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                    慣導裝置數據采集系統的設計

                    添加時間:2018/10/30 來源:北京理工大學 作者:張勤學
                    在數據采集端,利用 RS-422 對慣導裝置中的慣性元件即 3 個加速度計、3 個陀螺儀、一個溫度橋型電路進行解算采集。將嵌入式終端通過 RS-422 串口與慣導裝置相連接,進行數據的采集等功能的實現,以下為數據采集軟件調試 ARM 數據采集板。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著慣性導航技術的快速發展,對基于慣性導航裝置數據采集系統的精度和數據處理吞吐量要求越來越高,性能優良的數據采集系統備受慣性導航技術工作者的歡迎,為了提高系統的高效率、實時性、可擴展性,實現實時的采集數據在人機交互界面顯示,本文提出了基于 ARM 的數據采集系統的設計方案。

                      本文詳細闡述 Linux 系統下數據采集系統設計中的關鍵技術,包括信號處理、數據傳輸、數據顯示、數據控制和存儲及對采集的數據進行分析等,基于這些基本數據處理技術,提出了數據采集系統的總體設計方案。在系統的硬件設計中,分別對前端數據采集電路、系統電源電路、外圍電路等模塊進行了設計,完成最小硬件電路系統設計,重點設置串口傳輸模塊,以達到數據采集傳輸的實時性要求,實現硬件系統的選型并依據高速 PCB 設計原則,利用 Cadence 軟件繪制并制作系統的 PCB 板;在系統的軟件設計中,首先搭建采集系統的軟件平臺,Linux 操作系統、BootLoader 、Qt及第三方庫的裁剪、編譯和移植,然后基于這個平臺對慣性導航裝置中的數據進行采集,將慣性導航裝置中加速度計的加速度、陀螺儀的角速度、溫度等數據傳輸至 ARM主控芯片當中,利用主控芯片中燒寫的采集程序對數據進行實時采集,數據分別顯示到 Qt 界面相應的 TexLine 里,實現數據顯示模塊;最后,將獲取的數據保存到相應文件或者數據庫里,實現數據實時存儲和對采集的數據進行靜態分析。

                      在本課題數據采集卡的核心部件是以 ARM 為基礎,再進行外圍的擴展,ARM 數據采集器基于 Linux 系統進行慣導數據的實時采集,有著較高的可調性和可擴展性。

                      關鍵詞:慣導;Linux;數據采集;串口;ARM ;Qt;上位機;數據存儲

                    Abstract

                      With the rapid development of inertial navigation technology, requirements for inertial navigation device accuracy based on data acquisition system and throughput of data processing are getting higher and higher, the excellent performance of data acquisition systems are welcomed by highly inertial navigation technology workers. In order to improve the system of high efficiency, real-time, scalability, real-time data acquisition, display in the human-computer interaction interface, this paper puts forward the design scheme of data acquisition system based on ARM.

                      This paper gives a detailed description of key technology of data acquisition system in the Linux system, including signal processing, data transmission, data display, the collection of data control and data storage and data analysis. Based on the basic data processing tech nology, it proposes the overall design scheme of the data acquisition system. In the hardwar e design of the system, it designs respectively the front-end data acquisition circuit, power circuit, peripheral circuit, the design of the module, focuses on serial transmission module, to achieve the requirements of real-time data acquisition and transmission, and the realization of hardware. On the basis of high speed PCB design principles, use Candace to draw and fabricate the PCB board of the system; as for the software design of the system, first of all, build a good system software platform, Linux operating system, BootLoader, Qt and three party libraries ported, then on this platform collect the inertial navigation device based on the data in the inertial navigation device in the accelerometer gyroscope, transmit the accelero meter, the angular velocity and temperature data to the ARM main control chip, use the main control chip in the burning acquisition program for real-time acquisitio of data, display the data in the QT corresponding interface TexLine, data display module. Finally, the acquire d data are saved to the corresponding file or database, to realize the real-time data storage, and then collect data to go through static analysis.

                      In the core component of the subject data acquisition card is based on ARM and then peripheral expansion.ARM data collector based on Linux system for inertial navigation data real-time acquisition, has high tunability and scalability.

                      Keywords: inertial navigation; Linux; data acquisition; serial port; ARM; Qt; computer ; data storage

                      慣性導航技術是一門綜合了光學、機電、力學、計算機及數學等科學的尖端技術,是現代科學技術高速發展的產物[1]。我國已經具備了一定的自主研發、設計到生產的能力,越來越多的慣導設備已經投入到量產定型的階段,并且成功的應用于軍事和民用等眾多領域中的導航和定位,如航天、航海、航空、大地測量、陸地車輛等。

