课程设计（论文）
课程名称：通信技术课程设计
题目：基于ARM嵌入式系统的
无线数据采集系统设计
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级：学生姓名：指导教师（签名）：
一、课程设计（论文）题目
基于ARM嵌入式系统的无线数据采集系统设计
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
设计一个基于ARM嵌入式系统的无线数据采集系统
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）
设计一个基于ARM嵌入式系统的无线数据采集系统。系统的设计应分为系统的工作原理、接口原理、软件和硬件部分。主要包括数据采集、接收，硬件接口的设计等方面。通过这些组成部分的设计，最终实现数据的无线采集。
四、应收集的资料及主要参考文献：
[1] 李朝青. 无线发送/接收IC 芯片及其数据通信技术选编[M ]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2003.
[2] 贾爱琴. ADS 774 在烟支重量检测系统中的应用[J ]. 现代电子技术,2003 (7) :82 284.
[3] 杜春雷.ARM体系结构与编程.北京:清华大学出版社,2003.02
[4] 管耀武杨宗德. 《ARM嵌入式无线通信系统开发实例精讲》.电子工业出版社. 2006
五、审核批准意见
教研室主任（签字）
摘要
嵌入式系统作为计算机应用的一个新领域，凭借其高稳定性，高效率等优点越来越多的应用到各个方面，以嵌入式系统为平台的数据采集系统可实现高采样频率，高数据传输速率，并可以实现对数据的高速缓存。本课题在嵌入式系统的基础上，详细描述了基于ARM的无线数据采集系统的硬件与软件实现，并给出了一定的实验数据结果，最后进行对系统进行了调试,对课题进行了总结。
关键词：ARM；S3C2440；嵌入式系统；数据采集
Abstract
Embedded system，as a new area of computer applications，with its high stability，high efficiency can be applied to various fields．Embedded system as aplatform for data acquisition Can achieve high sampling frequency，high data transfer rate，and the implementation of data cache．I introducted a ARM-based wireless data acquisition system hardware structure and software implementation，given some test data，Finally summarize system characteristics.
Keywords：ARM;S3C2440;Embeded System;Data Acquisition
目录
一引言 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2相关概念 (2)
1.3课题意义 (2)
1.4报告内容安排 (3)
二嵌入式系统简介 (4)
2.1嵌入式系统的特点 (4)
2.2嵌入式操作系统 (6)
三系统硬件设计 (13)
3.1ARM处理器简介 (14)
3.2基于单片机数据采集模块 (15)
3.3无线数据收发模块 (16)
四系统软件设计 (18)
4.1W IN CE应用程序设计 (18)
4.2基于单片机数据采集模块程序设计 (25)
4.3无线收发模块程序设计 (27)
4.4上位机应用程序设计 (28)
4.5系统调试 (30)
五总结 (31)
参考文献 ............................................................ 错误！未定义书签。
一引言
1.1课题背景
伴随着计算机技术的迅速发展，工业数据采集与控制系统已由传统的测控电路发展为由微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组成的现代数据采集与控制系统。但是以微型计算机为核心平台的数据采集和控制系统也逐渐暴露出许多缺陷：工业环境一般条件恶劣，而微型计算机的防尘、防震等功能较差；体积大，不易携带使用；扩展性差、成本高等。因此，以嵌入式系统为平台的无线数据采集系统就应运而生了。嵌入式数据采集系统具有以下特点
(1)可靠性高。嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、扩展卡相比，具有防震、防尘优点：程序固化在Flash/ROM中，不易破坏；硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。
(2)体积小。由于高端微型处理器甚至SOC的应用，嵌入式系统的体积不断减小，直接影响数据采集与控制系统的体积，从而形成便携式系统，携带和使用非常方便。
(3)易扩展、功能强。嵌入式数据采集与控制系统很容易扩展出输入/输出(I/O)接口，实现各种功能。
(4)开发周期短、成本低。嵌入式系统开发的数据采集与控制系统，周期短、成本低，具有微机工业控制系统无法比拟的优势。
随着后PC时代的到来，现代工业数据采集系统已经从传统电路、微机模式走进了嵌入式系统模式，嵌入式系统在工业数据采集系统中起着不可替代的作用。在许多数据采集环境中，我们无法对采集系统进行现场控制，这就需要我们把需要的数据采集并存储于如SD(Secure Digital)卡、CF(CompactDigital)卡中。随着无线通信技术的发展，远距离大数据量的
数据传输己成为可能，这样把先进的无线通信技术应用到工业采集控制系统上，可以对系统进行实时的监控。
1.2相关概念
1.2.1嵌入式系统的概念
所谓嵌入式系统(Embedded System)，实际上是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。根据电气工程师协会(IEEE) 的定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。这个定义是从应用方面考虑的，国内一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
