（电路与系统专业论文）基于arm的机载数据采集系统的设计与研究.pdf

殖北工业大学硕士学位论文 摘要 l _ - - i _ - _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ = l 目_ - _ _ _ _ _ _ 自口_ _ _ l _ 口- _ i 自自目_ - - _ 日_ 自目_ _ t _ 自| i _ _ _ 摘要 本文针对设计机载数据采集系统这一课题，研究了基于a r m 9 内核的高性能 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，完成了系统的硬件设计，并在其上成功移植了嵌入式 l i n u x 操作系统。 由于本系统为机载设备，对可靠性有较高的要求，为了提高系统的可靠性， 硬件设备要尽可能紧凑，应选择具有丰富接口的处理器作为本项目的核心。使外 围电路尽可能减少，嵌入式设计是应用系统的必然选择。本文所研究的机载数据 采集记录装置是一个以a t m e l 公司出品的3 2 位a r m 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心 的嵌入式系统，该装置能实时地获取飞机飞行时的各种参数，为飞机试飞的状况 分析提供纂本的数据和信息。 本文首先讨论了这个嵌入式系统的基本功能和技术要求，并提出了基于 a r m l i n u x 的系统方案，介绍了a i n 微处理器、a r m 9 2 0 t 内核的性能特点，分析 了a t 9 1 r i d 9 2 0 0 的内部资源。接着采取“核心板一底板”的设计思路，以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心搭建了相关的硬件系统，其中核心板只保留运行一个a 脒系统所必需的一 些基础电路，在此基础上设计了一块底扳，该底板扩展了一一些通用接口，包括： 网口、u s b 、u a r t 、显示接口等。同时详细分析了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的数据采集模 块的工作原理和具体电路设计，介绍了基于g p s 的精确时标实现方法。在这个硬 件系统的基础上，进行了嵌入式l i n u x 操作系统的移植研究工作，包括：u - b o ol 的编译、下载，对l i n u x 内核进行配置、裁剪、编译，文件系统的建立，然后依 靠u - b o o t 将内核和文件系统烧录到目标板上，并在此基础上讨论了系统主软件 的工作流程。文章最后对本论文所做的工作进行了总结。 本论文的研究开发工作是在实践的基础上完成的，实验结果证明该系统充分 利用了a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片提供的资源，其有离性能、低功耗、低成本的优点，在 各方面的性能比传统的飞机测试系统有很大提高，满足了机载测试设备的要求， 实现了预期的各种功能。 关键字：嵌入式系统，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，l i f l u x ，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，g p s 西北上业丈学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa l la i r - b o r n ed a t a a c q u i s i t i o na n dr e c o r dd e v i c eb a s e do nr i s cc h i pa t 9 1r m 9 2 0 0w i t ha r m 9 2 07 r c o r ea n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ml i n u x f o rt h es a k eo fa i r - b o r n ef a c i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t yi sd e m a n d e ds t r i c t l y ，f o r i m p r o v i n gr e l i a b i l i t y , c o m p a c t n e s sm u s tb er e q u i r e d ，s oc h o o s i n gap r o c e s s o rw i t h m u l t i i n t e r f a c et or e d u c ep e r i p h e r a lc i r c u i tc o u l da c h i e v eh i g hr e l i a b i l i t y a p p l y i n g e m b e d d e dd e s i g no nt h i sa p p l i c a t i o ns y s t e mi si n e v i t a b l e t h ea i r b o r n ed a t a a c q u i s i t i o na n dr e c o r dd e v i c er e s e a r c h e di f lt h i s 也e s i si sa ne m b e d d e ds y s t e m b a s e do n3 2 b i ta r m m i c r o p r o c e s s o ra t 9 1 r m 9 2 0 0p r o d u c e db ya t r n e l t h i sd e v i c e c o u l dc a p t u r em a n yk i n d so fp a r a m e t e r sw h e na i r c r a f ti si nf l i g h ti nr e a l - t i m e ，i t p r o v i d e sb a s a ld a t aa n di n f o r m a t i o nf o rf l i g h t t e s t s t a r tf r o md i s c u s s i n gt h em a i nf u n c t i o na n dt e c h n i q u ed e m a n d ，w ec o m ew i t h o u rs o l u t i o nb a s e do na r m l i n u xp l a t f o r m ，g i v eab r i e fi n t r o d