通信工程《嵌入式系统》结课论文
基于嵌入系统的实时数据
采集
学生姓名：汪波 学生学号：20094074238
一.系统设计
实时数据采集系统 以DSP-ARM双核嵌入式系统为架构将高速的数字信号处理芯片ADSP-2191和高性能Samsung的S3C2410嵌入式处理器结合的全新嵌入式系统平台应用于实时数据采集的设计是十分理想的解决方案根据实时数据采集的实际要求可以把采集过程分为高速采集数据处理和系统控制三部分高速处理采用FPGA实现数据处理采用DSP来完成系统控制则由高性能ARM处理器和Windows CE.NET嵌入式操作系统来完成在Windwos CE.NET嵌入式操作系统平台上使用EVC (EmbeddedVisual C )编写应用程序完成波形显示和波形数据后续分析用户操作控制等任务通过DMA通道实现FPGA, DSP与ARM之间的高速数据传输从整体上提高系统的性能。
DSP-ARM双核嵌入式系统构架可以很好的满足实时数据采集的设计需求一方面由FPGA和DSP构成的高速采集和高速数据处理子系统可以满足数据采集时的实时性要求实现时的数据采集和处理;另一方面Windows CE.NET嵌入式操作系统和高性能S3C2410构成的系统控制子系统对数据采集的实时显示和复杂后续处理提供了很好的支持这种设计为未来数据采集设备向智能化小型化发展构建了一个有效的工作平台。
二.系统主机内部核心板的设计
实时数据采集系统主机内部主要分成核心控制电路 接口控制电路和电池供电三大主要部分核心控制电路主要是由S3C2410 芯片SDRAM 存储器Flash 存储器逻辑解码芯片组成接口控制电路主要包括一个接口芯片PNP 即插即用电源控制芯片PCMCIA 插座组成电池供电部分主要包括一个电池组电压变换芯片充电保护芯片滤波电路等部分组成。
图1核心板电路结构图
S3C2410 微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能具有以下特点：
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(1)5级整数流水线指令执行效率更高。
(2)提供1.1MIPS/MHz 的哈佛结构。
(3)支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb 指令集。 (4)支持32 位的高速AMBA 总线接口。
(5)全性能的MMU 支持Windows CE Linux Palm OS 等多种主流嵌入式操作系统。
(6)MPU支持实时操作系统。
(7)支持数据Cache和指令Cache具有更高的指令和数据处理能力。
(8)ARM9系列微处理器主要应用于无线设备仪器仪表安全系统机顶盒高机数字照相机和数字摄像机等。
三.数据采集部分硬件解决
多通道高速采集是系统中十分关键的部分为了达到6通道数据采集的目的就 要求有十分精确的控制时序在本系统中低成本的采集电路设计方案有两种:一种是以DSP为核心直接实现数据采集另一种是以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的全部为硬件电路构成的数据采集系统这两种结构各有其特点和优越性但同时也都存在着局限性DSP因控制流程为软件设计完成具有较高的灵活性可在设计中根据状态方便地对时序进行调整但是实时的数据采集电路要求最高采样频率为30MHz 而通用DSP系列难以产生这样高速的时序控制信号而且由于采样的全过程包括采样读结果结果存储以及通道选切所以通用DSP总线接口难以实现如此高速的采样因此可以认为DSP总线接口不适合应用于高速控制和高速采集而高速采集及控制电路中应考虑使用其它芯片和控制方案以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的硬件电路构成的数据采集系统是一个合理的选择FPGA芯片可以实现产生高频率时序控制信号的要求提供丰富的I/O管脚其内部的逻辑功能可以根据实际需要进行合理设计和在线编程(ISP)适于模块化设计FPGA的应用使系统设计变得十分灵活易于修改和扩展有较强的通用性非常适合于实时信号处理目前FPGA的容量已经跨过了百万门级使得FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一在大多数的实时信号处理系统中底层的信号与处理算法处理的数据量大对于处理速度的要求高但运算结构相对比较简单适用于FPGA进行硬件实现这样能同时兼顾速度及灵活性而对于高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少但算法的结构复杂适用于运算速度该寻址方式灵活通信机制强大的DSP芯片来实现在实时数据采样系统中采样信号的压缩算法结构相对比较简单采用FPGA用硬件的方式来实现不仅可以实现数据的实时压缩大大减少DSP的处理负担而且还节省了大量数据传输消耗的时间。