1.2.2数据采集技术的概念
数据采集与控制技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是以传感器信号的测量与处理，以微计算机等高技术为基础形成的综合应用技术，随着计算机技术在工业监测、控制和管理等方面的广泛应用，数据采集和控制技术就成为这些实际应用系统的一个重要组成部分。数据采集与控制技术的硬件主要包括传感器、采集器、转换器、显示器、致动器和计算机等。软件主要包括通用软件和测控软件等。它们可以根据实际任务的需要组成不同用途不同规模的测控自动化系统。这种系统可为农业、工业、国防和科学技术实现现代化做出重要贡献。
1.3 课题意义
在由单片机和微型计算机组成的工业数据采集和控制系统中，计算机与计算机、计算机与单片机之间经常需要进行数据交换。由于许多数据采集系统都是针对自己特定的应用领域而建立的，因此，数据采集与控制系统的应用范围就受到很大的限制。而本文基于嵌入式系统ARM平台的设计
方法，能够使数据采集与控制系统的应用范围进一步扩大，具有较高的通用性，并且在采用实时操作系统后，部分功能的改变只需要添加或删除相关的任务代码，不必对整个系统进行大的改动，在系统的实时性和可靠性方面也具备了很强的优势。有助于将传统的数据采集系统推向于高准确性，高实时性，小型化，智能化的新型发展平台。由于嵌入式操作系统具有可裁剪性和可移植性，又使得本系统具备了功能强大，性能稳定，可视化，接口简单等特点。凭借嵌入式处理器卓越的数据采集与控制能力，在工业领域必然有着更为广阔的应用空间。并同时本文提出的架构和设计原则对基于嵌入式系统平台的其他功能模块的设计和实现也有一定的指导意义。
1.4 报告内容安排
本文的研究方向是基于ARM9的嵌入式数据采集系统，该系统完成数据的采集、存储和发送。主要研究内容包括以下几个方面：
第l章引言主要介绍课题的研究背景和意义，并对嵌入式系统和数据采集的概念、特点及组成作了阐述，同时对采用嵌入式进行数据采集的优点作了阐述。
第2章主要从系统要实现的功能出发，对嵌入式操作系统作了介绍。
第3章是系统的硬件设计,对三个部分的功能详细论述。
第4章是系统的软件设计，本章详细论述了四个软件部分。
第5章总结
二嵌入式系统
嵌入式系统在工业领域越来越广泛应用已经是不争的事实，而选择合适的嵌入式操作系统是保证整个数据采集系统性能与稳定性的关键。目前市场上的嵌入式操作系统主要有：Wince、Embedded XP、Windows Mobile、Linux、VxWorks、QNX、Palm OS等等。其中Wince是微软推出一款功能强大的嵌入式实时操作系统，凭借其高性能，高实时，界面风格与Windows 保持一制等特点，使其广泛应用于各种智能手提便携式以及数据采集仪器中。
2.1嵌入式系统的特点
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。根据IEEE(国际电机工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助操作机器和设备运行的装置”目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。按照以上定义，嵌入式系统是指不同于常见计算机系统的一种系统，它不以独立设备的物理形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备以及应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储以及控制作用。从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微控制器：硬件通常包括微处理器、存储器、外部设备和加端口、图形控制器等等。软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
图1嵌入式系统的层次结构
嵌入式系统和通用的计算机系统相比具有以下几个重要特点：
l：系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
2：系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不管是硬件还是软件都要高效率的设计，力争在相同的资源条件下实现更高的性能。
3：专用性强。嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式系统的设计和开发必须要考虑特定环境和系统的要求。而且嵌入式系统将软件系统、硬件和具体应用及行业特点有机的结合在一起，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和
增减不断进行修改。
4：为了提高系统的执行速度和可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中；同时软件代码要求高质量和高可靠性。
5：由于嵌入式系统其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
2.2嵌入式操作系统
2.2.1 嵌入式操作系统的特点
嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)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(包括硬件、软件系统)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、图形界面、标准化浏览器等。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、驱动程序、工具集以及应用程序。
嵌入式操作系统EOS是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着 Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS 的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而方的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、
