在环境中,已知无线传感器结点的绝对坐标,机器人在运行中可实时接收周围结点的定位数据(RSSI数值),同时联合车载的INS系统实现定位和路径规划[9]。机器人运行时的程序流程如图4所示。运行时,由于传感器和RSSI数值均会产生一定的误差,机器人确定目标位置后,将采取实时姿态调整策略,即机器人行驶ΔT时间后重新定位自身的新位置,再生成新的路径规划方案、调整姿态继续行驶,并如此往复,最终达到目标位置[10]。

本文为室内机器人控制设计提供了一种硬件设计方案。该机器人采用履带机器人的结构,利用ARM作为系统的控制和数据分析的核心,采取RSSI和INS联合定位的策略实现机器人在室内环境中的实时定位和路径规划。在后续的项目工作中还应该针对室内环境中机器人的定位和路径规划策略做更深入的研究。

参考文献

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ARM数据采集 第10篇

1. 系统设计的整体思路

本文所需要的原始数据主要是电力线路的各相电压和电流。每条线路的每相电压和电流分别来自电压互感器 (PT) 和电流互感器 (CT) 传入线路数据采集系统。再通过多路电子开关完成各路信号的循环采样。在整个系统中数据采集由两片高速串行16位A/D完成, 然后将数字信号交给DSP信号处理器完成数字信号处理, 并得到主战分析用的数据。系统结构框图如图1所示。

从图1中可以看出本系统的各个部分功能独立, 又相互联系形成一体。在整个系统中, 由LATTICE公司的FPGA芯片LFXP6FP完成逻辑控制和各个部分之间的信号传递。数字信号的处理包括数字滤波和傅立叶变换, 全部统的运行, 包括各个进程的管理, 任务的调度, 内存的管理与其它设备的通信等等。本系统设由AD公司的ADSP2181来完成。而中心微处理器AT91FR40162S则主要负责整个系计新颖, 改变了以往设计中将数字信号处理与整个系统运行控制都由微处理器来完成的做法, 使得每个部分各负其责, 从而能够提高整个系统的效率和设计的方便性, 同时保证了处理器资源足够。

2. 电压电流采集电路

电压电流采集单元电路图如图2和图3所示。高压线路电压经过电压互感器变为100V或者110V, 电流变为1A或者5A。这样的电压电流才能满足系统额定的工作条件, 可以直接由数据采集系统的电路经过转换进入系统内部。

本设计中电压处理使用的是电阻分压, 之所以没有使用电压互感器, 主要原因就是电压互感器是根据磁通原理来进行电压变换的, 我们知道, 在某些情况下, 线圈的磁滞回线并不是线性的, 而且会存在磁通饱和的现象, 在这种情况下测到的数据肯定是误差很大, 因此为了保证数据的准确性, 我们采用的是电阻分压加差分运放的方式来处理电压。这个也是现今国际上较为先进的方法。

图2中, 在输入的两个端口都有TVS管, 这是为了系统能够在恶劣的环境中进行可靠工作而设计的。通常数据采集设备都是在露天或者旷野工作, 当出现雷击时, 会在线路上感应出很高的电压, 并沿着线路传播, 所以测量设备必须要有此类的保护器件。也可以使用压敏电阻, 此处我们使用的是TVS管。它能够承受高达几KV的瞬时电压, 在反向应用的条件下, 当有瞬时的浪涌电压时, 它能够很快对电压进行泄放, 把电压钳在预定的电压上面, 从而能够有效的消除对系统敏感设备和元件的危害。双向TVS管可以消除正负方向吸收瞬时脉冲大电流, 把电压钳在预定值。

3. 数据处理原理

经过放大和滤波后的模拟数据进入电子开关, 把多路电压电流模拟量分时送进A/D转换器, 完成采集的模拟量到数字量的转换, 实现数字处理和转换。

(1) AD转换

本设计采用了MAXIM公司的MAX4051单8通道的多路转换开关, 以及同样是MAXIM公司的AD, MAX1133。在本系统中, 需要采集以下几个模拟量:三相电压, 三相电流, 两相地线, 以及两相系统参考电压。, 因此我们采用两片MAX4051, 以及两个AD芯片。

MAX1133是一款16位的AD转换器, 内部时钟, 串行接口;支持多种数据接口, 包括SPI, QSPI和MICROWIRE.。不仅如此, 它还具有内部自校准电路, 也可以由用户自行校准, 还具有3个用户可编程的逻辑输出口, 用于控制多路开关的输入选择。同时它的采样速率达到了200KHz。MAX1133的外围接口电路如图4所示。

