1、学 士 学 位 论 文井下供电系统信息采集装置设计作者姓名： 尚福浩 导师姓名： 徐文尚 专业名称：电气工程及其自动化所在学院：信息与电气工程学院山 东 科 技 大 学2008 年 6 月摘要随着微电子、计算机、网络等技术的高度发展，现代工业数据采集与控制系统已经从传统电路、微机模式发展成为嵌入式系统模式，嵌入式系统在现代工业数据采集与控制中扮演着不可替代的重要作用。本论文研究的主要目的是利用基于 AMR9 的 32 位高端嵌入式微处理器 AT91MR9200 和嵌入式 Linux 内核设计新型数据采集与控制系统平台，突破传统的测控模式，使其具有更强大的处理能力，更优越的通信方式。本论文设计的
2、具有数据采集与控制等多种功能的测控平台包括以下几个部分:基于 SPI 串行接口设计的 8 路 A/D 模拟量采集硬件电路，基于 EBI 并行接口设计的 2 路 D/A 模拟量输出硬件电路，以及采用 POI 接口设计的 8 路开关量输入输出硬件电路，通过 USATR 异步串行口设计的 RS-232 串口通讯硬件电路。以此平台为基础，初步研究嵌入式 Linux，移植 U-boot 的源代码到 Flash 作为系统的引导程序，成功启动硬件系统和下载内核与文件系统。并且，操作 SPI 寄存器设计 A/D 通道的软件模块，操作静态存储控制器SMC 设计 DA/通道的软件模块，操作 USART 控制寄存器
3、设计 RS-232串口的软件模块，以及利用 Socket 方法设计以太网通讯软件模块，驱动 UHP 设计 UBS 软件模块。本论文最终能够实现下面几个功能:8路模拟量的采集，2 路数模转换输出控制，8 路开关量的输入输出，RS-232 的串口通讯，以及以嵌入式板卡为服务器的以太网数据传输和 U 盘在无 CP 机板卡上的数据传输。本论文所设计的数据采集和控制系统可广泛应用于各种工业领域，也可作为一个嵌入式控制器应用于对各种工业设备的控制。本论文对于基于嵌入式的数据采集和控制系统所作的一些研究结果和系统设计中的一些方法具有一定的先进性和良好的实用性，应用前景十分广阔。关键词:嵌入式系统;ARM9;
4、传感器;数据采集ABSTRACTWith the rapid development of the technologies of microelectronics，computer and network，in modem time data acquisition and control system has been embedded mode instead of the traditional mode and industrial Personal compute The embedded system Plays an important and exclusive role i
5、n the industrial data acquisition and control systemThis paper gives a design on high voltage power supply monitor for substation in coal mine on the base of analysis about existing condition and related production in domestic and foreign. A communication interface is designed in order to implement
6、distance monitor with the help of computer. It can accomplish signal conversion from RS232 to RS485. The design selects a chip with optoelectronic isolated RS485 signal named MAX1480B which produced by MAXIM in America. By this means, the communication distance is increased. The intelligent collecto
7、r is isolated from original synthetical protection device. It is controlled by singlechip together with voltage sensor, current sensor, temperature sensor and data-processing software to collect voltage, current, temperature, state of switch. At the same time, it performs control operation such as c
8、lose switch, open switch, reset. In order to cut down checking period, a tributary station structure with double singlechips is designed. It is connected between computer and intelligent collector. It can implement both-way communication by a double-port RAM chip. In accordance, the systems whole pe
9、rformance got increase. Also tributary station which structures with a connecting link between the preceding and the following can work independently without host computer. At the same time, this paper also gives the design of multifunction software. The program consists of serial communication and
10、data base procedure. The design makes full use of multiple communication modes between computer and many tributary stations. Unattended substation becomes true by these measures.Keywords: EmbeddedSystem;ARM9;DataAequisition 目录1 绪论 .11.1 课题研究内容 .11.2 课题研究的意义 .11.3 信息采集的发展概况 .22 本设计的总体思路 .42.1 方案的选择 .
