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[摘 要]：嵌入式系统是当今最流行的前沿技术之一。将嵌入式技术引入数据采集系统，可大大提高系统的实时性和灵活性，满足日益提高的测量需求。本文笔者探讨了基于ARM的嵌入式数据采集系统。
[关键词]：ARM 嵌入式数据 采集系统
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-183-01
随着计算机和微电子技术的进步，嵌入式系统越来越广泛的应用于各个领域。目前己经有智能家电、掌上电脑、机顶盒、手机、指纹锁等大量产品进入市场。本文笔者探讨了基于ARM的嵌入式数据采集系统。
一、嵌入式系统简介
1、嵌入式系统定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，軟硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。它与通用型计算机系统相比。具有以下特点：体积小、功耗低，通常作为设备的一部分“嵌入”其中：面向特定应用，是定制性的系统；软硬件必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余；成本低，性价比高，生命周期长；不具备自举开发能力；可靠性容易得到保证。
2、嵌入式系统的组成及体系结构
嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等部分组成，其体系结构如图1所示。
图：嵌入式系统体系结构
二、嵌入式数据采集系统的硬件设计遵循的准则
（1）模块化设计：硬件设计应根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能选用模块化结构的典型电路，各模块间的联系力求松散。以便硬件发生故障时的检修。此外，无论是原理图还是PCB设计，也应遵守模块化思想。原理图模块化可以使设计思路清晰，查错容易；PCB模块化则有利于系统调试和提高可靠性。
（2）可重构原则：ARM系列CPU大多具有JTAG调试和编程接口，可在系统烧写FLASH。这样在不动器件的情况下只需改变存储的程序，就可改变软件系统的功能。另外，本系统采用的FPGA具有在系统编程（ISP）能力，因此，当应用对象变化需要改变系统功能时，只需改变FPGA的内部逻辑就可实现FPGA功能的改变，这样可大大增强系统的灵活性。例如，某些应用场合需要外接SPI设备时，由于44BO自身不带SPI接口，这时就可通过逻辑编程把FPGA的部分备用IO模拟成SPI接口。
（3）简化设计：硬件设计时尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利于提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、接点和封装数目，从而大大提高系统工作的可靠性。
（4）防干扰设计：某些应用现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须具体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强自身工作的稳定性。
三、基于ARM的嵌入式数据采集系统硬件平台结构设计
基于ARM的嵌入式数据采集系统硬件结构如图2。ARM处理器为系统的核心单元，它对采集的各种参数进行运算、分析和显示，并可通过RS232串口或者USB传送给本地PC作进一步处理；RS485则可用于与本地带485接口的仪表通讯；通过带串口的无线数传电台或网络接口则可实现远程监控。
FPGA作为一个外部协处理器使用，功能类似于8255 I/O扩展芯片，通过总线和ARM处理器连接，它目前主要实现的功能是脉冲计数、键盘扫描、开关量的输入输出及一些简单的组合逻辑。当应用需求发生变化时，对FPGA重新进行编程即可改变其逻辑行为。
图2：系统硬件结构
四、ARM处理器构建数据采集器的硬件平台的优势
ARM是一种32位精简指令系统（RISC）的微处理器内核，由英国ARM公司设计，Intel、LG、Philips。、NEC、IBM、Sony。、SamSung等30多家大的半导体公司被授权生产具有ARM内核的处理器芯片。相对基于其它微处理器的嵌入式系统，使用ARM处理器构建数据采集器的硬件平台优势在于以下几点：
1、多级流水线结构，处理速度快，同频率处理能力更强。对于F15负荷车测控系统中的数据采集单元来说，速度要求并不高。但是对于其它需要进行反馈控制的场合。往往要对输入参量进行数据计算并最终输出控制量。所以速度不能成为瓶颈，ARM内核高处理速度显然是一个优势。
2、小体积、低功耗。ARM是同档次嵌入式处理器中功耗较低的一种，散热问题不需多考虑；低电压、微电流供电。这些无疑都是便携式数据采集的理想选择。
3、ARM的目标是高速、小型、低能耗，其中ARM7TDMI去掉了内存管理单元，将ARM7指令集同Thumbl6位指令扩展组合在一起，以减少内存容量，同时具有片上在线调试支持，降低了系统开发成本。
4、ARM芯片的授权生产方式使多家半导体厂商的产品形成有序的市场细分和竞争。可选用的芯片种类众多，片上资源丰富，市场价格也较低。同时还使产品具有长久的生命周期和稳定的供货渠道。
5、ARM高度统一的体系结构可以保证软件在大量使用ARM的系统中方便地移植，从而降低硬件升级或改变后的软件开发成本。
6、应用广泛，技术成熟，服务支持齐全，降低了开发风险。
从性价比、可选性、供应商和服务支持的广泛程度、使用风险等方面看，ARM都容易满足系统的要求。
参考文献：
[1] 杜春雷.ARM体系结构与编程。北京：清华大学出版社，2003，2-160
[2] 沈林丰，宋铁成，叶芝慧等.嵌入式系统及其开发应用.北京：电子工业出版社，2005，1-8