u c t i o no fa r m m i c r o p r o c e s s o r , a r m 9 2 0 tc o r ea n da t 9 1r m 9 2 0 0 w et a k et h et h o u g h to f c o r e b o a r d - m o t h e r b o a r d ”，b u i l dt h eh a r d w a r es y s t e mw h i c hi st a k i n ga t 9 1 r m 9 2 0 0a s t h ec o r e ，t h ec o r eb o a r di n c l u d e ss o m eb a s i cc i r c u i tw h i c hi sn e c e s s a r i l yu s e di na n a r m s y s t e m t h em o t h e r b o a r de n t e n d sm a n yu s e ri n t e r f a c e s ，s u c ha se n t e r n e tp o r t u s b ，u a r t ，l e da n d s oo n w ea n a l y z et h em o d u l eo fd a t aa c q u i s i t i o nb a s e do n t h em i c r o p r o c e s s o rc 8 0 5 1 f 0 2 0i n d e t a i la n di n t r o d u c et h em e t h o do fs t i c k i n g a c c u r a t et i m el a b e lb yg p s a n dt h e nw er e s e a r c ht h et r a n s p l a n to ft h el i n u xo s ， u b o o tw i l lb ec o m p l i e da n dl o a d e d ，t h ek e r n e lw i l lb ec o n f i g u r e d ，c u t ，a n dt h e n c o m p l i e d ，t h ef i l es y s t e mw i l lb eb u i l l u b o o ti sn e c e s s a r yb e c a u s ei t w i l ll o a d k e r n e la n df i l es y s t e mt ot h et a r g e tb o a r d a f t e rt h a lw ed i s u s st h ef l o wc h a r to f m a i ns o f t w a r ei nt h i ss y s t e m a tl a s t ，as u l t l u po f t h i se m b e d d e ds y s t e mi sg i v e n i th a sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mh a st h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c es u c ha sh i g h s t a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , l o wc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t t h i ss y s t e mh a ss a t i s f i e da l l r e q u i r e m e n t so fa na i r - b o r n et e s te q u i p m e n t ，a n dh a sr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t e d p u r p o s e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，l i n u x ，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，g p s i l 畦1 工业太学硕士学位论文 第一章缝论 1 1 1 1 1 第一章绪论 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式 系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性商以及面向行业应用的突出特征，日 前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域，并 成为近年来新兴的研究热点。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，由英国a d v a n c e dr i s cm a c h if i e ( a r m ) l i m i t e d 公司设计，a r m 公司是设计公司，本身不生产芯片，只提供知识产权( ip ) ， a r m 是业界领先的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 处理器技术供应商，占领了大约7 5 的f 汀 场，它可为一个完整系统的开发提供全面的技术支持，技术具有性能高、成本低 和能耗省的特点。a r m 的微处理器核心正迅速地成为便携通信设备、手持计算、 多媒体数字消费和嵌入式解决方案市场中的r i s c 批量生产的标准。 l i n u x 是在9 0 年代初期，由自由软件联盟发起编写的网络操作系统，它是 一种类似于u n i x 系统，完全内存保护、多任务、多进程的操作系统而且是代码 公开、非盈利性的产品。因为它的所有源代码公开，用户可以任意修改来适应自 己的电子产品，所以它被更多的研发商所采纳。目前正在开发的嵌入式系统中， 4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统，l i n u x 现已成为嵌入式操作系统的 理想选择。 本论文设计的枫载数据采集记录装置就是一个基于a r m 微处理器和嵌入式 l if l u x 操作系统的实际应用系统。 