数据采集装置嵌入式ARM9核心板的设计与实现

1、数据采集装置嵌入式ARM9核心板的设计与实现 学校代号： 10532 学 号： S08093018 密 级： 湖南大学硕士学位论文 数据采集装置嵌入式ARM9核心板的 设计与实现 Y 川川I 9四0四6伽52- The andRealizationof Design theEmbeddedARM9CoreBoardofthe Data Device Acquisition by ZHANGLixia BE HunanUniversity 2008 Athesis submittedin satisfactionofthe partial forthe of Requirements degre

2、e Masterof Engineering ElectronicScienceand Technology inthe GraduateSchool Hunan University Supervisor Associate ProfessorWu Guiqing ApnJ，2011 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本系统的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

3、作者签名： 缢即霞 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密囹。 请在以上相应方框内打“” 日期： 年 月 日 们托 日期： 年 月 殇翟讯 数据采集装置嵌入式ARM9核心板的没计j实现 摘 要 随着经济的发展和工业化进程加快，大型设备能否正常运作成为生产

4、安全、加快科 技进步、节约维修成本的关键因素，设备状态监测与故障诊断技术应运而生。它可以确 定设备工作是否正常，能早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势，正确运用可 以带来明显的经济效益和社会效益。 本文结合嵌入式技术和无线通讯技术，根据设备监测系统的现状和实际需求，给出 操作系统的无线通讯核心板。该核心板主要负责对前端采集的数据排列、打包并通过 ASUS WLl67G无线网卡以TCPIP协议发送到监测工作站，进一步分析处理。 本文详细地阐述了核心板的硬件实现过程，以及各个模块的设计电路原理图。核心 口、LCD接El和各种调试口都放在底板。本文重点描述了Linux操作系统的移植过程， 无线

5、网卡的初始化，打开与关闭，数据的发送与接收等，并对开发驱动过程中的关键技 术进行了阐述，最后编译、移植了USB无线网卡驱动。 Linux操作系统的无线通讯核心板应用于岳化热电事业部汽轮发电机组设备监测系统 中，进行带宽测试。实践结果表明，该核心板工作正常，完全可以满足工业生产要求， 外型更加小巧，方便，并且可以通过无线网卡快速传输数据，扩大了设备监测系统的适 用范围。 关键词：设备监测系统；核心板；AT91SAM9263；Linux；USB无线网卡 II 一一_一一一一 硕十学位论文 Abstract Witheconomic acceleration oftheindustrializati

6、on development，the normal process，the of the hasbecamea in operationlargeequipments factor key safety up scientificand and maintenancethenthe technologicalprogresssaving costs，and equipment condition andfault is forwardIt monitoring diagnosis candeterminethe technologyput arenormalor detectthefaults

7、andthecausesand equipments abnormal，to forecastthe early trendoffailureItCan development bring economicandsocialbenefitsifitisused significant correctly Theoverall ofthecoreboardofthedata devicehas designplan acquisition been andawirelesscoreboard proposed basedonAT91SAM9263 andLinux microprocessor

8、hasbeen inthis tothe operatingsystem currentsituationand designedpaperaccording practical needsofthe withembedded equipment system，combined andwireless monitoring technology communication coreboardis for and technologyThe mainlyresponsible arrangementpackage ofthe front。endcollecteddataand thedatato

9、the station sending ASUS monitoringthrough WL-167GwirelesscardwithTCPIP tofurther and thedata protocol analyze process The hardware ofthecore implementationprocess boardandthe ofeachmodule design circuit aredescribed indetailinthisarticleThecoreboard diagram consistsoftwo parts：the minimumoftheAT91S

10、AM9263 system and of microcontroller,Flash，SDRAM memorypart 1 the0100ethernetinterfaceare ona highlyintegratedboard；external expanding as USBinterface interfaces，such circuit，touchscreeninterface，LCDinterfaceanda of variety interfaceonthebottomboardThefocal debug placed discussionhasbeen onthe point

11、 put of Linux inthisarticleThedivisionof process ofthe migratingoperatingsystem storagespace AT91SAM9263microcontrollerisintroducedThe of UBootand processbootloader the the 1 AT9SAM9263microcontroller BootStrap starting is boot exploredThe and embedded Linux kernel BootStrap and operatingsystem are