中断处理、文件处理等外，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。其中，其最大的特点就是可定制性，也就是它能够提供可配置或可剪裁的内核能和其他功能，可以根据应用的需要有选择的提供或不提供某些功能以减少系统开销还有以下特点：
①可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。
②强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。
③统一的接口。提供各种设备驱动接口。
④操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。
⑤提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，提供
TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。
⑥强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。
⑦固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。
⑧更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。
2.2.2 常用嵌入式操作系统
目前市场上比较成熟的嵌入式操作系统比较多，主要有uc/os-II、PALM OS、Vxworks、LinuX、Wince、EPOC等。
(1)Palm OS
Palm是3Com公司的产品，其操作系统为Palm OS。Palm
是一种32位的嵌入式操作系统。Palm提供了串行通信接口和红外线传输接口，利用它可以方便地与其它外部设备通信、传输数据；拥有开放的OS
应用程序接口，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。Palm OS是一套具有术强开放性的系统，现在有大约数千种专用为Palm OS编写的应用程序，从程序内容上看，小到个人管理、游戏，大到行业解决方案，Palm OS无所不包。在丰富的软件支持下，基于Palm OS的掌上电脑功能得以不断扩展。
Palm OS是一套专门为掌上电脑开发的OS。在编写程序时，Palm O
充分考虑了掌上电脑内存相对较小的情况，因此它只占有非常小的内存。由于基于Palm OS编写的应用程序占用的空间也非常小（通常只有几十KB），所以，基于Palm OS的掌上电脑（虽然只有几MB的RAM）可以运行众多应用程序。
由于Palm产品的最大特点是使用简便、机体轻巧，因此决定了Palm OS 应具有以下特点。
①操作系统的节能功能。由上掌上电脑要求使用电源尽可能小，因此在Palm OS的应用程序中，如果没有事件运行，则系统设备进入半休眠（doze）的状态；如果应用程序停止活动一段时间，则系统自动进入休眠（sleep）状态。
② 合理的内存管理。Palm的存储器全部是可读写的快速RAM，动态RAM （Dynamic RAM）类似于PC机上的RAM，它为全局变量和其它不需永久保存的数据提供临时的存储空间；存储RAM（Storage RAM）类似于PC机上的硬盘，可以永久保存应用程序和数据。
③Palm OS的数据是以数据库（database）的格式来存储的。数据库
是由一组记录（records）和一些数据库头信息组成的。为保证程序处理速度和存储器空间，在处理数据的时候，Palm OS不是把数据从存储堆（Storage Heap）拷贝到动态堆（Dynamic Heap）后再进行处理，而是在存储堆中直接处理。为避免错误地调用存储器地址，Palm OS规定，这一切都必须调用其内存管理器里的API来实现。
Palm OS与同步软件（HotSync）结合可以使掌上电脑与PC机上的信息实现同步，把台式同的功能扩展到了掌上电脑。Palm应用范围相当广泛，如：联络及工作表管理、电子邮件及互联网通信、销售人员及组别自动化等等。Palm外围硬件也十分丰富，有数码相机、GPS接收器、调制解调器、GSM无线电话、数码音频播放设备、便携键盘、语音记录器、条码扫描、无线寻呼接收器、探测仪。其中Palm与GPS结合的应用，不但可以作导航定位，还可以结合GPS作气候的监测、地名调查等。
(2) Windows CE
Windows CE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作。它是精简的Windows 95。Windows CE的图形用户界面相当出色。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消费（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侣（Companion）；E 代表电子产品（Electronics）。与Windows 95/98、Windows NT不同的是，Windows CE是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽来源于Windows 95/98，但Windows CE是基于Win32 API重新开发的、新型的信息设备平台。Windows CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。Windows CE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在Windows CE平台上可以使用Windows 95/98上的编程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同样的函数、使用同样的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在
Windows CE平台上继续使用。
Windows CE的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支持多种CPU。它的设计可以满足多种设备的需要，这些设备包括了工业控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，还有像照相机、电话和家用娱乐器材之类的消费产品。一个典型的基于Windows CE