1 1 嵌入式系统及其发展趋势 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术韵广泛应用，嵌入式系统已经 广泛渗透到人们的工作、生活中，被广泛应用于家用电器、手持通讯设备、信息 终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、过程控制等领域。嵌入式系统的 开发也成为近几年i t 行业的技术热点。 1 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算枫系统。 和通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，目的就是要把一切 i 西北j ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 变得更简单、更方便、更适用。它的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户应用程序等四部分组成，如图l l 所示。 图卜1 嵌入式系统的组成 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器 最大的不同点在于，嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中， 它将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从丽有利于嵌入式系统 在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 嵌入式处理器的体系结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 至r i s c ( 精简指令 集) 和c o m p a c tr i s c 的转变，位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到6 4 位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌 入式微处理器( m p u ) 、用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( d s p ) 和高度 集成的嵌入式片上系统( s0 ( = ) 。 目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，并且越来越多的公司开始 拥有自主的处理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过10 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、m c6 8 0 0 0 、m i p s 等使用得最为广泛。 嵌入式外围设备 在嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件( t d c u 、d s p 、m p u 、s o c ) 以外，用 于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入 式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和 显示设备三类。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( r a m 、 s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m 、e p i _ c o m 、e e p r o m 、f l a 川) 三种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等 优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括r 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、3 r d a ( 红外线接口) 、t2 c ( 串 行总线) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 等。 由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管( c r t ) 、液晶显示 器( l c d ) 和触摸扳( t o u c hp a n e l ) 等外围显示设备。 嵌入式操作系统 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分 配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操 作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分， 通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形用户界面( g u i ) 等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够 有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、 开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件 依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。 嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的 非实时系统，这类设备包括个人数字助理( p i ) a ) 、移动电话、机预盒( s t b ) 等； 另一类则是砸向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e f 公司的 v x w o r k s 、q n x 系统软件公司的刚x 等。实时系统( r e a l f i m es y s t e r n ) 是一种 能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并且对外部和内部事件在同步或者异 步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中，操作的正确性不仅依赖于逻辑 设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关，也就是说，实时系统对逻辑 和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到 用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有 些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用 软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际 应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件 成本。