论文总字数：23171字

摘 要

随着微电子、计算机、网络等技术的高速发展，现代工业数据的采集已从传统电路、微机模式发展成为嵌入式系统模式，嵌入式系统在现代工业数据采集中扮演着重要作用。

本论文设计是利用基于ARM9 的32位高端嵌入式微处理器和8279芯片的平台设计开关量的输入与输出电路以及模拟量的输入电路，以此构成事故追忆系统的核心电路。本论文包括以下内容：嵌入式系统概述、开关量输入信号的检测方法、开关量输入输出的隔离与驱动、开关量输入输出电路设计。本论文最终实现的功能为：40路开关量信号的采集与输入，40路开关量信号的输出；达到的技术指标为：（1）开关量输入信号引起的尖峰脉冲对内部电路系统无干扰；（2）开关量响应时间≤1ms；（3）用中断方式对开关量动作进行处理；（4）固态继电器动作寿命≥10⁵次；（5）8路模拟量信号的输入与处理。

本论文所设计的开关量输入输出电路以及模拟量的输入电路可应用于各个类型的采集系统，具有较高的使用价值。

关键字：嵌入式系统；ARM9；8279芯片；光电耦合器；开关量输入输出；固态继电器；模拟量输入

Title: Accident recall system design Based on Embedded Systems

Name: Li Xin

Number: 03011427

Supervisor: Deng Aidong associate-professor

Abstract

With the rapid development of the technologies of micro-electronics, computer and network ,in modern time data acquisition has been embedded mode instead of the traditional mode and industrial personal computer .The embedded system plays an important role in the industrial data acquisition.

The main purpose of this thesis is designing DI/DO and AI circuit based on ARM9 32-bit high-end embedded microprocessors and 8279 chip. The design includes the following sections: the overview of embedded system, the signal detection of DI, the isolation and drives of DI/DO, The Design of Switch DI/DO Circuit. This thesis is ultimately able to achieve the following functions: 16-channel DI/DO. And it can be meet the following requirements: (1) switch input signal spikes caused no internal circuit system interference; (2) switch response time ≤ 1ms; (3) the processing of the interrupt switch action; (4) solid-state relay life ≥ 10⁵ times; (5 )8-channel input and processing of analog signals.

The design of DI/DO and AI circuits of this paper can be applied to various types of acquisition system, which has the high use value.

