惯导装置数据采集系统的设计

摘要

　　随着惯性导航技术的快速发展，对基于惯性导航装置数据采集系统的精度和数据处理吞吐量要求越来越高，性能优良的数据采集系统备受惯性导航技术工作者的欢迎，为了提高系统的高效率、实时性、可扩展性，实现实时的采集数据在人机交互界面显示，本文提出了基于 ARM 的数据采集系统的设计方案。

　　本文详细阐述 Linux 系统下数据采集系统设计中的关键技术，包括信号处理、数据传输、数据显示、数据控制和存储及对采集的数据进行分析等，基于这些基本数据处理技术，提出了数据采集系统的总体设计方案。在系统的硬件设计中，分别对前端数据采集电路、系统电源电路、外围电路等模块进行了设计，完成最小硬件电路系统设计，重点设置串口传输模块，以达到数据采集传输的实时性要求，实现硬件系统的选型并依据高速 PCB 设计原则，利用 Cadence 软件绘制并制作系统的 PCB 板；在系统的软件设计中，首先搭建采集系统的软件平台，Linux 操作系统、BootLoader 、Qt及第三方库的裁剪、编译和移植，然后基于这个平台对惯性导航装置中的数据进行采集，将惯性导航装置中加速度计的加速度、陀螺仪的角速度、温度等数据传输至 ARM主控芯片当中，利用主控芯片中烧写的采集程序对数据进行实时采集，数据分别显示到 Qt 界面相应的 TexLine 里，实现数据显示模块；最后，将获取的数据保存到相应文件或者数据库里，实现数据实时存储和对采集的数据进行静态分析。

　　在本课题数据采集卡的核心部件是以 ARM 为基础，再进行外围的扩展，ARM 数据采集器基于 Linux 系统进行惯导数据的实时采集，有着较高的可调性和可扩展性。

　　关键词：惯导；Linux；数据采集；串口；ARM ；Qt；上位机；数据存储

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

　　惯性导航技术是一门综合了光学、机电、力学、计算机及数学等科学的尖端技术，是现代科学技术高速发展的产物[1]。我国已经具备了一定的自主研发、设计到生产的能力，越来越多的惯导设备已经投入到量产定型的阶段，并且成功的应用于军事和民用等众多领域中的导航和定位，如航天、航海、航空、大地测量、陆地车辆等。

　　随着先进的科学技术快速发展，惯性导航技术也获得了许多重大突破，一些先进的具有较强性能的辅助设备被引入到惯性导航技术中，数据采集系统在惯性导航技术中也逐渐发挥着重要的作用，性能优良的数据采集系统备受惯性导航技术工作者的欢迎。由于国防建设、科学考察、经济发展等众多方面的迫切需要，因此对惯导装置的性能要求越来越苛刻，高质量的数据采集是国家军工科技和工业生产水平的体现[2]。由于在惯导装置设备后期需要进行许多的测试实验以此来进行设备的验证，但是这些测试需要在不同的环境中进行，从而对于数据采集系统来说要求很高，在保证数据采集系统的大数据量、高性能、高精度之外，数据采集装置[3]

　　还要能够适应不同的测试场所。基于这些条件，惯性导航设备的数据采集器必须具有多种辅助功能，例如数据采集传输速度快、便于携带、数据存储方式多种多样、减少对其他设备的依赖[4]。由此看来为了后期研发出性能更加强的惯导装置[5]，设计一套高质量的数据采集系统时非常重要的。