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 _ - _ _ i _ _ - 口_ _ _ _ _ _ 自_ _ _ _ _ _ l t 目_ _ _ _ t t 自1 8 _ _ t t l _ _ - 口_ _ - 自日_ _ j ! _ 一 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征： ( 1 ) 系统内核小a 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装簧，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非 常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一晶牌、同一系列的产品中 也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往往 需要对系统进行较大更改。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要 求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实 现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化 存储，以提高速度。软件代码要求高质量和商可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理地调度 多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配 r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 1 1 2 嵌入式处理器分类与现状 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器对应蓿通 用计算机中的c p u 。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式处理器除了在功能 上和标准处理器基本一样外，还具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。 在应用中，一般是将处理器装配在专门设计的电路板上，在核心板上只保留和嵌 入式相关的功能即可，包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等，这样可以满足 嵌入式系统体积和功耗大幅度减小的要求。 一般可以将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微控制器( m i c r o c e n t r o l l o r u n it ，m c u ) 、嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n it ，m p u ) 、嵌入式d s p 处理 器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h j p ，s o c ) 。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ro n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，单片机芯片内部集成了r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、 v d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。与嵌入式微处理器相比，微 西北【业大学硕士学位论文 第章绪论 _ - - _ i i - _ _ | | _ e i 目e 自# _ # ! 目e ! ! ! ! 控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本f 降、可靠性提 高。 嵌入式微处理器( m i c r o p r o ( ：e s s o ru n it ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p l r 演变而来的，其有较高的性能，当 然其价格也相应较高。在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的 功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式 应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有a i i l l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、 p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、频谱分 析等仪器上，i ) s i ，获得了大规模的应用。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，宣接在处理器片内嵌入操作 系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬 件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制 庞大复杂的电路扳，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计 直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付 芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简 洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提商了系统的可靠性，提高了设计生产 效率。 