Keywords: Embedded System; AEM9; 8279 chip; The Optocoupler; DI/DO; AI

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 论文主要内容 1

第二章 嵌入式系统的概述 3

2.1 嵌入式系统的简介 3

2.1.1 嵌入式系统的定义 3

2.1.2 嵌入式系统的发展历史 4

2.1.3嵌入式系统的特点 5

2.1.4嵌入式系统的发展现状 6

2.2嵌入式系统的组成 7

2.2.1 嵌入式系统的硬件 7

2.2.2 嵌入式系统的软件 8

2.3 嵌入式系统的核心器件 9

2.4 嵌入式系统处理器ARM 9

第三章 开关量输入信号的检测 11

3.1 8279功能描述 11

3.2 8279的硬件接口 13

3.3 8279的软件设计 13

3.4 开关量输入信号处理 16

第四章 开关量输入信号的隔离器件 19

4.1 光电耦合器的结构和工作原理 19

4.2 光电耦合器的基本特点 20

4.3 开关量采样的干扰和抗干扰电路设计 20

第五章 开关量输出信号的驱动与隔离 22

5.1 固态继电器的原理与结构 22

5.2 固态继电器的特点 23

5.3 固态继电器在使用中的注意事项 23

5.4 基于固态继电器驱动及隔离的开关量信号输出 23

5.4.1 开关量信号的驱动转换 23

5.4.2 基于固态继电器隔离的开关量信号输出^[11] 24

第六章 模拟量的输入 26

6.1 模拟量信号处理的系统方案 26

6.2 模拟量信号的处理 27

第七章 总结 28

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

一台汽轮发电机组的监控信号一般上百点，大型机组甚至近千点，一旦设备原因或人工原因造成事故，电厂设备在瞬间可能会产生多个监控信号超越限度或多个联锁动作故障，仅凭电厂工作人员判断和操作将无法及时完全正确辨认各个信号或动作出现的地点、时间以及先后次序，更不能及时准确地查找故障发生的原因，也不能及时采取正确措施。因此，必须配备能够准确快速识别开关量是否动作及动作顺序的检测设备，为尽快查找事故原因、分清事故责任、缩短故障修复时间提供依据。因此可在重要设备嵌入满足特定要求的系统，对这些重要设备进行数据采集和存储。一旦有事故发生，可调出事故发生之前一段时间内的数据，并对其进行分析。根据数据分析的结果可以找到设备发生故障的原因；如果进行事前分析，也可判断可能存在的事故征兆，为在事故发生之前采取有效的措施提供可靠依据。此外，电厂有大量的电动机、阀门、开关等电动执行机构，在信息化的电厂中需要数字控制设备对其进行集中程序和逻辑控制，而数字信号不能直接驱动电动机构，需要设计有足够驱动能力的电路进行控制。综上所述，开关量输入输出环节是电厂检测与控制系统中必不可少的重要部分，熟悉掌握开关量输入输出电路的设计对于适应电厂的工作岗位有着积极的现实意义。

嵌入式系统具有易于接受的经济性，灵活的结构，稳定且安全的系统，较小的空间占用，低功耗，以及高度的集成化等特点，工作所需要的环境可以限制在很小的空间，在普通设备无法工作的恶劣环境中也可很好运行，专用性很强^[1]。将嵌入式系统应用于智能测控系统中，可以充分利用嵌入式系统本身的硬件资源，构建高性能、低成本、易扩展的测控系统，并能大大缩减研发周期。将嵌入式系统应用到电厂监测系统中是一个十分有意义的研究课题。

1.2 论文主要内容

论文各章的主要内容如下：

1. 绪论：概括介绍了本文的研究背景与主要研究内容。
2. 嵌入式系统的概述：以嵌入式系统的定义开始，然后阐述嵌入式系统的发展历史并详细介了它的特点。本文还特别将ARM嵌入式系统处理器与传统嵌入式处理器进行比较，对其功能进行重点介绍。
3. 开关量输入信号的检测：介绍了8279各个接口的功能和8279应用的方法，开关量信号输入的检测电路。
4. 开关量输入信号的隔离器件：介绍了光电耦合的基本结构和原理、基本特点和隔离的应用，并介绍了开关量输入的光耦隔离电路。
5. 开关量输出信号的隔离与驱动：主要对固态继电器的基本原理和结构组成做了详细介绍，并给出了继电器在应用时的注意事项，详细讲述了开关量输出电路的隔离和驱动电路。
6. 模拟量的输入：模拟量的系统方案，模拟量的处理。
7. 总结。

第二章 嵌入式系统的概述

嵌入式计算机系统无处不在，它的出现使现代计算机在应用上走出了一条面向特定应用的道路。在微型计算机时代，根据实业中的需要嵌入式计算机系统诞生，它与一般的通用计算机由于在应用的方向的不同从而自己在现实需求中开拓了一条具有自己特色的专项应用的发展道路，也就是单芯片式的不受通用计算机限制的技术发展方向。高速、海量是通用计算机的技术特点；而以嵌入式智能控制要求满足对象系统则是嵌入式计算机系统的发展方向。经过历代人的努力，嵌入式计算机系统以它独特的用途以不见的方式很大程度的改变了人们的生活环境，而且这些改变还将一点点继续，还会更快，更深刻。

2.1嵌入式系统的简介

2.1.1嵌入式系统的定义

嵌入式系统，英文表示为Embedded system，是把可以实现特定要求控制的系统嵌入到某个专用系统中，是为特定对象体系而专门设计的非通用计算机系统。根据官方定义即U.K. Institution of Electrical Engineer（英国电气工程师协会），嵌入式系统是为了实现对大型设备的局部监测，整个工程的控制或者实现辅助控制功能的设备 ^[1]。与个人计算机使用的通用计算机系统相比，嵌入式系统一般都是针对特定需要的预先说明的作业。由于嵌入式系统执行某一非通用要求的任务，因此设计人员必须对它进行不断完善，降低所需的成本同时满足尺寸的特别需求。嵌入式系统一般应用在大量生产中，所以它专用化的成本节约，能够随着应用设备不断生产成百上千产品放大。