12、and and dataoftheUSB openingclose，sendingreceiving wirelessnetworkcardarealso realizedinthis onthe ofthe paper,basedanalysisarchitectureofthedriverinembeddedLinux of driverare USB operatingsystemThekeytechnologiesdeveloping wirelessnetworkcarddriveriS and transferredtothecoreboard compiled Afterthe

13、functiontestsoftheserialandUSBinterfacesinthe coreboard，thewirelesscore boardbasedontheAT91SAM9263andLinux is inturbine processor operatingsystems applied online in generator ThermoelectricDivision and equipmentmonitoring the system Yueyang III bandwidthtestiscarried outThe showsthat thecoreboard pr

14、actice works the ofindustrial meeting more requirements production，becoming data thewireless transferingthrough networkcardand the ofthe expanding application scope equipment monitoringsystem KeyWords：Equipment MonitoringSystem；Core WirelessNetwork Card IV 硕。 ：学位论文 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书。I 摘要II A

15、bstractIII 第1章绪论。1 11课题背景与意义1 12研究现状与发展趋势：3 13本文主要研究内容。4 14本文结构5 第2章嵌入式核心板总体设计。6 21嵌入式核心板功能需求6 22嵌入式核心板的总体设计7 23嵌入式Linux的架构分析。8 24本章小结10 311主控微处理器简介11 312时钟电路设计13 313电源电路设计13 314复位电路设计14 315Flash存储器接口电路设计。14 316SDRAM存储器接口电路设计15 317以太网接口电路17 318扩展接口电路18 32底板设计19 321底板电源电路设计19 322 JTAG调试端口设计19 323RS23

16、2接口电路设计20 324USB接口电路设计20 325IIC总线接电路设计21 326触摸屏接口电路设计22 327 LCD接口电路设计22 V 数据采集装胃嵌入式ARM9核心板的设计j实现 33PCB的制作23 34本章小结24 第4章嵌入式Linux操作系统的构建25 41嵌入式Linux操作系统介绍25 42 421存储空间的划分。27 422 423 424 425BootLoader配置33 43Linux操作系统的裁剪与移植33 431Linux内核的模块结构34 432内核的加载机制36 433Linux内核的移植。37 44Linux根文件系统制作40 45文章小结40 51

17、Linux设备驱动介绍42 52USB无线网卡驱动体系分析钙 521USB驱动体系分析43 522网络驱动体系分析44 523USB无线网络驱动体系分析44 53USB无线网卡驱动设计与移植45 531USB无线网络驱动设计45 532驱动程序关键代码研究。48 533无线网卡驱动程序移植49 54本章小结50 第6章嵌入式核心板功能测试51 6。1串口测试51 62USB钡l试!；】【 63无线网卡通讯测试52 64带宽测试53 65本章小结54 总结与展望55 参考文献56 硕l：学位论文 致 谢。59 附录A攻读学位期间发表的学术论文。60 附录B攻读学位期间参与的科研项目。61 Vll

18、 硕I：学位论文 第1章绪 论 11课题背景与意义 随着现代测量技术的迅速发展，设备状态监测与故障诊断技术应运而生，它是一种 了解和掌握设备使用过程状态的技术，并可以确定当前设备是否发生某些故障，并能及 时找出原因，从而避免不必要的事故发生，例如工作人员的伤害、对环境的破坏和经济 损失等。由于设备监测系统可以发现设备的某些故障，所以对设备的工艺改造起到很大 的促进作用，从而避免更多的事故的发生。 设备监测系统的性能好坏直接关乎于各个工厂单位的效益，甚至某些关键的设备的 监测直接决定了各个工厂单位的命运。如果这些关键的设备监测出现问题，则对各个工 厂单位的影响将不可估量。长期以来，由于无法预知事

19、故的发生，不得不采取两种对策： 第一种方法是事后维修，经济损失很大，因为要等设备运行到破坏为止，其需要昂贵的 维修费用甚至需要更换设备，工程量大，维修时间长。第二种是定期检修设备，按照一 定计划性来预防事故发生，但如无故障，则经济上损失很大。因此，应该在设备故障出 现的早期就监测隐患，提前预报，以便适时、合理地采取措施。 设备状态监测及故障诊断技术日益受到各国专家学者的重视，并被广泛用于行业的 大型、高速旋转机械的监测中，对延长设备的检修周期、提高生产效率、预防事故、保 障人身和设备安全都起着重要的作用，国内外的实践表明【1,21，以设备状态监测和故障 诊断技术为基础的设备预知维修，能够克服传