1 1 3 几种嵌入式操作系统的比较 嵌入式操作系统种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的操 作系统功能稳定、可靠、有完善的技术支持和售届服务，但往往价格昂贵。免费 型的操作系统在价格方面具有优势。 ( 1 ) 商用型嵌入式操作系统 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司研制的一种高性能的嵌入式实时操 作系统。由于具有高性能的系统内核和友好的用户开发环境，在实时嵌入式操作 系统中占有席之地。v x w o r k s 的突出特点是：可靠性、实时性、开放性和易用 型，它是目前嵌入式领域使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。 西北j ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 i n d o w sc e w i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任 务的操作系统，其优点是基于w j n d o w s 背景，用户界面比较漂亮，容易为用，1 t 所 接受。 p s o s i s i 公司已经被w i n d r i v e r 公司兼并，现在p s o s 属于叭n d r i v e t 公司的产品。 这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提 供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性， 可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制每一个应用所需的系统。开发 者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 其它的实时操作系统还有p a l l l lo s ，q n ) ( ，0 s - 9 ，l y n x o s 等等。 ( 2 ) 免费型嵌入式操作系统 l i n u x 自由免费l i n u x 的出现对目前商用嵌入式操作系统带来了冲击。l 。jn u x 可以 移植到多个有不同结构的c p u 和硬件平台上，具有较好的稳定性，而且容易开发。 l i n u x 有得天独厚的优势首先，l i n u x 是开放源代码的；其次，l i n u x 的内核 小、功能强大、运行稳定、效率高；第三，l jf i u x 是一种开放源码的操作系统， 易于定制裁减：第四，l i n u x 不仅支持支持x 8 6 c p u ，还可以支持其他数f 种c ，u 的芯片；第五，l i n u x 沿用了u n i x 的发展方式，遵循国际标准，可以方便地获 得第三方软硬件厂商的支持。 u c o s i i u c o s i i 是一个源代码开放的实时操作系统，可移植、可固化、可裁减，属 于占先式实时内核，执行时间可确定，支持现有大多数型号的8 位、1 6 位、3 2 位m c u m p u ，具有稳定的可靠性。 1 i 4 嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看出未 来嵌入式系统的几大发展趋势： ( 】) 嵌入式产晶将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互 联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门殿 务于嵌入式产品的内容。嵌入式设备网络互联成为必然趋势。 6 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 j _ _ _ _ l _ i _ _ _ i _ - _ - _ _ - _ _ _ 目_ _ 自i l q * 1 * = e _ t e _ j 一 ( 2 ) 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c 将成趋势，这不 仅能降低成本、缩小产品体积，还能增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧密 结合，嵌入式软件和硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种 方式可提高实时性，增强可维护性。 ( 3 ) 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域。一方面，已有无线产 品将借助芯片技术和嵌入式软件来提离性能，另一方面当前许多嵌入武产品都增 加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进， 共同发展，使更多的通讯产品更好地为用户服务。 ( 4 ) 嵌入式操作系统会与嵌入式应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角 色包括嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件 的发展，才能满足丰富多彩的应用要求。 1 2 航空飞行测试系统 现代航空技术的发展在很大程度上取决于航空试验技术、试验能力、试验设 备和测试技术与手段。目前各航空大国都在积极建设和完善先进的地面、空中试 验设备。面对我国航空技术的发展需求，必须在飞行试验研究的组织、管理、技 术上下功夫，创造“跨越式”发展的基本条件。 现今飞行试验的重点已从飞机性能、结构转向航空电子综合试验。综合航空 电子系统的飞行试验架次和小时数已占整体的一半以上。以美国f 一2 2 飞机为例： 投入的9 架试验机中有6 架用于航电综合、隐身特性及武器系统的综合试验上。 现在飞机综合性提高，功能增强，飞行试验的测试参数剧增，目前一架新机的被 测参数都在4 0 0 0 个左右。同时随着航空技术的发展，先期技术演示验证试验在 试飞中的作用和比重越来越突出，因此，科研试飞( 预研试飞和验证试飞) 是至关 重要的。地面仿真、空中糟飞、技术验证、预研攻关、系统综合鉴定、定型是现 代试飞的特点。 飞行测试是一种集合飞机在飞行时的各种信息和数据的过程，通过它可以精 确地描述飞机的特性，同时还能准确地预测和优化未来飞行任务所面临的问题； 另一方面通过飞行测试收集到的重要信息可为将来设计安全、可靠的飞机提供帮 助。