嵌入式系统是外加入机器、装置、工厂等已建非小型设备并对它们起控制或监视作用的系统。国内普遍接受的嵌入式系统定义为：以通用计算机为基础，以满足用户需求为核心，可根据需求实现剪裁软软和硬件，适应对象体系并对安全性、可靠性、经济型、实用性等有严格要求的专用计算机系统。^[2] 通常，嵌入式系统的本质是一块嵌入式处理器控制板，它的控制程序在存储器RAM上运行在存储器ROM中存储。基本上带有数字接口的设备，如手机、照相机、汽车等，都有嵌入式系统在里面运行。有些大型嵌入式系统里存在着操作系统，但一般情况下一个程序就足以控制整个嵌入式系统的逻辑功能。

嵌入式系统的核心是由设计人员根据对象体系的特定要求预先编译并实现控制几个任务要求的处理器，嵌入式系统上的软件根据需要设计一般要求暂时不变，是固定的，所以经常称为“固件”。^[3] 

2.1.2嵌入式系统的发展历史

电子数字计算机虽然在1946年首次出现，但是在其应用到实业的久远发展道路前，电子数字计算机像婴儿般一直在温暖的实验室中供养着，仅仅用作完成对大型设备的数值计算。直到进入20世纪70年代，新星式的微处理器的登场才彻底一扫计算机的发展障碍。微型计算机以新出现的小型化处理器的为中心器件，凭借自己空间占用小，经济性满足实业投资要求，可靠性强的特点，迅速走出机房，在实业中得到应用。在高速数值计算方面有专用功能的微型机以其高智能应用以及能良好的嵌入到多数对象体系中的优势，引起了多数从事自动控制领域人士的注意，被用以精细完成对象体系的智能化控制。例如在现在的电厂的应用，在其原来的系统中加入一个外来检测系统，来检测系统中的各处数据，并存储一定时间的数据，为事故分析提供依据。由于在不同对象体系中的具体应用，通用计算机就必须改变原来的形态和放弃通用计算机的用途，形成具有自己的特点与功能的专用计算机。为了不与原有的通用式计算机系统相混淆，把嵌入到实业运行对象体系中以实现某种特定要求的专用式计算机称为嵌入式系统。嵌入性本质是使用有特定用途的外来系统嵌入到一个可运行具体对象体系中。

嵌入式系统是在单芯片系统的基础上发展来的。二十世纪七十年代单片机的问世与使用，使得汽车、家用电器、大小型工业设备以及成千上万种产品都可以通过内嵌特定功能的电子装置来获得同样或者更佳的使用性能：更方便、更容易、运行速度更快、经济性更好，空间占有量更小。这些具有能够实现特定功能的装置虽然一定程度具有嵌入式的某些典型特征，然而这些初代产品只具备8位芯片的功能，执行一些简单的单方向的程序，它们只是程序，而没有“系统”的概念。

最早出现的单片机要追溯到1976年由Intel公司设计生产的 8048。在同一时间里摩托罗拉公司开发出了68HC05单片机，稍后Zilog公司也开发出了广泛受欢迎的单片机系列，这些最早设计的单片机共同特点是都包括4096字节的只读存储器ROM、256字节的读写存储器RAM、串并口、以及比较高位的定时器。之后在1980年初期，Intel公司根据时代需要改编了8048，完善了它的功能，并根据它的功能设计生产了新的单片机8051，这成为单片机开始改变历史的新的里程碑。目前为止，51系列的单片机依然是最为基础，在各类单片机中最有代表性的，在各种工业新旧产品，生活使用品中有着非常广泛的应用。

嵌入式系统的开发者在20世纪八十年代初开始使用商业用途的嵌入式操作系统对嵌入式应用软件进行开发，这使得嵌入式开发与应用可以节省更多时间减少开发周期，资金投入大大降低和开发效率极大提高，不再是芯片的系统式的“嵌入式”出现了。确切的说，他们是一个实时操作系统也就是实时核，这时的嵌入式系统具有许多公用操作系统的共同点，包括里面存储器的管理、系统任务的管理、外来中断支持、同步或相互排斥、任务间通讯等功能。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23171字

相关图片展示：