嵌入式无线数据采集系统的设计

1引言
1.1课题研究的目的和意义
本文研究嵌入式无线数据采集系统的主要目的是，针对现有设备状态监测系统因采用有线传输方式而存在的布线困难、信号易受干扰、升级维护不方便等问题，在传统数据采集器的基础上引入无线通讯技术，对设备状态监测中常见的振动和温度状态量进行数据采集，从而为故障诊断提供依据。

本系统适合于对设备进行巡检，特别是在设备处于工作状态时，人员不能接近的场合。

随着现代科学技术的进步与发展，设备越来越大型化，功能越来越多，结构越来越复杂，自动化程度越来越高。

随之而来的问题是，一旦关键设备发生故障，不仅会造成巨大的经济损失，而且可能危及人身安全，产生重大的社会影响。

因此，人们对设备的安全、稳定、长周期，满负荷运行的要求也越来越迫切，希望能及时了解设备运行状态、预防故障、杜绝事故、延长设备运行周期、缩短维修时间，最大限度地发挥设备的生产潜力⑴。

设备状态监测与故障诊断技术的实质就是了解和掌握设备在运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行识别，预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出决策。

可见如何有效地对设备进行状态监测直接关系到企业的生产效率和经济效益。

状态监测和故障诊断系统可分为在线和离线两种。

前者主要用于对大型设备或关键机组的监测和诊断。

这类系统一般一次安装，可实现对机组的连续状态监测和诊断，并且能够保存设备运行的历史信息，但是由于工况环境、监测和诊断的实时性要求、被监测设备的多样性等苛刻的技术要求，在线监测和故障诊断系统一般灵活性差并且价格昂贵。

离线状态监测和故障诊断系统则正好弥补了其不足。

现有的状态监测系统多采用有线传输方式，常用传统的电缆实现传感器和中心采集单元的通讯，存在成本高、布线困难、环境对传输信号的影响较大等缺点。

如对于某些测控系统，由于测量点比较分散，远程线路铺设及维护均需较高的代价此外，对于运动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过电缆引出信号变得不可靠、甚至不可能。

如采用无线传输则可以有效地克服上述缺点。

可见无线传输与传统的有线传输方式相比，具有安装方便、维护和升级费用低等优势，非常适合用于对布线困难的区域、人员不能到达的区域进行状态监测。

故采用无线传输技术进行数据通信己经是现代数据采集系统的发展趋势[2]。

数据采集是设备状态监测与故障诊断技术的重要
组成部分。

数据采集系统是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。

数据采集技术是信息科学的重要组成部分，己广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。

1.2嵌入式无线数据采集系统的现状与发展趋势
1.2.1短距离无线通信技术的现状与发展趋势
在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作上工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。

以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。

同样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，它们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。

无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据，通用分组无线传输技术等。

二是基于局域网的技术，如WLAN蓝牙技术，红外通信技术以及微功率短距离无线通信技术等。

与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络（如蜂窝移动通信网）相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务（数据、话音）上，均有很大的不同。

1）红外通信技术
红外通信技术采用人眼看不到的红外线传输信息，是目前使用最广泛的短距离无线通信技术。

它利用红外线的通断表示。

计算机中的0-1逻辑，通常有效作
用半径2米，传统速度可达4Mbp（ Million Bit perseco nd），后将通信速率扩展
到16kbps。

红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收均具有方向性，其具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低等特点。

因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，移动电话，PDA等移动设备⑶。

但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度。

两台相互通信的设备之间必须对准，传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，而且只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，更无法用于处于移动状态下的工作设备。

此外，DA 设备中的核心部件LED易磨损.
2)蓝牙技术
蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支
持。

其使用全球统一开放的2.4GE的工业、科学及医疗设备(LSM)频段，采用跳频扩频技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备。

采用蓝牙技术通讯时可以通过无线方式连成一个微微网，而多个微微网之间还可以形成分布式网络，从而方便、快速的实现各类设备之间的通信。

蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点：规范的
开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络，但蓝牙设备也存在不足之处，其价格昂贵，通讯距离近。

3)IEEE802.11b
IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用 2.4G的ISM频段，采
用直接序列扩频DSSSJ术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。

即802.11b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(Acecss Point)，就可以提供无线网络服务，而终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。