飞行测试的目的就是集合飞机及其子系统的飞行特性数据，然后在地面作分 析和处理这些数据的过程，此过程始于安装在飞机上的各种传感器，这些传感器 大多是用来测量压力、位置、温度、速度、负荷和视频等。从传感器出来的电信 号都要进入放置在机体内的信号调理器，信号调理器将各种信号调理为一种统一+ 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 _ _ _ e t 口- _ _ _ _ 自_ - _ _ _ 日l _ _ e g e | e 口! ! ! ! l 目| ! | e _ e _ _ _ _ _ 一ii _ _ 目j e e z = 目! _ e # ! 的格式再经过复用、转换、数字化、a d 变换、时码的发生和p c m 调制等。 机载数据采集记录系统是飞行试验过程中不可缺少的一个设备。目前机载 数据采集系统的功能不断完善，呈现出综合化、系统化、多功能化的特点。新研 制的系统将采集、显示、记录功能合为一体，体积小、重量轻、方便外场工作使 用。系统的采集对象主要是一般试飞中最普遍使用的模拟量信号、开关量信号、 频率信号，还要加入时间信息。采集后的信号，经调解、a d 转换形成p c m 信息 流信号，记录在方便拆卸的介质中”3 。另外机载数据采集器通常还有一个鼹示器， 能同时显示多路数据和系统信息，以便进行放飞前的参数零位检查以及传感器的 检查、校准、标定等。机载数据采集记录系统过去都采用以磁带为记录介质的磁 带记录仪，这种记录仪往往造价很高，其容量和比特率受到磁带的制约。当前， 随着计算机的高速发展，磁盘和固态存储技术的不断提高，机载磁带记录仪已逐 渐被磁盘和固态记录仪所取代，这两种纪录已具有造价低、易扩展、容量大和数 据交换方便等优势，受到了国际飞行测试界的青睬。 1 3 课题提出意义及主要研究工作 本文针对设计机载数据采集记录系统这一课题，研究了基于嵌入式f i u x 及 其在a r m 内核的处理器上的实现技术。 经过考察和研究，我们决定选用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器，它粟用 a r m 9 2 0 t 内核，属于专门用于工业控制的a r m 芯片，目标应用在需要商性能的地 方，同时它从芯片级扩展出来的众多接口也是我们所必需的。该系统硬件采取“核 心板底板”设计思路，扩展了平台的通用接口，为以后产品开发提供了稳定、 经济而又方便的平台。l i n u x 操作系统，是开放源代码的操作系统，软件资源丰 富，同时具有内核功能强大、高效、稳定，支持a r m ，驱动丰富，系统大小、功 能都可定制等诸多优点。通过选用a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片加l i n u x 操作系统，大大提 高了系统的可靠性和稳定性，同时也降低了系统的开发难度。 论文的结构安排如下： 第一章介绍嵌入式系统及航空测试系统，明确了本论文的研究工作和意义。 第二章详细分析系统的功能需求和技术指标，并在此基础上提出系统总体 设计方案。 第三章介绍a r m 微处理器及a r m 9 2 0 t 核的工作原理。在此基础上介绍本系 统核心处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 及其片内外围。 第四章详细介绍了本系统的硬件电路设计，包括基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的核心 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 板、扩展底板、基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的数据采集模块及系统其他模块。 第五章详细介绍了本系统的软件设计，包括l i n u x 开发环境的建立、内核 和文件系统的移植、系统主软件工作模块及工作流程。 结束语是对本论文的相关工作所做的总结。 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章机载数据采集系统的总体方案设计 第= 章帆载数据采集系统的总体方案设计 随着计算机、网络、微电子技术的飞速发展，现代飞机上各种机载设备特别 是电子设备、航电系统的复杂度越来越高，飞机试验中要求测试参数的种类、数 量越来越多，而对飞行试验周期要求则越来越短。因此，对机载测试系统的可靠 性、智能化程度、体积、采集参数的数量、精度、采集率及各通道之间时间相关 性要求越来越高。为了适应现代飞行试验的要求，各种先进的机载数据采集记蒙 系统也不断涌现，本文介绍的是一款自主研发的基于a r m l i n u x 平台的机载数 据采集记录装置。 2 1 机载数据采集系统的基本功能 2 1 1 采集记录功能 本系统为机载装置，主要对惯导系统、大气机等输出的数据进行实时采集、 显示、记录。采集的数据类型包括：a r i n c 一4 2 9 总线数据、r s - 2 3 2 总线数据、r s 一4 2 2 总线数据、以太网数据、三相同步器模拟量信号、直流模拟量信号、离散量信号、 频率信号等。 2 1 2 时统功能 具有标准时钟( u t c 时或北京时) 功能，并且按此时问为采集数据打时标。 整个系统的同步时钟来自于g p s 接收机。 2 1 3 固化操作模式功能 系统正常工作完全通过固定按键固定操作程序进行操作控制。当系统启动以 后，将进入开始采集前的参数配鬣，包括对模拟信号的采集通道、增益，离散量 的采集通道，g p s 接收机所接收的信息等一些内容进行设置，设置完成后启动采 集过程。整个采集过程自动完成，无需人工干预，所采集到的数据自动存贮在电 子硬盘中，可随时进行下载分析。 西北工业大学硕士学位论文第二章机载数据采集系统的总体方案设计 21 4 设置更改功能 用户可通过更改系统设置，以适应测试对象的变化或测试要求的变化，如 测试通道的增减、通信协议的改变、信号特征的改变、采样率的变更等。 2 2 机载数据采集系统的主要技术指标 2 2 1 采集能力 a r i n c 一4 2 9 总线数据6 路接收，速率1 0 0 kb p s 或1 2 5 kb p s r s - 4 2 2 总线数据2 路，速率最大1 9 2 0 0b p s r s - 2 3 2 总线数据2 路，速率最大9 6 0 0b p s 三相同步器( a r i n c 一4 0 7 规范) 模拟量信号3 路 直流模拟量信号5 6 路，其中： l0 路模拟量范围+ 5 v 一5 v l o 路模拟量范围+ 3 0 v 一3 0 v 3 6 路模拟量范围+ l o v 一l o v 、+ 2 0 v 一2 0 v 可调 注：双端输入形式8 路( 范围+ i o v 一l o v ) ，其余为单端输入形式 离散量信号6 4 路，其中： 8 路+ 2 8 v 悬空形式 2 8 路+ 2 8 v 1 接地形式 2 8 路悬空接地形式 2 2 2 采集精度 总线数据采集误码率：l o 。 