由图4可知, AD采用双极性输入连接方式, 输出电压范围为+/-5V。输出采用的是二进制的补码方式, 方便数据的后续处理。AD的转换过程由FPGA进行控制。数据的同步时钟SCLK, 数据输出口DOUT, 均与FPGA和DSP相连。数据同步信号由AD内部产生。当数据转换完成后, 立即产生16个连续的同步脉冲, 将16位数据输出。

FPGA可以存储转换完成的数据, 在结构上起到了数据缓冲的作用。当DSP计算任务繁忙的时候, 可以暂时不读取数据, 而是交由FPGA进行保存, 一旦完成任务, 数据将成批的转入DSP进行处理。这种设计方法, 不仅提高了数据的安全性和可靠性, 而且提高了数据处理的整体效率。

(2) 数字信号处理器 (DSP)

电参量经过AD转换器离散化后进入微处理器, 在本设计中, 数据的接收由DSP ADSP2181来完成。它具有以下特点: (1) 运算速度快, 在外接晶振为20MHz的情况下, 指令周期为25个ns, 运算能力为40MIPS; (2) 片内空间大, 内部程序和数据RAM均为16KB, 共80KB, 其中程序RAM为24位, 数据RAM为16位的; (3) 数据交换速度快; (4) 支持8位E2PROM和通过DMA方式的程序引导; (5) 如果采用基4FFT做1024点的复数FFT运算, 运算时间仅为1.07s。

ADSP2181在一个处理器周期内可以完成以下功能: (1) 产生下一个程序地址; (2) 进行一个或者两个数据移动; (3) 取下一个指令; (4) 更新一个数据地址指针; (5) 进行一次数据运算。

与此同时, 还可以从两个串行口发送或者接收数据, 通过IDMA或者BDMA发送或者接收数据以及内部定时器计数。

(3) 抗干扰设计

由于是工业用设备, 而且使用场合也比较特殊, 均是强电场, 磁场的环境下工作。因此本系统的抗干扰设计也是一个值得注意的问题。

电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰, 使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作, 同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。

降低噪声的技术

防止干扰有三种方法: (1) 抑制源发射; (2) 使耦合通路尽可能地无效; (3) 使接收器对发射的敏感度尽量小。

其它降噪设计技术有:把晶振安装嵌入到板上并接地;在适当的地方加屏蔽;用串联终端使谐振和传输反射最小, 负载和线之间的阻抗失配会导致信号部分反射, 反射包括瞬时扰动和过冲, 这会产生很大的EMI;安排邻近地线紧靠信号线以便更有效地阻止出现电场;把去耦线驱动器和接收器适当地放置在紧靠实际的I/O接口处, 这可降低到PCB其它电路的耦合, 并使辐射和敏感度降低;对有干扰的引线进行屏蔽和绞在一起以消除PCB上的相互耦合;在感性负载上用箝位二极管。

EMC是DSP系统设计所要考虑的重要问题, 应采用适当的降噪技术使DSP系统符合EMC要求。

具体还有很多, 基于篇幅原因不在一一论述。

(二) 系统软件部分设计

在系统的硬件设计中, 采用了ARM7核心的处理器。考虑到电力系统数据采集方面的实时性的要求, 引入了多任务实时嵌入式操作系统u C/OS-II。

它具有以下几个特点:

1. 可移值性, 代码使用ANSI C编写, 与硬件相关部分采用汇编, 汇编语言编写的代码已经压到最低限度, 使得代码能够很方便得移植到其他处理器上面。

2. 可固化, 可将代码固化到嵌入式系统的内存中, 成为系统的一部分。

3. 可裁剪, 用户可以根据应用需要对代码进行裁剪。

4. 占先式, 它是完全占先式得实时内核, 在运行就绪的条件下总是运行最高优先级任务。

本系统软件设计采用了当今应用最广泛得在系统编程思想 (ISP) , 其中包括处理器, DSP, FPGA得程序代码和配置字等。当系统因为干扰或其他原因引起系统异常时, 可以将代码上载, 与源代码进行比较从而发现是否出现问题。

系统的引导过程采用了Boot Loader, 在主程序启动的过程中DSP和FPGA的代码由Flash下载到DSP和FPGA中, 主程序的流程图如图5所示。

(三) 结论

本文介绍了电力线路的数据采集系统的设计原理和实现的功能。其优越性主要体现在嵌入式的模块化设计, 应用了多任务实时系统。此种设计思想可以在数据采集系统中实现, 产生良好的效果。

参考文献

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