                      隨著先進的科學技術快速發展,慣性導航技術也獲得了許多重大突破,一些先進的具有較強性能的輔助設備被引入到慣性導航技術中,數據采集系統在慣性導航技術中也逐漸發揮著重要的作用,性能優良的數據采集系統備受慣性導航技術工作者的歡迎。由于國防建設、科學考察、經濟發展等眾多方面的迫切需要,因此對慣導裝置的性能要求越來越苛刻,高質量的數據采集是國家軍工科技和工業生產水平的體現[2]。由于在慣導裝置設備后期需要進行許多的測試實驗以此來進行設備的驗證,但是這些測試需要在不同的環境中進行,從而對于數據采集系統來說要求很高,在保證數據采集系統的大數據量、高性能、高精度之外,數據采集裝置[3]

                      還要能夠適應不同的測試場所;谶@些條件,慣性導航設備的數據采集器必須具有多種輔助功能,例如數據采集傳輸速度快、便于攜帶、數據存儲方式多種多樣、減少對其他設備的依賴[4]。由此看來為了后期研發出性能更加強的慣導裝置[5],設計一套高質量的數據采集系統時非常重要的。

                      慣性導航系統通常由計算機、慣性測量裝置、控制顯示器等組成[6],慣性系統的核心測量原件主要是指陀螺儀和加速度計,又稱慣性測量單元,這些測量單元中的DSP 是進行高速信號處理的主要部件,隨著新的技術的發展,各種性能不同的慣性傳感器出現在市場,這些慣性傳感器不僅僅應用于軍工武器裝備[7],也開始走向一些民用領域[8]。為了降低慣導裝置中慣導系統的成本,尋找最簡單有效的途徑,利用對加速度計、陀螺儀等慣性器件上的信號進行采集和處理是一種可行的方法,但是采用傳統的單任務順序結構采集系統,實時性不夠,很難滿足實時的信號處理[9]。數字信號處理器(DSP)在數據采集方面具有很大的優勢,能夠實時處理外部事件。目前,DSP朝著數字式、高精度、高輸出率的方向快速發展,如何后續對 DSP 處理后的信號進行系統的分析就顯得非常有必要,鑒于采用 Windows 的實時界面顯示,這里我們將采用基于 ARM Linux 系統下的實時數據采集系統,改變以往的傳統數據采集方式,最大化的利用 Linux 系統的優勢,簡化數據采集裝置。社會處于信息大爆炸的時代,如何有效的獲取有價值的信息[10],以成為當今社會的潮流,在電子工業、航天軍工、工業生產等眾多的控制系統中數據采集起著關鍵的作用,已廣泛地應用于國防和國民經濟建設的各個領域[11],為此研究設計一款實時采集性能強的數據采集裝置顯得非常有必要。

                      在信息時代的大環境下,人們對數據采集技術的需求和要求越來越高[12]。對數據采集技術的研究中是從上世紀 50 年代開始的,最初由美國用于軍事系統中,設計并實現了對數據采集系統首先應用在軍事上,此后的二十多年內微型機進入快速發展的時期,同時數據采集系統也將數據采集器、相關測量儀表和智能計算機結合起來實現更好的數據采集性能[13]。隨著計算機技術的發展,數據采集技術和計算機技術的結合也更加緊密。數據采集系統的應用更加廣泛,開始朝著多元化和超高速的方向發展。

                      國外對于數據采集技術的研究起步比較早,并且在對數據采集技術研究的基礎上加入各個硬件平臺實現數據采集系統,目前已經擁有非常成熟的數據采集系統[14]產品。而在國內,對數據采集技術的研究和發達國家相比還有相當大的一段差距,針對低速數據信號的數據采集技術較為成熟[15],目前可以應用到實際的數據采集系統中并已經取得不錯的數據采集效果,但是針對采樣頻率高的高速數據來說,國內的數據采集技術還不夠成熟。

                      一個完整的數據采集系統都應該包括硬件部分和軟件部分,而要提高數據采集系統的性能也應該從軟硬件兩個方面著手考慮。在硬件方面,能用于實現數據采集系統的硬件平臺有很多,在選擇實現數據采集系統的硬件平臺時,必須要考慮到數據采集芯片的性能、硬件平臺的處理數據的速度、數據采集精度及采集數據是硬件平臺的功耗等因素;確定了實現數據采集系統的硬件平臺后,我們就可以從節約計算機硬件資源的角度來考慮使用何種軟件技術實現數據采集傳輸等操作[16]。針對不同的硬件平臺和待采集數據的特性、格式等,設計不同的軟件對其進行數據采集、數據處理、數據傳輸能夠保證數據采集系統的性能,研發專門采集和處理大數據的軟件也是未來數據采集系統的主流方向。

                      ARM 處理器是 Acorn 有限公司面向低預算市場設計的第一款 RISC 微處理器。全稱為 Acorn RISC Machine。因為其擁有體積小、低功耗、低成本、高性能;支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集,能很好的兼容 8 位/16 位器件;大量使用寄存器,指令執行速度更快;大多數數據操作都在寄存器中完成;尋址方式靈活簡單,執行效率高;指令長度固定的優點,廣泛應用于很多系統中。很多的數據采集系統都是以ARM 為核心設計的。本文選取四種經典的基于 ARM 的數據采集系統進行對比分析。