[3] 胥静.嵌入式系统设计与开发实例详解.北京：北京航空航天大学出版社，，2005，55-83
[关键词]：ARM 嵌入式数据 采集系统
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-183-01
随着计算机和微电子技术的进步，嵌入式系统越来越广泛的应用于各个领域。目前己经有智能家电、掌上电脑、机顶盒、手机、指纹锁等大量产品进入市场。本文笔者探讨了基于ARM的嵌入式数据采集系统。
一、嵌入式系统简介
1、嵌入式系统定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，軟硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。它与通用型计算机系统相比。具有以下特点：体积小、功耗低，通常作为设备的一部分“嵌入”其中：面向特定应用，是定制性的系统；软硬件必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余；成本低，性价比高，生命周期长；不具备自举开发能力；可靠性容易得到保证。
2、嵌入式系统的组成及体系结构
嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等部分组成，其体系结构如图1所示。
图：嵌入式系统体系结构
二、嵌入式数据采集系统的硬件设计遵循的准则
（1）模块化设计：硬件设计应根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能选用模块化结构的典型电路，各模块间的联系力求松散。以便硬件发生故障时的检修。此外，无论是原理图还是PCB设计，也应遵守模块化思想。原理图模块化可以使设计思路清晰，查错容易；PCB模块化则有利于系统调试和提高可靠性。
（2）可重构原则：ARM系列CPU大多具有JTAG调试和编程接口，可在系统烧写FLASH。这样在不动器件的情况下只需改变存储的程序，就可改变软件系统的功能。另外，本系统采用的FPGA具有在系统编程（ISP）能力，因此，当应用对象变化需要改变系统功能时，只需改变FPGA的内部逻辑就可实现FPGA功能的改变，这样可大大增强系统的灵活性。例如，某些应用场合需要外接SPI设备时，由于44BO自身不带SPI接口，这时就可通过逻辑编程把FPGA的部分备用IO模拟成SPI接口。
（3）简化设计：硬件设计时尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利于提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、接点和封装数目，从而大大提高系统工作的可靠性。
（4）防干扰设计：某些应用现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须具体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强自身工作的稳定性。
三、基于ARM的嵌入式数据采集系统硬件平台结构设计
基于ARM的嵌入式数据采集系统硬件结构如图2。ARM处理器为系统的核心单元，它对采集的各种参数进行运算、分析和显示，并可通过RS232串口或者USB传送给本地PC作进一步处理；RS485则可用于与本地带485接口的仪表通讯；通过带串口的无线数传电台或网络接口则可实现远程监控。
FPGA作为一个外部协处理器使用，功能类似于8255 I/O扩展芯片，通过总线和ARM处理器连接，它目前主要实现的功能是脉冲计数、键盘扫描、开关量的输入输出及一些简单的组合逻辑。当应用需求发生变化时，对FPGA重新进行编程即可改变其逻辑行为。
图2：系统硬件结构
四、ARM处理器构建数据采集器的硬件平台的优势
ARM是一种32位精简指令系统（RISC）的微处理器内核，由英国ARM公司设计，Intel、LG、Philips。、NEC、IBM、Sony。、SamSung等30多家大的半导体公司被授权生产具有ARM内核的处理器芯片。相对基于其它微处理器的嵌入式系统，使用ARM处理器构建数据采集器的硬件平台优势在于以下几点：
1、多级流水线结构，处理速度快，同频率处理能力更强。对于F15负荷车测控系统中的数据采集单元来说，速度要求并不高。但是对于其它需要进行反馈控制的场合。往往要对输入参量进行数据计算并最终输出控制量。所以速度不能成为瓶颈，ARM内核高处理速度显然是一个优势。
2、小体积、低功耗。ARM是同档次嵌入式处理器中功耗较低的一种，散热问题不需多考虑；低电压、微电流供电。这些无疑都是便携式数据采集的理想选择。
3、ARM的目标是高速、小型、低能耗，其中ARM7TDMI去掉了内存管理单元，将ARM7指令集同Thumbl6位指令扩展组合在一起，以减少内存容量，同时具有片上在线调试支持，降低了系统开发成本。
4、ARM芯片的授权生产方式使多家半导体厂商的产品形成有序的市场细分和竞争。可选用的芯片种类众多，片上资源丰富，市场价格也较低。同时还使产品具有长久的生命周期和稳定的供货渠道。
5、ARM高度统一的体系结构可以保证软件在大量使用ARM的系统中方便地移植，从而降低硬件升级或改变后的软件开发成本。
6、应用广泛，技术成熟，服务支持齐全，降低了开发风险。
从性价比、可选性、供应商和服务支持的广泛程度、使用风险等方面看，ARM都容易满足系统的要求。
参考文献：
[1] 杜春雷.ARM体系结构与编程。北京：清华大学出版社，2003，2-160
[2] 沈林丰，宋铁成，叶芝慧等.嵌入式系统及其开发应用.北京：电子工业出版社，2005，1-8
[3] 胥静.嵌入式系统设计与开发实例详解.北京：北京航空航天大学出版社，，2005，55-83