即 2.11b通
过线等价保密机制来确保数据安全。

因其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络。

此外，其具有运营成本低，投资回报快等特点，故正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐。

目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。

更多新的
wi.Fi(wireless Fidelity) 标准正在制定之中⑷。

4)微功率短距离无线通信技术
近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部。

一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用的无线通信模块。

其所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。

射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，而且发射功率、工作频率等所有工作参数均可通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只需依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。

新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此比较适合搭建小型网络，从而在工业、民用领域得到了较为广泛的应用。

1.2.2嵌入式系统概述
嵌入式应用系统大多以智能控制器的形式使用，在这种控制器中，单片机被嵌入在硬件设备中，与周围元器件直接组合在一起，接受并处理这些元器件所发出的信息。

为满足应用系统的要求，应选用最合适的单片机，建立“单片式”高可靠、低功耗、外型小巧的嵌入系统。

嵌入式应用系统软件的设计方法可以说不拘一格，灵活异常，不仅与功能要求、规模、简单或复杂等因素有关，即使同一应用系统，也会因个人的编程风格不同而异。

合理的程序结构是设计出一个性能优良的嵌入式应用系统软件的基础，必须充分重视。

近几年，随着计算机、通讯、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术己成为一个研究热点。

纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历4个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能，其特点是系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口；
第二阶段是以嵌入式CPU为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统，其主要特点是CPU种类繁多，通用型比较弱，系统开销小，效率高；
第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，其主要特点是嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性，具有文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；第四阶段是以Intetnet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段，可以说嵌入式设备与Intetnet的结合将代表嵌入式系统的未来⑸。

20世纪90年代，嵌入式技术开始全面发展，目前己成为通信和消费类产品的共同发展方向。

嵌入式系统技术应用范围非常广阔，在工业控制、交通管理、信息家电、智能小区、电子商务、环境检测及机器人等领域都有广泛的应用。

随着市场对嵌入式应用技术和产品的需求不断增长，以及半导体技术和系统设计方
法的不断进步，嵌入式系统呈现出以下几大发展趋势：
1）精简系统内核、算法
嵌入式产品的软、硬件结合非常紧密，为了降低功耗和成本，需要根据实际应用需求对系统内核进行合理的剪裁，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，同时还需要改进和优化算法，提高代码质量。

2）为功能多样化、结构复杂化
实际应用要求在嵌入式芯片上集成更多的功能，如集成USB CANBUS?串行
通信模块，加强对多媒体、图形等的处理能力，采用实时多任务操作系统以满足性能和实时性方面越来越高的要求。

3）支持网络互连
为了适应网络发展的要求，必然要求在未来的嵌入式设备上提供各种网络通信接口，如以太网，IEEE1934, CAN总线，Bluetooth 等，甚至在设备上嵌入Web 浏览器，实现利用各种设备上网⑹。

1.3本论文所要完成的主要内容
本论文的题目是嵌入式无线数据采集系统我们设计的重点集中到系统的硬件部分。

因此我们主要完成的内容是：
1.要完成嵌入式无线数据采集系统总体构造框图，并且要对元器件进行合理选用2•对该系统所构成的各个模块的介绍
3.要完成对近距离无线收发芯片的选择
4•对ARM微处理器的体系结构和其应用开发流程的介绍
5•要完成嵌入式无线数据采集系统硬软件的设计
2嵌入式无线数据采集系统的方案设计
2.1嵌入式无线数据采集系统的概述
数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。

其追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。

对任何量值的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速度不仅仅可以提高工作的效率，更主要的是可以扩大数据采集系统的适用范围，以便于实现动态测试。

具体到本系统，有如下几个设计原则：1）数据采集系统的性能指标数据采集系统的性能要求与具体应用目的和应用环境有着密切关系，对应不同的应用情况往往有不同的要求。

主要有如下几个指标:系统分辨率、系统精度、采样速率、动态范围以及非线性失真。

其中系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。

系统精度则是指系统工作在额定采样速率下，每个离散子样的转换精度，其中模数转换器的精度是系统精度的极限值。

2）便携与低功耗本系统无论是需要在现场进行安装的数据采集前端还是作为手持设备的数据采集终端，均需采用电池供电，同时对硬件的体积也有严格的限制，这就必然涉及到便携和低功耗的设计要求。

3）模块化在本系统中主要体现在软硬件的设计理念上。

在硬件设计上，通过采用自定义的传感器调理电路接口和可插拔的SD卡存储器来实现。

鉴于目前模数转换器接口分为串行和并行两种，其中串行总线以SPI总线居多•此外，数据采集终端的微控制器自身也集成12位的逐次逼近型模数转换器，故通过提供包含上述两种总线以及微控制器模拟输入端口的接口，可以方便实现传感器调理电路的替换与升级。