                      第一種是基于 ARM 的嵌入式數據采集與處理系統,第二種是基于 ARM-uC/OSII 的數據采集系統,第三種是基于 Linux 的以太網的遠程數據采集系統[17],第四種是基于ARM Linux 的高速數據采集器[18]。

                      基于 ARM Linux 的高速數據采集器為達到高速采集目的(2006)[19]。通過 FPGA設計雙端口數據存儲結構和多路 FIFO 緩沖,控制方式采取閾值模式獲取信號,然后利用 ARM 外部的 FIQ,在適當的時機進行觸發來獲取觀察數據。在搭建的 ARM Linux平臺上,編寫并實現數據采集應用程序和各個設備驅動程序,用戶最后可以通過訪問系統空間來采集實驗數據并將數據在 LCD 上顯示。

                      基于 ARM 的嵌入式數據采集與處理系統主要是實現不復雜的數據處理功能和FFT 普分析功能(2007)[20]。大多數是以 ARM[21]芯片為主在 ADS 的集成環境下完成觸摸屏顯示控制、AD7892 的連續采集等;基于 ARM-uC/OSII 的數據采集系統在邏輯設計方面主要有硬件層、操作系統層、應用設計層等(2008)。微處理器的選擇以 S3C2410 為代表,程序存儲器是 FlashROM,嵌入式系統核心內存是 SDRAM,操作系統層的設計思想主要是在已經移植了操作系統的前提下將內核進行擴展,最終在系統的軟件層移植操作界面即可[22]。

                      基于 Linux 的以太網的遠程數據采集系統[23](2009)。CPU 處理采集的信號然后通過 USB 總線傳輸到系統平臺,最后將采集的數據通過太網技術存儲到后臺數據庫當中,利用 Internet 對數據采集板上的數據進行遠程的訪問與監控[24]。

                      通過分析上述幾種不同的數據采集系統,我們可以發現 ARM 融合了許多先進技術,利用 Internet 技術、USB 技術[25]以及觸摸屏和 LCD 顯示等可以實現多種功能的高效數據采集,但是也存在著一些數據采集慢、數據存儲慢及單一,數據的存儲對于數據采集系統是很關鍵的一步,它是后續對數據分析必不可少的,數據存儲的優劣直接影響到系統系能的高低,嚴重影響到了系統的實用性,特別對于慣導裝置的測試。

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                    目錄

                      摘要
                      Abstract
                      目錄
                      第 1 章 緒論
                        1.1 本論文研究背景與意義
                        1.2 數據采集系統國內外研究現狀
                        1.3 本文主要研究內容及組織結構安排
                      第 2 章 數據采集系統的總體方案設計
                        2.1 數據采集系統總體規劃
                          2.1.1 系統的功能需求
                          2.1.2 系統的架構設計
                          2.1.3 慣導數據采集系統框架
                          2.1.4 CPU 選型
                        2.2 數據采集板的操作系統簡介
                        2.3 Qt/Embedded 簡介
                        2.4 本課題設計方案
                        2.5 本章小結
                      第 3 章 數據采集系統的硬件設計
                        3.1 硬件平臺的搭建
                          3.1.1 ARM 主控芯片介紹
                        3.2 各模塊分析設計
                          3.2.1 NAND Flash 模塊
                          3.2.2 SDRAM 接口模塊
                          3.2.3 系統電源模塊
                          3.2.4 通信模塊
                          3.2.5 USB2.0 模塊
                          3.2.6 調試電路模塊
                          3.2.7 TF 卡模塊
                          3.2.8 LCD 模塊
                        3.3 PCB 設計
                          3.3.1 Cadence 電路設計軟件
                          3.3.2 PCB 設計流程
                        3.4 硬件調試
                          3.4.1 電路檢測
                          3.4.2 系統模塊功能測試
                        3.5 本章小結
                      第 4 章 數據采集系統的軟件設計
                        4.1 數據采集軟件平臺的搭建
                          4.1.1 安裝編譯的基本組件
                          4.1.2 uboot 的編譯
                          4.1.3 Linux 內核編譯
                          4.1.4 擴展硬盤空間
                        4.2 Linux-Qt 開發環境搭建以及編譯鏡像
                          4.2.1 uboot 的編譯
                          4.2.2 Linux 內核的編譯
                          4.2.3 Qt 編譯的環境以及編譯
                          4.2.4 Qt 源文件和補丁文件
                          4.2.5 驅動設計
                        4.3 數據采集軟件流程設計
                          4.3.1 數據采集模塊
                          4.3.2 數據傳輸模塊
                          4.3.3 數據存儲模塊
                          4.3.4 數據采集界面顯示模塊
                        4.4 本章小結
                      第 5 章 系統測試結果與分析
                        5.1 系統調試
                        5.2 數據采集結果和數據誤差分析
                      結論
                      參考文獻
                      攻讀學位期間發表論與研究成果清單
                      致謝

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