基于ARM11的多通道数据采集记录仪软件系统设计与实现--《西安电子科技大学》2013年硕士论文
基于ARM11的多通道数据采集记录仪软件系统设计与实现
【摘要】：在现代化的自动测控领域中，数据采集是不可或缺的环节。传统的数据采集仪器通常是为某种特定对象而设计的、采集的通道数不多、每个通道可测量的信号类型是固定不变的、虽有数据采集能力却无控制能力，仪器的功能、采集速率和测量精度等相对于飞速发展的智能仪表行业来说已经落后了。
针对传统数据采集仪器的不足和目前工业现场测控对象复杂化、控制多样化的特点，提出了基于ARMLinux的多通道数据采集记录仪的研发课题。本论文将围绕着这样一种通用的、多通道的、高性能的、高精度的数据采集记录仪系统，从课题研究的背景与意义、软硬件的选型和总体方案的设计、硬件开发平台的介绍、软件开发平台的搭建、图形用户界面和应用程序的设计到系统调试等方面展开详细的论述。
该采集记录仪系统具有16个模拟量采集通道（每个通道都可对标准电压/电流、热电偶、热电阻等不同类型的信号进行采集）、4路标准电流（4～20mA）输出、4路开关量输出、数据处理、存储和显示能力和组态触控屏配置界面，是一个比较完整的测控系统。具体地说，系统分为下位机数据采集板和上位机主控板两部分，二者之间通过Modbus RTU模式串行通信协议和RS-232/RS-485总线进行通信。下位机主要完成模拟信号的采集、开关量输出和数据发送等任务；上位机则利用在基于C++语言和信号与插槽机制的Qt集成开发环境下开发的图形用户界面和Modbus通信协议、SQLite3嵌入式数据库、LZSS数据压缩算法、多线程机制等应用程序，实现数据接收、数据分析和处理、异常报警、数据存储、组态配置、历史数据回放等功能。由于本论文作者重点负责系统软件部分的研发，因而论文的系统调试部分也主要是对软件部分的测试结果相应说明。
论文的最后总结了课题设计的主要内容、提出了系统存在的不足之处并给出了进一步开发的建议。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TP274.2【目录】：
摘要3-4Abstract4-10第一章 绪论10-16 1.1 课题研究的背景10 1.2 数据采集记录仪国内外的发展现状与趋势10-12 1.3 课题研究的意义12-13 1.4 课题研究的主要内容13-16第二章 数据采集记录仪的总体设计方案16-30 2.1 嵌入式系统及其开发流程16-17 2.2 系统的需求和性能指标17-19 2.3 系统硬件的选择19-21
2.3.1 嵌入式处理器的选择19-20
2.3.2 嵌入式硬件开发平台的选择20-21 2.4 系统软件的选择21-24
2.4.1 嵌入式操作系统的选择21-23
2.4.2 嵌入式 GUI 开发工具的选择23-24 2.5 系统硬件模块的设计24-27 2.6 系统软件模块的设计27-28 2.7 本章小结28-30第三章 数据采集记录仪的硬件开发平台的介绍30-44 3.1 TE6410 开发平台资源30-31 3.2 ARM11 微处理器——S3C641031-32 3.3 开发平台硬件功能模块32-42 3.4 本章小结42-44第四章 系统软件开发平台的搭建44-88 4.1 嵌入式系统的软件开发模式和流程44-45 4.2 交叉编译工具链的建立45-47 4.3 Bootloader 的编译47-50 4.4 内核的编译50-54
4.4.1 内核的功能50-51
4.4.2 源码目录51-52
4.4.3 内核源码编译52-54
4.4.3.1 配置内核52-54
4.4.3.2 编译内核54 4.5 根文件系统的建立和烧写54-57
4.5.1 嵌入式 Linux 的文件系统54-56
4.5.1.1 基于 Flash 的文件系统55-56
4.5.1.2 基于 RAM 的文件系统56
4.5.1.3 网络文件系统56
4.5.2 根文件系统的目录结构56-57
4.5.3 yaffs2 文件系统映像的制作57 4.6 一键烧写 Linux57-63
4.6.1 制作一键烧写 Linux 的 SD 卡58-60
4.6.2 烧写 Linux 到开发板的 NandFlash 中60-62
4.6.3 坏块的处理办法62-63 4.7 NFS 挂载网络文件系统63-66
4.7.1 准备 NFS 文件系统目录63-64
4.7.2 挂载根文件系统到宿主机64-65
4.7.3 挂载目录到主机65-66 4.8 VMware 自带共享功能的建立和使用66-68 4.9 ftp 服务的建立和使用68-73