20、统的设备维修制度造成的生产效率低下和 维修费用浪费等缺点，并取得了显著的经济效益l引。 由于设备状态监测与故障诊断技术的难度，不论是国内，还是国外，除个别项目以 外，大多还不很成熟，仍处于研究发展阶段。国外对设备状态监测与故障诊断技术的研 究，始于60年代。各发达国家都很重视。但直到7080年代，随着传感、计算机、光纤 等高新技术的发展与应用，设备在线诊断技术才真正得到迅速发展141。90年代初期，国 外率先研制出各种大型旋转设备的在线状态监测系统。在线系统具有代表性的产品是美 Nevada公司的DDM，TDM和PDM系统，美国Scientific INBently M800系统，这些系统广泛

21、应用了多微机处理技术，能独立承担各种大型机组的连续在 线状态监测和故障诊断任务，国外一些著名设备监测系统生产厂家已经相继推出计算机 网络化的机器在线状态监测系纠列。 我国对设备监测系统的认识开始于20世纪中期，60年代就提出过不少带电试验的方 法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广，80年代以来，随着高新技术 的发展与应用，我国在设备在线监测技术也得到了迅猛发展，设备在线监测系统才开始 应用于石化、冶金及电力等行业，进入20世纪90年代后，迅速渗透到国民经济的各个主 数据采集装置嵌入式ARM9核心板的设计与实现 要行业。 一个大型的设备监控系统，通常由嵌入式采集装置、服务器、监控工

22、作站等几大部 分组成。如图11所示。采集单元对传入的监测信号进行滤波、积分放大、AD转换后， 数据传递给监测工作站，监测工作站对接受到的数据进行分析处理，然后把分析处理好 的数据统一存储到远程的数据库服务器上。企业网用户直接使用浏览器访问Web服务 器就可以迅速获取现场设备的运行情况。这种方式有利于设备维护管理和生产调度，系 统可根据需要向其他应用提供应用接口。由于采用浏览器Ha务器设计方案，任何一台计 算机只要装有浏览器，就可以实时访问Web服务器，从而实现远程监测。 传感器 感器 传感器 感器 传感器 图11设备监测系统结构图 作为设备状态监测与故障诊断的前端设备，数据采集装置核心板的重要

23、性不容忽 视。它负责数据处理与上位机通讯，对于故障的判断和信息反馈提供可靠的依据。当前 无线网络技术与微电子技术的发展为研发新一代数据采集装置核心板提供了广阔的空 间。 目前设备状态监测系统数据采集装置的核心板一般使用的是MCF5272处理器， 且存在数据传输效率不能满足工业要求等问题。 另外，以往设备监测系统数据采集装置的核心板一般采用有线电缆通讯，即监测信 号经过调理电路和采集板处理后，在核心板上打包后的数据包，通过连接在核心板的电 缆线传输到上位机，控制命令也要通过电缆线传输到核心板，以完成相应作业。 这种有线监测系统虽然能够一定程度上满足企业信息传输的需要，但是当控制监测 室和现场数据

24、采集器相距很远时，如果通过一定数量的电缆来完成传统的状态监测系统 2 硕卜学位论文 中上位机、现场数据采集器之间的信息传输，就会以下缺点： 1 建设工程周期长。当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时 候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期 可能就需要数个月的时间。 2 适应性差。有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到特殊的地 域或者是移动的设备的时候，布线比较困难，将大大研制了有线连接的布局。 3 扩展性差。在设备监测系统建好现有通讯网络之后，常常因为工厂的布局改变或实际 生产的需要改变线路或者是增加其他设备。如果采用有线

25、方式连接，必须进行新的设 计布局，工程量十分巨大，并且之前的通讯线路需要拆掉。 4 设备维护难。有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故 障点。 随着嵌入式技术的发展，它的应用也越来越广泛。嵌入式系统是以应用为中心，以 计算机技术为基础，并且其软硬件均可裁减。它大多工作在为特定用户群设计的系统中， 具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成 在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟无线网络 的耦合也越来越紧密。无线网络技术是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，是有 线网络的扩展和替换。而随着其技术的成熟，安