在软件设计上，通过移植操作系统，提高代码的可重用性，来实现软件的模块化设计⑺o
4）可靠性作为一个在工业场合应用的系统，特别是作为状态监测与故障诊断系统原始数据的来源，其对可靠性的要求是不言而喻的。

5）升级与维护嵌入式系统的一个重要特点就是以应用为中心，软硬件可裁减，即不同场合会有不同的需求，因此对软硬件进行相应的改动在所难免，而如
何方便和快捷不同场合会有不同的需求，因此对软硬件进行相应的改动在所难免，
而如何方便和快捷地来实现，则是设计的一个很重要的指标。

同样，在系统维护时，也会存在这样的问题。

2.2本系统的组成模块介绍
2.2.1嵌入式微控制器选择
目前市场上微控制器主要以8位、16位和32位为主。

其中符合本系统基本设计要求的典型产品分别为AVR MSP430 ARM系列.本系统从功能需求、功耗、开发成本、性价比等诸多因素考虑，选定ARM乍为温度采集模块和数据采集终端的微控制器。

ARM(Advaneed RISC Machine)是英国知识产权(IP)设计公司，它是知识产权供应商，是设计公司。

ARM公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片⑹oARM公司的ARM S列内核耗电少、成本低、特有的16/32位双指令集功能强大。

基于ARM16/32位微处理器市场占有率目前已达到80% ARM公司商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴,从而激发了大量的开发工具和丰富的第三方资源[2]。

20世纪90年代以来，ARM32 位嵌入式RISC处理器的应用扩展到世界范围，占据了低功耗，低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位，形成了32位RISC微处理器的实际标准。

ARM
处理器在32位嵌入式CPU市场上有超过75%以上的份额。

ARM公司具有完整的产业链，其全球合作伙伴主要为半导体和系统伙伴、操作系统伙伴、开发工具伙伴、应用伙伴和ARM^术共享计划伙伴[4]o ARM公司的紧密合作伙伴已发展为122家半导体和系统合作伙伴、50家操作系统合作伙伴、35 家技术共享合作伙伴，并于2002年在上海成立中国全资子公司。

目前，80%勺GSM 手机，99%勺CDM手机，以及未来3G手机也都是采用基于ARM勺嵌入式处理器。

提供研究分析信息的机构Gartnerlnc,早在1999年，ARM就已突破1.5亿个，市场份额超过嵌入式处理器的50%而最新的市场调查表明，在2001年度，ARM占据了整个32位和64位嵌入式微处理器市场的75% 2002年度，占据了79.5%。

全世界已使用20多亿个ARM 2003年6月份统计，2002年ARM在全球半导体IP 供应商中排名第一，占市场份额的19.8%,销售收入达1.8亿美圆，比2001年增长10%目前，除了像TIOMAP,Intel的Xscale和Motorola的IMX系列这样的移动终端处理器采用ARM核外，也还有象Samsung Atmel SharpOK和Philip 等半导体公司设计一些通用ARM核的处理器,可以广泛应用在各种嵌入式系统,现在市场上看到比较多的有Philip 的LPC 系列、Samsung的S3C44B0 4510、2410,Atmel 的AT91 系列和IntelPXA255 等［9］。

ARMi理器支持以下数据类型：
字（Word）:字的长度为32位，而在8位/16位处理器体系结构中，字的长度一般为16位，
请注意区分。

半字（Half-Word）:半字的长度为16位，与8位/16位处理器体系结构中字的长度一致。

字节（Byte）:各种处理器体系结构中，字节的长度均为8位。

从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态一般有两种,并可在两种状态之间切换： ARM犬态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM旨令；
Thumb犬态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令
ARMi理器在两种工作状态之间可以切换：
进入Thumb状态。

当操作数寄存器的状态位（位［0］）为1时，执行BX指令进入Thumb犬态。

如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理（IRQ、FIQ、Undef、Abort和SWI）返回时，自动转换到Thumb状态。