　　惯性导航系统通常由计算机、惯性测量装置、控制显示器等组成[6]，惯性系统的核心测量原件主要是指陀螺仪和加速度计，又称惯性测量单元，这些测量单元中的DSP 是进行高速信号处理的主要部件，随着新的技术的发展，各种性能不同的惯性传感器出现在市场，这些惯性传感器不仅仅应用于军工武器装备[7]，也开始走向一些民用领域[8]。为了降低惯导装置中惯导系统的成本，寻找最简单有效的途径，利用对加速度计、陀螺仪等惯性器件上的信号进行采集和处理是一种可行的方法，但是采用传统的单任务顺序结构采集系统，实时性不够，很难满足实时的信号处理[9]。数字信号处理器（DSP）在数据采集方面具有很大的优势，能够实时处理外部事件。目前，DSP朝着数字式、高精度、高输出率的方向快速发展，如何后续对 DSP 处理后的信号进行系统的分析就显得非常有必要，鉴于采用 Windows 的实时界面显示，这里我们将采用基于 ARM Linux 系统下的实时数据采集系统，改变以往的传统数据采集方式，最大化的利用 Linux 系统的优势，简化数据采集装置。社会处于信息大爆炸的时代，如何有效的获取有价值的信息[10]，以成为当今社会的潮流，在电子工业、航天军工、工业生产等众多的控制系统中数据采集起着关键的作用，已广泛地应用于国防和国民经济建设的各个领域[11]，为此研究设计一款实时采集性能强的数据采集装置显得非常有必要。

　　在信息时代的大环境下，人们对数据采集技术的需求和要求越来越高[12]。对数据采集技术的研究中是从上世纪 50 年代开始的，最初由美国用于军事系统中，设计并实现了对数据采集系统首先应用在军事上，此后的二十多年内微型机进入快速发展的时期，同时数据采集系统也将数据采集器、相关测量仪表和智能计算机结合起来实现更好的数据采集性能[13]。随着计算机技术的发展，数据采集技术和计算机技术的结合也更加紧密。数据采集系统的应用更加广泛，开始朝着多元化和超高速的方向发展。

　　国外对于数据采集技术的研究起步比较早，并且在对数据采集技术研究的基础上加入各个硬件平台实现数据采集系统，目前已经拥有非常成熟的数据采集系统[14]产品。而在国内，对数据采集技术的研究和发达国家相比还有相当大的一段差距，针对低速数据信号的数据采集技术较为成熟[15]，目前可以应用到实际的数据采集系统中并已经取得不错的数据采集效果，但是针对采样频率高的高速数据来说，国内的数据采集技术还不够成熟。

　　一个完整的数据采集系统都应该包括硬件部分和软件部分，而要提高数据采集系统的性能也应该从软硬件两个方面着手考虑。在硬件方面，能用于实现数据采集系统的硬件平台有很多，在选择实现数据采集系统的硬件平台时，必须要考虑到数据采集芯片的性能、硬件平台的处理数据的速度、数据采集精度及采集数据是硬件平台的功耗等因素；确定了实现数据采集系统的硬件平台后，我们就可以从节约计算机硬件资源的角度来考虑使用何种软件技术实现数据采集传输等操作[16]。针对不同的硬件平台和待采集数据的特性、格式等，设计不同的软件对其进行数据采集、数据处理、数据传输能够保证数据采集系统的性能，研发专门采集和处理大数据的软件也是未来数据采集系统的主流方向。

　　ARM 处理器是 Acorn 有限公司面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器。全称为 Acorn RISC Machine。因为其拥有体积小、低功耗、低成本、高性能；支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定的优点，广泛应用于很多系统中。很多的数据采集系统都是以ARM 为核心设计的。本文选取四种经典的基于 ARM 的数据采集系统进行对比分析。

　　第一种是基于 ARM 的嵌入式数据采集与处理系统，第二种是基于 ARM-uC/OSII 的数据采集系统，第三种是基于 Linux 的以太网的远程数据采集系统[17]，第四种是基于ARM Linux 的高速数据采集器[18]。

　　基于 ARM Linux 的高速数据采集器为达到高速采集目的（2006）[19]。通过 FPGA设计双端口数据存储结构和多路 FIFO 缓冲，控制方式采取阈值模式获取信号，然后利用 ARM 外部的 FIQ，在适当的时机进行触发来获取观察数据。在搭建的 ARM Linux平台上，编写并实现数据采集应用程序和各个设备驱动程序，用户最后可以通过访问系统空间来采集实验数据并将数据在 LCD 上显示。