4.9.1 设置 Ubuntu 网络参数68-69
4.9.2 安装 Ubuntu 的 vsftpd69-70
4.9.3 安装 Windows XP 的 FTP 客户端工具70-73 4.10 Samba 服务的建立和使用73-74 4.11 QT/Embedded 开发环境的构建74-86
4.11.1 Qt 介绍74-75
4.11.2 Qt 的开发环境75-76
4.11.3 Qt 的实用工具——qmake76
4.11.4 Qt/Embedded 信号和槽机制76-77
4.11.5 Qtopia4.4.3 和 Tslib 的编译77-79
4.11.5.1 Tslib 的编译77-78
4.11.5.2 Tslib 的配置78-79
4.11.6 Qtopia4.4.3 的编译79-80
4.11.7 Qt/E4.7 的编译80-81
4.11.8 Qt Creator 集成开发环境的建立与使用81-85
4.11.9 Qwt-6.0.2 的安装85-86 4.12 本章小结86-88第五章 多通道数据采集记录仪的软件设计88-126 5.1 图形用户界面的设计88-92
5.1.1 图形用户界面(GUI)的设计原则88-90
5.1.2 图形用户界面的模块构成与实现90-92 5.2 系统的主程序开发92-93 5.3 应用程序的开发93-124
5.3.1 串口属性的设置及使用93-97
5.3.2 Modbus 通信协议97-109
5.3.2.1 Modbus 协议介绍97-98
5.3.2.2 Modbus RTU 通信结构模型98
5.3.2.3 Modbus RTU 串口通信参数和位序列98-99
5.3.2.4 Modbus RTU 的消息帧格式99-103
5.3.2.5 Modbus RTU 协议的功能码定制103-107
5.3.2.5.1 正常响应103-106
5.3.2.5.2 异常响应106-107
5.3.2.6 Modbus RTU 主机的设计107-108
5.3.2.7 Modbus RTU 从机的设计108-109
5.3.3 数据库109-116
5.3.3.1 SQLite 数据库的概述109-110
5.3.3.2 SQLite 数据库的体系结构110
5.3.3.3 SQLite 数据库的安装110-112
5.3.3.4 SQLite 数据库支持的字段数据类型112-113
5.3.3.5 SQLite 数据库存储数据的约束条件113
5.3.3.6 SQLite 数据库支持的基本命令113-114
5.3.3.7 SQLite 的 API 函数114-116
5.3.4 多线程开发116-119
5.3.4.1 线程的创建与退出116-118
5.3.4.2 线程之间的互斥118-119
5.3.5 数据压缩119-124
5.3.5.1 数据压缩技术119
5.3.5.2 数据压缩的基本算法119-123
5.3.5.3 数据压缩算法的选型123-124 5.4 本章小结124-126第六章 系统测试与分析126-138 6.1 系统测试的概述126-127 6.2 触摸屏的测试127-128
6.2.1 触摸屏的校准与重新校准127
6.2.2 修改 LCD 分辨率127-128 6.3 图形用户界面测试128-136 6.4 系统联机测试136-137 6.5 本章小结137-138第七章 总结与展望138-142 7.1 工作总结138-139 7.2 研究展望139-142致谢142-144参考文献144-146附录146-147
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Measurement Computing公司推出LGR-5320系列——独立的、多功能数据采集记录仪.这种新的数据采集设备允许客户在没有电脑的情况下采集高速模拟和数字数据. &&&&
LGR - 5320具有16位分辨率,16个模拟和16个数字输入和4个编码器输入,执行高速测量,可高达200 KS/S,直接存储到SD卡.利用先进的模拟和数字触发选项,用户可以采集数据和相关事件,无需其他设备.LGR – 5320免费配备易于使用的DAQLog?软件,可通过USB接口或者SD卡配置设备和读取已采集数据.每个设备包括一个4 GB的SD卡,最大可扩展到32 GB.LGR – 5320为用户提供了更为灵活,便利方案.访问或者嘉兆网()获取更多信息.
