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26000字硕士毕业论文基于平台的嵌入式数字仪器系统低端通用驱动技术分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:26000字
论点:仪器仪表,智能,驱动
论文概述:

智能仪器仪表在生产、科研、以及服务人民生活等方面都具有十分重要的意义。本文着重于嵌入式智能仪器仪表平台中各功能模块中底层驱动技术的研究以及在软件的模块化在系统驱动层的实现

论文正文:

单线程理论

本章主要介绍了仪器仪表的概念、结构特点等研究背景。通过对智能仪器仪表研究现状的分析,指出了常规仪器仪表在结构和功能上的欠缺,并由此提出平台化智能仪器仪表系统这一新的智能仪表设计思想,最后介绍了课题来源以及本文的主要研究内容和预期目标。
 1.1 论文研究背景仪器仪表是人类认识物质世界的重要工具。人们从仪器仪表中获取物质世界的信息来作为实践行为的依据,并且利用仪器仪表提供的数据来评价实践行为的结果。仪器仪表作为信息采集工具,起着不可或缺的信息源作用。仪器仪表发展至今,大致经历了模拟式仪器仪表、数字化仪器仪表和智能仪器仪表这三个阶段。作为计算机技术与数字式仪器相结合的产物,智能仪器仪表是含有微计算机或微处理器的测量仪器。通过内置的微处理器,智能仪器仪表可以对测量数据进行存储、运算、分析,并做出逻辑判断,这极大的扩展了仪器仪表的功能。内置的微处理器赋予了智能仪表一定的智能化功能,可以自主的对所采集的数据进行一定的处理或者对自身的工作状态进行调整,完成诸如逻辑分析、自选量程、自动补偿、自寻故障等需要人类的智慧才能完成的工作[1]。与传统仪表相比,智能仪表具有以下特点:① 操作自动化与智能化。智能仪表具有自动检测校正功能,包括自动调零、自动校准、自诊断及量程自动转换等等;智能仪表能进行自我工作状态监测,自动检测出故障的部位甚至故障的原因,极大地提高了仪表的可靠性,方便了仪表的维护。② 具有更为友好的人机接口。智能仪表利用键盘、触摸屏、LCD 等 IO 设备代替了传统仪表的按钮开关和表盘,提供给操作人员更为丰富友好的操作方式。同时,智能仪表通过显示屏将仪表的运行状况、工作状态、工作参数、历史数据以及对数据处理结果等信息以更为直观的方式传递给操作人员。③ 具有强大的信息交互能力。智能仪表可以集成网口、串口等标准的通信接口,支持 CAN 等多种现场总线形式,可以很方便地利用网络将采集到的现场数据发送出去,与网络中的其他单元组成自动测控系统,大大提高了现场数据的利用效率。为了实现这种特性或功能,智能仪器中都内置有微处理器,同时在仪器内部固化完成各种智能工作的软件程序。因此,智能仪器不再是简单的硬件实体,而是硬件、软件相结合的产物。仪器仪表与微处理器的结合,取代了许多笨重的硬件,内部结构和人机界面大为改观。微处理器通过键盘、鼠标、触摸屏等更简便直观的输入设备接受命令和信号,并用来控制仪器的运行,执行常规测量,对数据进行智能分析和处理;将测量结果以数字或者图形的方进行输出,这用传统的模拟方法是很难做到的。图 1-1 描述了微机内置式智能仪器的典型结构。如图所示,微处理器为仪器的核心,通过内部总线及接口电路与输入、输出通道、仪器面板及数据存储设备相连。EPROM、flash 以及 RAM 组成的仪器内存可以存储仪器所用的后台软件及测量数据。输入通道包括输入放大器、抗混叠滤波器、多路转换器、采样/保持器、A/D 转换器、三态缓冲器等等。输出设备可以包括 LCD、磁盘、光盘、X-Y绘图仪或打印机等等,同时也可以通过各种通信接口将信息输出到网络上的其他处理单元。
 1.2 国内外研究现状本文旨在利用嵌入式系统集成度高、可配置性好的特点,提出一种基于嵌入式的平台化智能仪器仪表系统的设计方法,以及对在智能仪表平台搭建过程中涉及到的底层驱动技术进行研究。内容涉及嵌入式系统,智能仪器仪表,底层设备驱动等诸多技术领域。
 1.2.1 智能仪器仪表的研究现状计算机技术及微处理器技术的进步为推动了智能仪器仪表的发展注入了新的活力。通过其内置的微处理器,智能仪器仪表可以实现许多传统仪表无法完成的功能。其应用范围也广泛涉及到航空航天、环境检测、工业生产自动控制等诸多高新技术领域。在国外,高度智能化、多功能和综合应用的智能仪器仪表日益普遍,功能日益增强,智能化水平很高,有的智能仪器仪表甚至具备了专家系统和推断、分析决策和优化控制等高级智能功能。我国的智能仪表行业还处于起步阶段,仪表产品与发达国家的同类型产品还具有较大差距。主要体现在以下几个方面:①  功能单一,适用范围狭窄。由于在智能仪器仪表的设计过程中,偏重于仪表既定的测量对象,缺乏对仪器仪表功能扩展性的考虑,同时也受制于有限的硬件资源,造成仪表功能和应用场合单一化。② 智能化程度低。由于软件技术的限制和硬件资源条件。国内的智能仪表大多局限于自动校正等一些比较简单的智能功能。而对于多算法数据处理,逻辑分析,自动控制、故障自检等智能化程度较高的功能则显得力不从心。③  更新换代慢,产品升级困难。由于大部分智能仪表都采用的是一种封闭式的结构,并没有为新技术和新设备的集成预留空间。造成了国内智能仪器仪表的升级困难,对技术发展和工作环境的变化缺乏适应能力。
