【摘要】本文簡要地介紹了微處理器AT91RM9200和嵌入式LINUX操作系統，同時討論了地震數據采集系統的硬件設計以及相應的軟件設計方法。

　　【關鍵詞】AT91RM9200  嵌入式LINUX操作系統  數據采集

　　0 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。眾所周知，地震預報一個的世界性難題，作為地震預報的基礎，地震及地震前兆觀測數據的地位可想而知，獲得真實、可靠的觀測數據取決于地震觀測儀（包括傳感器和采集器兩部分）。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，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，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。

　　(3)數據采集具有移動轉儲功能。基于現場的實際工況，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，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。由于系統采用了功能強大的處理器以及Linux操作系統，除了可以完成高精度數據的采集外，還可以允許用戶完成數據處理以及其他的一些應用層的功能。

　　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。嵌入式系統是在滿足實際應用基礎上的最小簡化型系統，嵌入式數據采集系統上運行的各種任務繁多并且部分實時性要求高，嵌入式微處理器需要管理的資源豐富，這些都決定了要在嵌入式平臺上引入操作系統。

　　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。可以通過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。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。

　　參考文獻

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