26、全性和稳定性也提高了很多，完全可以 达到有线网络的带宽。因此，加强对嵌入式系统和无线通讯技术的研究，对我国设备状 态监控行业今后的发展有着重要意义。 12研究现状与发展趋势 数据采集装置的核心板是一个典型的嵌入式系统。嵌入式系统的出现是在20世纪60 年代末期。随着第三代计算机的出现，与计算机有关的软硬件技术取得了长足的进步， 并行处理技术、总线技术、通用寄存器技术及先进中断系统等都有了重大突破。 用，促成了一个庞大的嵌入式应用市场。在尽力满足各种不同应用的过程中，各个厂家 推出了具有不同处理能力和寻址能力的8位、16位、32位微处理器，它的性能越来越好， 理器对成本比较敏感，其主要定位于高端

27、市场112J。在嵌入式领域中，基于ARM体系结 构的嵌入式微处理器是使用最为广泛的处理器。ARM公司主要靠芯片设计技术的授权来 进行盈利。目前，采用ARM技术知识产权核的ARM微处理器，己经广泛应用于各种领 域，如无线系统、工业控制、通信系统、网络系统等1131。到目前为止，ARM公司推出 3 数据采集装置嵌入式ARM9核心板的设计与实现 多款产品，女IARM7、ARM9、ARM9E、lSa王MgE、secure 等11钔。嵌入式系统中不但微处理器速度越来越快，相应的存储技术也得到了极大发展， ROM和RAM存储器越来越便宜，性能越来越好。 近年来由于嵌入式系统的应用需求不断增长，无线联网成为

28、必然趋势。面向21世纪 的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种无线网络通讯接口。针对外部联网要求，嵌入 式设备必须配有无线通讯接口，以及相应的TCPIP协议栈支持。 无线数据通信技术主要有： 无线通信应用的最佳选择171。现有的工矿企业内部无线网带宽基本为53Mbps，数据的大 量传输已不成问题。 RT2573芯 口，其相比PCMCIA接口的无线网卡扩展更方便，因此，选用了基于Ralink WL-167G 片集的ASUS 输速度为54M。当前硬件条件下，设备监测系统核心板的较先进标准为：采用嵌入式CPU 具有该标准的设备监测系统用于测试领域，使设备监测系统更jJnd,巧、灵活，并且可以 实现信息

29、共享，降低设备监测系统的硬件费用，适用各种恶劣环境的工业现场，扩大了 现场监测系统覆盖面积。 13本文主要研究内容 本课题在设备状态监测与故障诊断领域研究分析的基础上提出，重点研究设备状态 监测与故障诊断的前端环节一核心板与上位机无线通讯，在此基础上提出了开发基于 有成果，具有开发速度快，成本低、性能高的优点，如果研制成功并投入实际应用，可 为企业提供便利的设备检测途径并节省大量检测费用，从而促进企业的发展和科技进 步。 另外，该装置采用Linux操作系统作为软件开发平台，由于Linux系统性能优越、源 码开放，近年来发展迅速，是嵌入式系统的发展趋势。设备驱动程序是Linux内核的一 部分。所

30、以本课题也具有很高的研究价值，对课题组在嵌入式领域的发展具有很好的促 进作用。 本论文的重点和难点就是以下三个方面的问题。 一 基于AT91SAM9263的嵌入式核心板设计方案、实现方法。 USB接口、网络接口、RS232接口等外围设备接口的底板。这样就具有与上位机通讯的 4 硕i：学位论文 硬件基础。 板中。 对内核进程裁剪、编译后移植到基于AT91SAM9263微处理器的嵌入式核心板。 三 USB无线网络驱动程序的设计实现 设计适合当前Linux操作系统内核版本的USB无线网络驱动程序，编译、移植到基 心板与上位机通讯的软件基础。 14本文结构 本文的结构和主要内容安排如下： 第1章，绪论。主要论述了课题的选题背景及项目的实际应用价值，分析了数据采 集装置核心板的嵌入式技术和无线通讯技术的研究现状和发展趋势，结合当前设备监测 系统的应用现状，提出了将嵌入式技术和无线网络技术应用到设备监测技术的课题。介 绍了项目的重点研究内容及本文的研究内容。 第2章，嵌入式核心板的总体设计。结合嵌入式核心板的需求分析，给出了设备监