11、42.2 嵌入式系统的概述 .52.3AT91RM9200 的概述 .123 数据信息采集前的准备 .163.1 井下供电系统需要采集的参数 .163.2 传感器介绍 .184 数据采集与控制系统的硬件设计 .334.1A/D 模块的硬件设计 .334. 2 D/A 通道模块的硬件设计 .41第 5 章数据采集与控制系统的软件设计 .445.1 系统引导程序的建立 .445.2 A/D 通道模块的软件设计 .495.3 以太网模块的软件设计 .546 总结 .58参考文献 .60致谢 .62附录 .631 绪论1.1 课题研究内容本设计是利用基于 ARM9 的 16/32 位 RISC 处理器
12、 S3C2410A 和嵌入式 Linux 内核设计的新型数据采集装置。主要有三大模块：电路板设计，传感器选择和嵌入式系统的设计。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。本设计采用的 ARM 系列芯片属于中高端的嵌入式微处理器，其基础是通用计算机 CPU，具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高的优点，而且一般在工作温度、抗电磁干扰及可靠性等方面都做了加
13、强。为了使数据采集更方便、快捷，需要具备一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器相应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。1.2 课题研究的意义本课题的目的是运用 ARM 实现对矿井供电系统的信息采集。ARM（Advanced RISC Machines）是处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的 RISC 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP 和移动式应用等。通过毕业设计指导教学，还可使学生加深对所学知识的理解，使知识更加系统化、实用化，并提高其综合知
14、识水平和技能。目前，传统的 8 位单片机由于其处理速度、系统资源有限，已经不能适应日益复杂的应用需求；16/32 位的嵌入式微处理器逐渐取代了 8 位的 MCU 成为工业控制设备的核心。数据采集与处理在传统的过程控制系统以及嵌入式多媒体设备如音频、视频信号处理中占据着十分重要的地位，是实现各类现场模拟信号、准数字信号数字化的必要环节。随着计算机科学技术的飞速发展和普及，数据采集技术已经渗透到雷达、通信、水声、遥感、供电系统、振动工程、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域。基于单片机的数据采集系统的主要缺点是处理速度慢、系统资源有限、实时性能较差。本设计借助基于 ARM9
15、的嵌入式系统设计技术和微处理器技术来实现的供电系统数据采集装置。通过温度传感器和电流传感器采集到供电系统的温度信号和电量信号，传输到基于微处理器S3C2410A 的芯片所构成的电路系统装置进行信号处理。此装置具有可靠性高，体积小，易扩展、功能强，开发周期短、成本低等特点。1.3 信息采集的发展概况国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、
16、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。近年来微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领域发生了翻天覆地的变化。在国外，嵌入式 CUP 的处理能力提升较快，由 8 位、16 位升级到 32 位，掌上电脑、PAD、智能手机等新产品层出不穷，产业规模日益壮大。在国内，嵌入式系统关键硬件主要靠国外引进，技术基础比较薄弱。然而国内的个人数字处理(PDA)市场火爆，掌上电脑、机顶盒等产品进入市场后也获得用户好评，智能手机市场前景看好。软件方面，作为嵌入式系统核心的嵌入式实时操作系统是开发嵌入式应用的关键一环。目前国内外推出了很多商业化嵌入式操作系统，努力争取自己的市场份额
17、。进入我国市场的国外嵌入式操作系统有 windowCsE、 vxworks、QNX等，我国自主开发的嵌入式系统软件产品有 Deltasystem、Hopen 等。信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得巨大的发展机遇，从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持，网络互联，精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本，友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式等趋势。2 本设计的总体思路2.1 方案的选择作为一个通用的工业数据采集系统的硬件平台，其基本目的是获取外界信号，例如模拟量、
18、开关量，并且能够将数字量的控制信号，转化成模拟量进行输出，以达到对外部设备的控制。在此基础上，本论文所要设计的系统有以下的要求:(l)多通道模拟量采集。因为工控现场的模拟量数据非常多，而且各种模拟量所需要的放大倍数是不一样的，这就需要可变增益的放大器。(2)数据采集具有移动转储功能。基于现场的实际工况，需要控制平台在正常工作的情况下，能够将部分数据通过移动存储器提取出来，以便在其它设备上进行数据分析。设计要求为整个系统的性能提出了最低要求，它为器件选型和系统内部的电路设计提供了指导原则。2.1.1 系统工作原理地面主控计算机通过通信接口控制井下各采区供电系统控制器，控制方式为计算机通过地址呼叫、分站应答、计算机发控制命令、分站判断命令类型后给出相应的反应等交互通信。系统中没有被呼叫到的分站以独立自动的方式控制本站内所有高压真空配电装置内的智能采集器，并不受主控计算机通信的影响。各智能采集器实时