模拟量数据采集精度：5 2 2 3 时统精度 时钟精度：0 1 m s 数据同步精度：4 0 1 m s 西北：i = 业大学硕士学位论文 第二章机载数据采集系统的总体方案设计 2 2 4 存储容量 8 g 。 记录单元的存储器为电子硬盘形式( 存储单元为孔a s h 闪存器) 。记录容量 2 2 5 工作环境 工作温度：一3 0 * ( 2 7 0 ( 其中液晶显示屏的工作温度为一2 0 。c - - 5 5 。c ， 当进行环境要求较高的试验时，需将液晶显示屏取下) 储存温度：- 4 5 8 5 工作湿度：9 0 3 储存湿度：2 0 9 5 振动、冲击及电磁兼容满足运输机机载环境使用要求 2 3 机载数据采集系统的实施方案 2 3 1 平台选择 由于本系统为机载设备，对可靠性有较商的要求，为了提高系统的可靠性， 硬件设备要尽可骀紧凑，应选择具有丰富接口的处理器、控制器作为本项目的核 心，使外围电路尽可能减少，嵌入式( e m b e d d e d ) 设计是应用系统的必然选择。 ( 1 ) a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器 主控处理器在很大程度上决定了系统的性能，经过综合考虑，从众多的a r m 芯片中，我们选用a t m e l 公司的a t 9 1r l d 9 2 0 0 片上系统为主控制器，它采用a r m 9 2 0 t 内核，属于专门用于工业控制的a r 芯片，目标应用在需要高性能的地方。有较 宽的工作温度以及其它比较好的工业参数，同时它从芯片级扩展出来的众多接口 也是我们所必需的。其性能参数如下： 高速指令：在1 8 0 m h z 主频下高达2 0 0 m i p s 内带1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 的指令c a c h e 外部总线接口e b l 支持s ) a m 、s c a m 、b u r s tf l a s h t e m o r y 、c f 卡、s m 卡 七个外中断、一个快速中断、八个优先级的先进中断控制器( a i c ) 两个u s b 2 0 主机口和一个u s b 2 0 设备口 1 2 西北= e 业大学硕士学位论文 第一：章机载数据采集系统的总体方案设计 4 _ 目目_ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - i - l _ _ - j l ! 日_ e i _ i g 日! j - e _ _ _ _ e 目# l _ _ - _ _ _ 日_ _ j = ! 目_ _ - _ 自= 一 一个l o l o o m b p se t h e r n e t 网通信接口 4 个同步异步串口( u s a r t ) 独特的外设数据控制器( p d c ) ，可支持多达2 0 路d m a 数据传输 多种串行数据通路：s p i 、t w i 、m c i 等 工作温度：一4 0 8 5 从上面的参数可以看出，a 1 1 9 1 r m 9 2 0 0 非常适合我们的系统要求。 ( 2 ) 开放源码的嵌入式多任务操作系统 本系统所要完成的功能复杂，程序庞大，需要管理的外设很多，只有拥有嵌 入式多任务操作系统，拥有稳定工作的硬件基础，开发的工作重点才能放在对j 二 应用系统的性能提高、智能化软件的编写。此外，只有在一个完整的、具有统一 编程规范的操作系统基础上，使用高级语言开发出的应用程序，才可能具有良好 的可移植性，万可能被重复利用。嵌入式多任务操作系统是实现现代实时测控系 统开发平台的唯一途径。操作系统与模块化硬件设计结合起来，共同构成一一个可 以重复利用的软硬件数据系统平台，除了可以最大限度地提高开发效率、减少资 源浪费外，还可以通过长期对于该平台的研究，逐步优化平台软硬件资源，提高 其性能，并满足日益复杂的应用需求。 目前大多数商用嵌入式操作系统出于商业利益的考虑，除了使用该操作系统 的每件产品要收取版税以外，要么只提供操作系统核心部分二避制文件，要么源 代码的收费十分昂贵，对于此类操作系统的使用者来讲，几乎无法拿到操作系统 的源代码。这样，一方藕新产品的进一步发展受制于人；另一方面对于嵌入式应 用系统容易出现隐患，无法从根本上避免“后门”。只有对开放源码的操作系统 进行不断的理解、改造、优化，才有利于开发出高效稳定的嵌入式系统。 对于小型实时测控系统来说，源代码公开的、具有很好可移植性的、可固化 可裁剪的、高稳定性与可靠性、抢占式多任务的l i n u x 非常适合。 2 3 2 系统组成 我们所设计的这套系统是为了实现航空飞行试验中实验数据采集和保存的 一个机载嵌入式设备。在设计的过程中，必须充分了解作为核心控制单元的a r m 芯片的资源，根据微控制器的外围电路要求和系统功能要求，做出最优的系统方 案。基于可重用的思想，整个平台分为核心板和底板两个部分，核心板承载a r m 最精简系统。把有用的信号线( 如地址线、数据线及各类控制线) 通过端子引出， 底板可按照具体的应用需要进千亍设计。 西北工业大学硕士学位论文 第二章机载数据采集系统的总体方案设计 核心板主要包括运行个a r m 系统所必须的一些基础电路，如：c p u 、s d r a m 、 f l a s h 等。设计的底板主要包括以太网日、串口、u s 8 、液晶显示等凄口，两者 结合成为一块完整的a r m 实验板。图2 一l 是系统总体方案的组成框图。 底板 圈 i 一 图2 - 1 系统整体框图 整个系统的结构设计和硬件设备的选用充分考虑了记载环境下的特殊要求 和当前的技术水平，具有很高的稳定性和可靠性。 2 4 本章小结 本章蓖先提出了基于a r m l i n u x 平台的机载数据采集记录装置的鼙本功能 和主要技术指标，然后在此基础上设计了该系统的最优整体方案设计。 西北工业大学硕士学位论文 销三章开发平台核心处理器a r m 概述 第三章开发平台榱心处理蠢a 附概述 本章对a r m 微处理器、a r m 技术的基本概念做了一些简单的介绍。介绍了 a r m 9 2 0 t 微处理器核、a t 9 1 r w l 9 2 0 0 及其片内外围，给出了硬件核心芯片选型的理 论依据。 3 1a r m 微处理器概述嘲 3 ，1 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h if i t , 、s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英