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> 高速信号采集记录仪设计
高速信号采集记录仪设计
摘要：针对高速信号实时采集存储的需求，设计了一种高速信号采集记录仪。记录仪通过高速A/D转换器对信号进行采样，并实时存入NAND
FLASH存储阵列中。为提高数据存储速率，综合采用并行总线、交错双平面页编程、多级流水线等技术，大幅提升FLASH的写入速度。记录仪可实现8bit、200MSPS的采样速率，并可将速率为200MB/s的采样数据实时存储。本文引用地址：关键词：;;0 引言目前在各工业领域对数据采集存储的需求越来越多，对采集速率和存储速率的要求也越来越高。特别是在航空航天领域，经常要对高速信号进行采集，并将采集数据实时存储在非易失存储器之中，以便事后分析处理。为满足需求，本文提出一种高速信号采集记录仪的设计方法。采用高速A/D转换器对输入信号进行200MSPS的，然后将采样数据实时存入
FLASH存储阵列中。综合采用了并行总线、交错双平面页编程、多级流水线等技术，大幅提升FLASH的写入速度，从而实现200MB/s采样数据的实时存储记录。1 系统组成及工作原理1.1 记录仪系统组成图1为记录仪系统组成框图，记录仪电路系统主要由FPGA电路、时钟电路、高速采集电路、电路、电源电路、其他外围电路等组成。PGA选用Xilinx公司的XC4VSX55，PLL时钟芯片选用TI公司CDCF5801A，A/D转换器选用TI公司ADS5547，NAND
FLASH存储芯片选用三星公司K9WAG08U1A，USB控制芯片选用CYPR ESS公司CY7C68013A。1. 2 记录仪工作原理系统的工作原理为：上电后，FPGA首先读取NOR FLASH中存储的NAND FLASH坏块信息，在内部RAM中建立坏块表，之后每次需要对NAND
FLASH进行读写操作之前，都要先查询坏块表，若准备操作的块为坏块，则跳到下一块继续查询，直到找到好块才进行操作。当需要采集记录信号时，先通过外接的键盘和LCD显示模块设置采样参数。然后记录仪接收到启动信号后开始进行采样记录，需采样信号从SMA接口输入后经过差分放大器转换为差分信号，然后进入A/D转换器进行200MSPS采样，FPGA接收采样数据，采样4级流水线对NAND
FLASH存储阵列进行写入操作。此外FPGA还需完成对其他外围器件的控制。当需要上传数据时，FPGA将数据从NAND FLASH中读出，通过USB控制芯片将数据上传给上位机。2 关键技术2.1 高速A/D采样记录仪采用的A/D转换器为TI公司的14bit、210MSPS的高速A/D芯片ADS5547。系统中实际采用的采样时钟频率为200MHz，由50MHz晶振时钟通过CDCF5801A倍频产生。ADS5547采用的工作模式为LVDS
DDR模式，即在A/D输出时钟的下降沿传输采样数据的奇位，在上升沿传输采样数据的偶位，所以实际数据传输频率为400MHz，对于这种高速数据传输，在PCB设计时需注意7对差分数据线和1对差分时钟线保持等长，确保迹线传输延时相同。在FPGA数据接收模块的设计中，直接调用芯片中的IDDR原语，如图2所示，其在SAME
EDGE工作模式下的时序正好匹配ADS5547的数据输出时序，所以可将7路DDR数据转换为14bit并行数据，考虑到NAND
FLASH的写入速度，在存储时截取采样数据的高8位，这样需要存储数据的速率为200MR/s。2.2 高速数据存储记录仪采用的非易失存储器为三星公司的芯片K9WAG8U1A，单片容量为2GB。由于单片FLASH的存储容量和写入速度有限，所以使用了16片FLASH成存储阵列，总容量为32GB，并综合采用了并行总线、交错双平面页编程、多级流水线等技术提升写入速度。(1)并行总线为了提升数据吞吐量，将N片FLASH芯片的I/O并行操作，总线宽度增加为单片的N倍，并共用读写控制线，这样可将N片FLASH当做一片大位宽