　　基于 ARM 的嵌入式数据采集与处理系统主要是实现不复杂的数据处理功能和FFT 普分析功能（2007）[20]。大多数是以 ARM[21]芯片为主在 ADS 的集成环境下完成触摸屏显示控制、AD7892 的连续采集等；基于 ARM-uC/OSII 的数据采集系统在逻辑设计方面主要有硬件层、操作系统层、应用设计层等（2008）。微处理器的选择以 S3C2410 为代表，程序存储器是 FlashROM，嵌入式系统核心内存是 SDRAM，操作系统层的设计思想主要是在已经移植了操作系统的前提下将内核进行扩展，最终在系统的软件层移植操作界面即可[22]。

　　基于 Linux 的以太网的远程数据采集系统[23]（2009）。CPU 处理采集的信号然后通过 USB 总线传输到系统平台，最后将采集的数据通过太网技术存储到后台数据库当中，利用 Internet 对数据采集板上的数据进行远程的访问与监控[24]。

　　通过分析上述几种不同的数据采集系统，我们可以发现 ARM 融合了许多先进技术，利用 Internet 技术、USB 技术[25]以及触摸屏和 LCD 显示等可以实现多种功能的高效数据采集，但是也存在着一些数据采集慢、数据存储慢及单一，数据的存储对于数据采集系统是很关键的一步，它是后续对数据分析必不可少的，数据存储的优劣直接影响到系统系能的高低，严重影响到了系统的实用性，特别对于惯导装置的测试。

激活 root 用户

修改数据源

数据源的更新

交叉编译工具

修改环境变量文件

交叉编译工具安装成功

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 本论文研究背景与意义
　　　　1.2 数据采集系统国内外研究现状
　　　　1.3 本文主要研究内容及组织结构安排
　　第 2 章 数据采集系统的总体方案设计
　　　　2.1 数据采集系统总体规划
　　　　　　2.1.1 系统的功能需求
　　　　　　2.1.2 系统的架构设计
　　　　　　2.1.3 惯导数据采集系统框架
　　　　　　2.1.4 CPU 选型
　　　　2.2 数据采集板的操作系统简介
　　　　2.3 Qt/Embedded 简介
　　　　2.4 本课题设计方案
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 数据采集系统的硬件设计
　　　　3.1 硬件平台的搭建
　　　　　　3.1.1 ARM 主控芯片介绍
　　　　3.2 各模块分析设计
　　　　　　3.2.1 NAND Flash 模块
　　　　　　3.2.2 SDRAM 接口模块
　　　　　　3.2.3 系统电源模块
　　　　　　3.2.4 通信模块
　　　　　　3.2.5 USB2.0 模块
　　　　　　3.2.6 调试电路模块
　　　　　　3.2.7 TF 卡模块
　　　　　　3.2.8 LCD 模块
　　　　3.3 PCB 设计
　　　　　　3.3.1 Cadence 电路设计软件
　　　　　　3.3.2 PCB 设计流程
　　　　3.4 硬件调试
　　　　　　3.4.1 电路检测
　　　　　　3.4.2 系统模块功能测试
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 数据采集系统的软件设计
　　　　4.1 数据采集软件平台的搭建
　　　　　　4.1.1 安装编译的基本组件
　　　　　　4.1.2 uboot 的编译
　　　　　　4.1.3 Linux 内核编译
　　　　　　4.1.4 扩展硬盘空间
　　　　4.2 Linux-Qt 开发环境搭建以及编译镜像
　　　　　　4.2.1 uboot 的编译
　　　　　　4.2.2 Linux 内核的编译
　　　　　　4.2.3 Qt 编译的环境以及编译
　　　　　　4.2.4 Qt 源文件和补丁文件
　　　　　　4.2.5 驱动设计
　　　　4.3 数据采集软件流程设计
　　　　　　4.3.1 数据采集模块
　　　　　　4.3.2 数据传输模块
　　　　　　4.3.3 数据存储模块
　　　　　　4.3.4 数据采集界面显示模块
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 系统测试结果与分析
　　　　5.1 系统调试
　　　　5.2 数据采集结果和数据误差分析
　　结论
　　参考文献
　　攻读学位期间发表论与研究成果清单
　　致谢

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