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四.系统的软件设计方案
1 .系统分层模型
现代操作系统包括应用环境操作环境等一般具有分层的结构特征典型的 就是UNIX 系统的同心环最内层是硬件从里向外是核心共享库应用三个层次Windows CE.NET 的分层结构复杂些这是由它面向嵌入式应用的特点所决定的从提供者的角度来看图中的上面四层主要由微软公司维护开发下面两层主要由嵌入式产品开发商根据产品需要开发从接口的角度讲一般系统开发环境包括应用和系统两个界面用以支持系统和应用开发例如桌面的Windows 平台SDK 代表了应用层界面而DDK 代表了系统界面[32] 图中的Windows CE.NET 操作系统的功能在中间两层得以实现应用支持库的上部和操作系统层的上部主要是CoreDLL.dll 应用支持库中的很多接口也是通过DLL 导出到系统中的以及下部具有接口性质他们构成了CE 的应用界面和系统界面因而从某种角度说OAL 是系统界面的实现而上面两层就是应用界面的使用者。
从层与层的交互来看 主要的交互发生在相邻的层之间而上面三层具有一定的向下跨层访问的能力访问的约束在一定的程度上有助于实现功能隔离清晰的接口也为替换某一层的实现提供了方便。
2. 操作系统模块化的组织结构
Windows CE是由若干模块所建每一个模块提供特定的功能其中有几个模块又被分成几个组件组件能使Windows CE变得较为紧凑小于200K ,仅需要使用
最小的ROM RAM和其它硬件资源就可运行设备Windows CE包括四个模块这四个模块提供最重要的操作系统功能内核对象存储制图开窗口事件字系统GWES 和通讯 Windows CE还包含其它可选模块支持诸如管理可安装设备驱动程序和支持COM的任务。
内核是操作系统的核心由Coredll模块表示它提供所有设备上都必须存在的基本操作系统的功能内核负责内存管理进程管理和一些必需的文件管理功能管理虚拟内存调度多任务多线程和预期处理。
Coredll模块的大部分组件是任何Windows C.NET 配置所必需的然而有一些可选的内核组件只在包括例如通话多媒体和图形设备接口GDI 制图这类操作系统功能时才需要。
文件系统(Filesys） 模块支持Windows CE.NET 对象存储API功能下表显示对存储支持的持续存储类型对象存储提供另一种在文件中或在注册表中存储用户数据和应用程序数据的方式在操作系统建立进程期间可以选取或忽略各种对象存储组件以便仅包括需要的那些功能。
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五.软件的开发平台平台
系统的软件的开发全部是在台式机上进行的需要装有Windows CE.NET的PC机要建立Windows CE的开发环境需要如下几个开发工具包ADS1.2,Windows 2000,Visual Studio , MSDN, Embedded Visual Tools (简称EVT) 其中有些可能不是必需的Mutile-ICE是用来与掌上电脑进行连接的软件只有安装了这个软件才能够把应用程序拷贝下载到CE设备上Windows CE.NET的开发环境的另一个工具包是PlatformBuilder4.2 该工具包提供的开发环境不仅能够开发应用程序还能定制满足各种硬件环境的嵌入式Windows CE操作系统和编写驱动程序安装了以上软件以后要把程序下载到Windows CE设备上运行还必须进行一些设置.如果用的是串行电缆与Windows CE设备相连则必须设置默认地联结方式连接PC机具体方法是:开始一设置一>连接一>PC 选择串口115200 即波特率为115k如果是USB电缆则选择USB默认然后在PC机上运行ActiveSync软件就可以使台式机与Windows CE设备进行连接从而可以方便的下载程序到Windows CE设备上运行。
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