FLASH同时进行读写操作，从而可以将写入速度提升至N倍。在该记录仪中，是将8片FLASH的I/O并行操作，每片FLASH的数据位宽为8bit，所以总位宽为64bit，写入速率可提高为单片的8倍。平均数据写入周期只需达到40ns即可实现200MB/s的数据速率，满足FLASH的25ns最小写入周期要求。(2)交错双平面页编程NAND
FLASH的写入操作是以页为单位进行的，称为页编程操作，分为两阶段进行。第一阶段为数据载入阶段，是将数据先写入到页寄存器中，第二阶段为编程阶段，是将数据从页寄存器中真正编程到FLASH的存储单元之中。数据载入页寄存器时最高速率可达到40MB/s(单片)，但数据编程阶段所需时间为
200～700&s，若等待一页编程完成之后再进行下一页数据的载入会严重降低数据写入速率。为充分利用编程阶段的时间，并且增加数据载入时间以便于流水线操作，采用了交错双平面页编程方法。每片K9WAG08U1A实际上是由2片K9K8G08U0A组成，而每片K9K8G08U0A又由2片K9F4G08U0A组成，每片
K9F4G08U0A又由2个2Gb的存储平面组成，每个存储平面有独立的2112字节页寄存器，因此可实现双平面页编程操作，而2片
K9F4G08U0A之间可以实现交替操作。K9K8G08U0A存储平面如图3所示，Plane0和Plane1组成第1片
K9F4G08U0A，Plane2和Plane3组成第2片K9F4G08U0A。当进行FLASH编程操作时，先发送双平面编程指令，然后Plane0和Plane1进行数据载入，载入完成后进入编程阶段。此时无需等待编程结束，直接对Plane2和Plane3继续进行数据载入，即可实现交错双平面页编程。操作时序如图4所示。(3)多级流水线运用交错双平面页编程方式后，可以连续进行4页的数据载入操作，但载入完成后整片K9WAG08U1A的4个平面都将进入编程阶段，无法继续进行操作。为了实现数据的连续载入，采用了多级流水线技术。实现流水线操作首先要对FLASH存储阵列进行分组。由于每片FLASH是由2片K9K8G08U0A组成，所以存储阵列可以看作由32片K9K8G08U0A组成，把每8片K9K8G08U0A分为一组，在读写时并行操作，这样整个存储阵列分为四组，如图5所示。流水线操作方法如图6所示。FLASH进行写入时，首先通过片选信号选中第1组FLASH，进行数据载入操作，载入完成后，该组FLASH进入编程阶段，此时切换片选信号，选中第2组FLASH，继续进行数据载入，依此类推。由于采用了交错双平面页编程方式，所以每个载入过程可以载入4页的数据，而采用并行总线之后，位宽为64bit，即每个写周期可写入8Bytes的数据，按照200MB/s的数据速率计算，每个载入阶段的时间为：当第4组FLASH的载入过程完成后，距离第1组FLASH开始编程时已过去983&s，大于最长编程时间700&s，所以第1组可继续开始数据载入操作。通过流水线操作，实现了数据的连续载入，从而大幅提高了写入速度，实现了200MB/s的数据存储速率。3 试验验证为验证记录仪的性能，进行了数据采集试验。试验中采用信号发生器产生周期为100ns的正弦信号输入记录仪，记录仪对其进行实时采集存储，采集时间为
5s，即产生的数据量为1GB。采集完成后，在上位机软件中发出上传指令读取FLASH中的数据，并通过USB接口上传到上位机形成二进制数据文件。然后截取其中的一段波形进行显示，如图7所示。在图中可以看到，正弦信号的每个周期对应20个点，而采样周期为5ns，所以20个点为100ns，与设置的信号周期相一致，说明记录仪实现了200MSPS的采样速率和200MB/s的数据存储速率。4 结论设计了一种高速信号采集记录仪，该记录仪可
实现8bit，200MSPS的采样率，并可对采样数据实时存储。其电路系统可由单板实现，具有体积小，便于携带和应用的优点。该记录仪适用于各种需要高速信号采集的场合，应用前景广泛。
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