基于ARM和FPGA的便攜人工地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計概要
Linux因其源代碼開放性特點，成為嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)之一。本系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux-2.6.30內(nèi)核，交叉編譯工具使用arm-none-linux-gnueabi-gcc，底層硬件驅(qū)動和數(shù)字信號FIR/IIR濾波程序使用C語言，部分代碼使用嵌入式匯編語言，上層應(yīng)用程序開發(fā)則使用C、C++。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要任務(wù)包括操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動程序開發(fā)(包括數(shù)據(jù)采集驅(qū)動、系統(tǒng)控制及標定驅(qū)動程序等模塊)以及嵌入式應(yīng)用軟件和上位PC機應(yīng)用軟件開發(fā)。
2.1 嵌入式操作系統(tǒng)Linux-2.6.30的裁剪
下載解壓縮內(nèi)核源文件。修改頂層目錄下的Makefile文件，設(shè)定目標硬件ARCH=arm，指定交叉編譯環(huán)境路徑CROSS_COMPILE=/usr/locaL/arm-2007q1/bin/arm-none-linux- gnueabi-。使用圖形界面或文本行界面進行內(nèi)核配置，根據(jù)硬件電路和軟件系統(tǒng)功能對內(nèi)核模塊進行剪裁，完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調(diào)試，并在此環(huán)境上進行應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序的開發(fā)。在ARM中植入嵌入式linux平臺，首先根據(jù)目標設(shè)備的硬件配置及需要，對linux-2.6.30內(nèi)核進行基本定制，開發(fā)并安裝驅(qū)動程序，增加CPU動態(tài)調(diào)頻特性，生成鏡像文件。JTAG將U-boot寫入Flash后，通過網(wǎng)卡將鏡像文件下載到目標設(shè)備中進行調(diào)試，最終把U-boot、linux-2.6.30內(nèi)核及文件系統(tǒng)映像文件等燒寫入Flash存儲器。
2.2 A/D數(shù)據(jù)采集驅(qū)動
設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件之間的接口，屬于內(nèi)核的一部分。根據(jù)功能劃分，設(shè)備驅(qū)動程序代碼有以下幾個部分：(1)驅(qū)動程序的注冊與注銷；(2)設(shè)備的打開與釋放；(3)設(shè)備的讀／寫操作；(4)設(shè)備的控制操作；(5)數(shù)據(jù)采集中斷處理程序和PPS_INTERRUPT中斷處理程序。AD驅(qū)動程序最終實現(xiàn)一個字符設(shè)備驅(qū)動，為了使該驅(qū)動程序能夠被上層的應(yīng)用程序方便地調(diào)用，需要實現(xiàn)以下的接口函數(shù)：
(1)open調(diào)用：打開數(shù)據(jù)采集通道，需要注意的是open調(diào)用不應(yīng)該自動啟動AD采樣，而應(yīng)該由ioctl調(diào)用提供顯式的控制接口。
(2)read調(diào)用：讀取采樣數(shù)據(jù)，阻塞式讀取，以字節(jié)數(shù)返回讀取到的數(shù)據(jù)量。
(3)release調(diào)用：關(guān)閉數(shù)據(jù)采集通道，釋放系統(tǒng)資源。
(4)ioctl調(diào)用：提供以下一些設(shè)置命令。DS—ADC—START：啟動AD采樣，每次開始都會清空上次未讀走的數(shù)據(jù)。DS—ADC—ST0P：停止AD采樣。DS—ADC—SET—SAMPIE_RATE：設(shè)定采樣率。DS—AdC—GET—COUNT：獲取內(nèi)存環(huán)行緩沖區(qū)中已存儲的采樣數(shù)據(jù)。
2.3 應(yīng)用軟件設(shè)計
應(yīng)用軟件包括嵌入式應(yīng)用軟件和PC機應(yīng)用軟件。嵌入式應(yīng)用軟件運行在采集器ARM處理器上，具體實現(xiàn)為一個命令解析服務(wù)器，通過Socket接口連接到上位PC機，并接收PC機端發(fā)送來的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。PC機應(yīng)用軟件由主線程和數(shù)據(jù)通信線程組成。主線程為文檔—視圖結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)參數(shù)查詢與設(shè)置操作、實時波形顯示與波形存儲等功能；數(shù)據(jù)通信線程與硬件通信，接收波形數(shù)據(jù)。主要功能包括，(1)實時接收、存儲波形數(shù)據(jù)；(2)實時瀏覽波形；(3)查詢、設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)；(4)查詢GPS信息；(5)查詢、設(shè)置標定參數(shù)、啟動停止標定；(6)查詢、設(shè)置觸發(fā)參數(shù)；(7)設(shè)置數(shù)據(jù)采集器通信參數(shù)。
3 動態(tài)電源管理
在本設(shè)計中，從微處理器和A/D等芯片的選型到電源系統(tǒng)設(shè)計都充分考慮低功耗設(shè)計，為了進一步降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計中引入了CPU動態(tài)調(diào)頻技術(shù)。位于系統(tǒng)內(nèi)核的負載監(jiān)控器Load Monitor負責統(tǒng)計核算負載信息，并根據(jù)系統(tǒng)負載輕重，驅(qū)動電源管理控制器Power Controller對CUP工作頻率和相關(guān)設(shè)備能效狀態(tài)做出調(diào)整。該模型對應(yīng)用層程序完全透明，但應(yīng)用程序也可通過proc接口顯式調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)。在開發(fā)板的初步實驗中,在測試程序為while死循環(huán)情況下，測得系統(tǒng)在三個頻率點上的總功率為169 mA×12 V@400 MHz,133 mA×12 V@
200 MHz，112 mA×12 V@99 MHz，系統(tǒng)存在可觀的降耗空間。值得注意的是，動態(tài)調(diào)頻對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成很大挑戰(zhàn)，調(diào)頻代碼需進一步完善。
本文主要討論了基于低功耗微處理器AT91SAM9G20和可編程邏輯門陣列器件（FPGA）的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計和嵌入式Linux軟件開發(fā)思路。值得一提的是，在系統(tǒng)中引入動態(tài)調(diào)頻技術(shù)，為進一步降低系統(tǒng)動態(tài)功耗以至總體功耗做了有益探索。本設(shè)計是在對當前地震測量技術(shù)發(fā)展研究的基礎(chǔ)上，提出的一種功耗低、體積小、野外使用安裝便捷的實現(xiàn)方案，對降低數(shù)據(jù)采集成本、延長系統(tǒng)有效工作時間、提高野外工作效率有著積極意義。
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