进入ARM犬态。

当操作数寄存器的状态位（位［0］）为0时，执行BX指令进入ARM犬态。

处理器进行异常处理（IRQ、FIQ、Reset、Un def、Abort和SWI ARM状态执行）。

在此情况下，把PC放人异常模式链接寄存器中。

从异常向量地址开始执行也可以进入ARM犬态。

ARM 体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。

从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列［10］。

为32位的微处理器，ARM系结构所支持的最大寻址空间为4GB ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称为大端格式和小端格式,具体说明如下。

ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：
用户模式（usr）:ARM处理器正常的程序执行状态。

快速中断模式（fiq）:用于高速数据传输或通道处理外部中断模式(irq )：用于通用的
中断处理。

管理模式(svc):操作系统使用的保护模式，系统复位后的缺省模式。

1.指令终止模式(abt):指令预取终止时进入该模式。

2.数据访问终止模式(abt):当数据访问终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

指令未定义模式(und):支持硬件协处理器指令的软件仿真。

系统模式(sys):运行具有特权的操作系统任务。

ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。

大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。

除用户模式以外,其余的所6种模式称为非用户模式或特权模式(Privileged Modes)；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式(Exception Modes),常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。

2.2.2嵌入式操作系统选择
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。

它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软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议和图形界面等。

嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来，能够提供库函数、标准设备驱动程序以及工具集等。

与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

本课题主要对嵌入式操作系统的应用进行研究，所以适合本课题的嵌入式系统应有如下要求：首先，要求免费。

第二，本系统是一个多任务系统，要求嵌入式操作系统必须支持多任务，同时内核要小。

第三，容易移植，如果移植占有大量的开发时间，就失去了本课题的意义［11］。

UC/OS-II 是源代码公开的嵌入式实时操作系统，绝大部分源码使用ANsl-C 编写，可移植性较强，而与微处理器相关的那部分是用汇编语言写的。

汇编语言写的部分己经压到最低限度，使得其十分方便移植到其他微处理器上。

它以其内核精巧、支持多任务管理、支持占先式任务调度、可移植性强、内核可裁剪等特
点非常适合本课题的研究。

核心部分(0S_CORE.C)该部分是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。

能够维持系统基本工作的部分都在这里。

任务管理部分(0S_TAsK.Q):任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。

包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。

因为管理是以任务为基本单位调度的，所以这部分内
容也相当重要。

时钟管理部分(0S_TIME): UC/OS-II中的最小时钟单位是时钟节拍。

任务延时等操作都是在这里完成的。

任务同步和通信部分：该部分为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分：主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。

与CPU的接口部分：是指UC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。

由于产UC/OS-II 是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU勺具体内容和要求作相应的移植。

这部分内容由于牵涉到SP等系统指针, 通常用汇编语言编写［12］。

主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分。

3嵌入式无线数据采集系统的硬件设计
3.1单片机的选择
S3C44B0）是SAMSUNG三星）公司一款基于ARM7TDM的SOC S片。

它一方面具有ARM处理器的所有优点：低功耗、高性能；同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。

其特点如下：
•采用ARM7TDM内核，I/O 电压3.3V，内核电压2.5V;
•内置锁相环（PLL）,系统主频最高达66MHz
•4种工作模式，可以实现电源管理以降低系统功耗；
•8KB的系统高速缓存（CACHE，极大地提高了系统运行速度；
•支持8个MEMORY BAJN最大外部存储空间达256MB并支持SDRA；
•内置彩色LCD控制器；
•2路异步串口（UART；
•71个通用I/O 口；
•8通路模/数转换器（ADC ；
•实时时钟（RTC和看门狗电路（WATCHDOG
sssasasss safifiafiasass«®« *******fi «*e ^*
图3.1 S3C44B0X 的引脚图
引脚功能说明：
om[1:0]:输入om[1:0]设置S3C44B0）在测试模式和确定nGCS0的总线宽度,逻辑
电平在复位期间由这些管脚的上拉下拉电阻确定。

00:8-bit
01:16-bit
10:32-bit 11:Test mode
ADDR[24:0]输出：地址总线 输出相应段的存储器地址。

DATA[31:0]输入输出：数据总线，总线宽度可编程为8/16/32位 nGCS[7:0]输出:芯片选择，当存储器地址在相应段的地址区域时被激活。

存取周
期和段尺寸可编程。

nWE 输出：写允许信号,指示当前的总线周期为写周期。

nWBE[3:0]输出：写字节允许信号
nBE[3:0] 输出:在使用SRAM 情况下字节允许信号。

nOE 输出：读允许信号,指示当前的总线周期为读周期。

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