的嵌入系统通常为某个特定用途而设计，并在不联机的情况下工作。它要求所使用的操作系统体积较小，内建有对中断的响应功能。
Windows CE的特点有：
①具有灵活的电源管理功能，包括瞬眠/唤醒模式。
②使用了对象存储（object store）技术，包括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆等。
③拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接以及拨号连接，并提供与PC、内部网以及Internet的连接，还提供与Windows 9x/NT的最佳集成和通信。
④支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。
⑤更好的线程响应能力。对高级别IST（中断服务线程）的响应时间上限的要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。
⑥256个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性。
⑦Windows CE的API是Win32 API的一个子集，支持近1500个Win32
API。有了这些API，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在Windows CE 系统中，所提供的API也可以随具体应用的需求而定。
在掌上型电脑中，Windows CE包含如下一些重要组件：Pocket Outlook 及其组件、语音录音机、移动频道、远程拨号访问、世界时钟、计算器、多种输入法、GBK字符集、中文TTF字库、英汉双向词典、袖珍浏览器、电子邮件、Pocket Office、系统设置、Windows CE Services软件。
(3) Linux
Linux是一个类似于Unix的操作系统。它起源于芬兰一个名为Linus Torvalds的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。Linux从1991年问世到现在，短短10年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的Linux OS 已成为Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的强劲对手。Linux系统不仅能够运行于PC平台，还在嵌入式系统方面大放光芒，在各种嵌入式Linux OS迅速发展的状况下，Linux OS逐渐形成了可与Windows CE等EOS进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。Linux现已成为嵌入式操作的理想选择。
嵌入式Linux OS的特点：
①精简的内核，性能高、稳定，多任务。
②适用于不同的CPU，支持多种体系结构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。
③能够提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。
④提供嵌入式浏览器、邮件程序、MP3播放器、MPEG播放器、记事本等应用程序。
⑤提供完整的开发工具和SDK，同时提供PC上的开发版本。
⑥用户可定制，可提供图形化的定制和配置工具。
⑦常用嵌入式芯片的驱动集，支持大量的周边硬件设备，驱动丰富。
⑧针对嵌入式的存储方案，提供实时版本和完善的嵌入式解决方案。
⑨完善的中文支持，强大的技术支持，完整的文档。
⑩开放源码，丰富的软件资源，广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广。
三系统硬件设计
整个基于ARM9的无线数据采集系统硬件部分主要由三个模块组成：
(1)基于C8051F920的数据采集模块；
(2)S3C2440 ARM开发板；
(3)基于CC2430的无线通信模块。
图2系统主要组成模块
从图中可以看到在数据采集模块采用了AD双级放大，大大提高了整个系统的放大倍数，提高了系统对微弱信号的识别能力。其最大放大倍数可达4096倍，最大采样频率为4K，完全满足一般的实验要求。而在数据传输方式上为了克服ZigBee协议数据传输速率慢，抗电磁干扰能力弱的缺点，在ZigBee协议的基础上还另外添加了一套基于TCP/IP协议的采用SOCKET文件传输协议实现与上位机之间的数据文件传输。这两套数据传输线路独立进行的，ZigBee适用远距离，低速率，低精度的试验场合，
而TCP/IP协议适用于要求高速率，高精度、电磁干扰较大的测试场合。系统的主要性能指标如下：
1：最大采样频率4Kb/s；最大放大倍数4096倍，最小分辨电压10微伏；
2：无线传输速度可达10kb/s；系统最短响应中断时间10ms；
3.1 ARM处理器简介
ARM系列处理嚣是英国先进RISC机器公司(AdvancedRISCMaehines，ARM)的产品。ARM公司是业界领先的知识产权供应商，与一般的公司不同，ARM公司只采用m授权的方式允许半导体公司生产基于ARM的处理器产品，提供基于ARM处理器内核的系统芯片解决方案和技术授权，不提供具体的芯片。目前市场上推出的ARM处理多种多样，主要包括要包括了四个系列：通用微处理器系列、SecurCore系列、Intel的StrongARM、Intel的Xscale.
3.2基于单片机数据采集模块
由于三星S3C2440处理器内部只包含2个通道的10位AD转换接口，而且其最大放大倍数仅为128倍，无法满足实际现场要求，因此数据采集部分我采用了基于单片机的AD采集放大模块，模块组成如图3所示。
数据采集模块主要由包括以下几个部分：
1：AD转换与放大部分；该部分采用了AD8231与AD7684双级放大；
2：SPI控制与低通滤波部分；SPI控制部分采用的是MCP6S21，而低通滤波部分采用了四阶低通滤波芯片MAX74XX。该芯片的截止频率可实现
1HZ～100KHZ可调节控制；
3：基准电压；通过CMOS电路提供了2V的直流基准电压；
4：主控制芯片；主控制芯片采用了小体积封装的C805 1F920；