 2 智能仪器仪表平台的体系结构及软件系统模型
 本章首先简要分析了平台化智能仪器仪表系统的总体功能构成,然后根据功能需求描述了在整个系统的硬件体系框架。本章详细阐述了整个系统的软件结构,在对智能仪器仪表平台的工作机制和嵌入式系统相关技术的分析和研究的基础上,根据平台化的设计思想提出了智能仪器仪表平台的底层软件模型,包括可裁剪的嵌入操作系统和模块化底层设备驱动结构。
 3 智能仪器仪表平台底层设备驱动技术研究 ...........153.1 LINUX 下设备驱动程序概述.............153.1.1 Linux 系统下设备文件的定义及其设备无关性..........153.1.2 Linux 下的字符设备驱动程序...............173.1.3 linux 下的块设备驱动程序 ...................193.2 智能仪器仪表平台各功能模块底层设备驱动技术研究 ............223.3 本章小结 ..............334 嵌入式智能仪器仪表平台底层设备驱动的设计实现 ........344.1 设备驱动的模块化构建与内核的裁剪配置 ............344.1.1 设备驱动模块的添加 ...........344.1.2 内核的裁剪配置 ............ 354.2 系统引导程序 BOOTLOADER 的设计..........374.3 主要设备及接口驱动程序的设计实现 ..............404.3.1 SPI 接口驱动的设计及实现..........404.3.2 LCD 驱动的设计及实现 ............42 4.3.3 USB 驱动的设计实现................444.3.4 以太网接口驱动的设计与实现 ............464.4 智能仪器仪表平台应用实例 .................484.4.1 应用实例背景 ................494.4.2 银河数据采集记录平台功能描述 .............494.4.3 银河数据采集记录平台的应用效果 ..............494.5 本章小结 ..............505 结论 .................51
 结论
 智能仪器仪表在生产、科研、以及服务人民生活等方面都具有十分重要的意义。本文着重于嵌入式智能仪器仪表平台中各功能模块中底层驱动技术的研究以及在软件的模块化在系统驱动层的实现过程,主要研究结论如下:① 通过对智能仪器仪表平台的功能需求分析,针对其综合性、宽应用面、可配置、可扩展等功能特点,完成了智能仪表平台由物理设备、内核空间设备驱动模块和虚拟文件系统所组成的底层设备驱动模块结构设计。② 建立了平台化智能仪器仪表系统功能的配置扩展机制:通过对操作系统内核裁剪或设备驱动模块动态添加完成对仪表功能的配置和扩展。③ 解决了智能仪器仪表平台搭建过程中底层设备接口驱动中所涉及到的物理设备配置、内核缓冲构建维护、内核缓冲向用户空间映射等关键技术性问题。完成了对系统引导模块和 SPI、I2C、LCD、以太网口等设备驱动模块的开发编写,并且成功运用于实际产品之中。由于本文只是智能仪器仪表平台项目一个阶段性的研究成果,对于智能仪器仪表平台中一些已有功能模块驱动软件还需要进一步优化以提高性能;另一方面,由于仪器仪表测量需求的不断发展,智能仪表平台也需要对许多更新的智能仪表技术提供支持,这也是需要我们进行努力的地方。同时,也希望各位专家不吝提出宝贵的建议!
 参 考 文 献:[1] 徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,1995:23~28 马文,吕国强,李思思等著. 智能检测仪器设计[M]. 上海: 上海交通大学出版社,1995:34~37[3] 李昌禧. 智能仪表原理与设计[M]. 北京:化学工业出版社,2005: 85~87 沈兰荪. 仪器仪表智能化的进展[J]. 测控技术. 1999,18(1):10~11[5] 孔亚飞,陈仁文,周勇等. 测试仪器发展概述[J]. 仪器仪表学报, 2003, 21(5): 480~481 郭志坚. 我国仪器仪表中、长期科学和技术发展规划的思考[J]. 中国仪器仪表, 2004,(9):2~3 吴鹏. 我国仪器仪表行业的发展现状[J]. 自动化信息, 2005(10):14 潘世永,郑萍,李英. 工业自动化仪表的智能化[J]. 中国仪器仪表,2003(8):145-146[9] 周骆斌,冯冬芹,褚健,工业自动化仪表的发展趋势[J],电工技术,2004(3):3-4 于洋,张永良,陈亮. 基于以太网的智能过程控制仪表的设计[J]. 电子技术应用,2005(12):116~117