基于ARM9的PSD數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究

任一飛，徐熙平，王春陽，蘇玉靖

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

光位置敏感探測器(Position Sensitive Detector，PSD)是上世紀70年代研制出的一種優(yōu)秀的光電位置傳感器，它具有頻譜響應寬、響應速度快、信號處理簡單、分辨率高、便于與微機接口等優(yōu)點，在精密尺寸測量以及工業(yè)檢測和監(jiān)測等非接觸測量領(lǐng)域有廣泛的運用。隨著PSD的大量使用，其自身缺點也暴露出來，一方面受限于早期硬件條件以及成本的考慮，無法使用更高精度的AD來進行數(shù)據(jù)采集，另一方面還有其自身的非線性誤差無法避免，雖然在中央?yún)^(qū)線性度比較理想，但是在邊緣區(qū)的準確度卻受嚴重制約，所以應當尋求一種兼顧硬件和軟件兩個方面提高PSD精度的辦法。

本文選擇在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的ARM9處理器，在開發(fā)板上設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的硬件平臺，同時在嵌入式平臺上運行Linux操作系統(tǒng)做數(shù)據(jù)處理，這樣便從硬件和軟件兩個方面提高了PSD測量的總體精度。

1 采集系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)是由信號預處理、A/D變換、控制模塊、總線模塊及核心處理器組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The struc ture of system

1.2 軟件系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)的軟件平臺采用開源并非常適合做嵌入式的Linux操作系統(tǒng)，使用U-boot作為系統(tǒng)的Bootloader，內(nèi)核采用Linux2.6.34版本，文件系統(tǒng)使用YAFFS2[1]。嵌入式硬件環(huán)境核心處理器使用三星公司的S3C2440A，嵌入式系統(tǒng)移植的主要步驟如下：

(1)U-boot移植，由于硬件開發(fā)環(huán)境使NANDFlash，所以移植的主要任務便是使U-boot可以支持NAND啟動，同時使其支持Yaffs2文件系統(tǒng)。

①修改U-boot對NANDFlash支持。

首先需要在配置文件include/configs/S3C2440.h中添加支持NANDFlash操作的相關(guān)宏定義，具體操作如下。

然后，在drivers/mtd/nand/Makefile文件中添加s3c2440_nand.c的編譯項，如下：

重新編譯U-boot，燒入NANDFlash，重新啟動，便可看到NAND相關(guān)操作命令可以使用了。

②接下來需要修改U-boot支持Yaffs2文件系統(tǒng)支持。

首先在include/configs/unsp2440.h中添加yaffs2燒寫宏定義，如下：

接著在include/linux/mtd/mtd.h頭文件的mtd_info結(jié)構(gòu)體中添加移植中用到rw_oob和skipfirstblk數(shù)據(jù)成員；在nand_write_skip_bad函數(shù)中添加對Nand OOB的相關(guān)操作；最后在nand_write函數(shù)中添加對yaffs2的支持。重新編譯U-boot，會在help菜單中發(fā)現(xiàn)已經(jīng)支持對Yaffs2文件系統(tǒng)燒寫的命令了。

(2)內(nèi)核移植，該部分主要完成的工作是修改MTD分區(qū)使其與bootloader中的分區(qū)表一致，以及使該版本的內(nèi)核支持Yaffs2文件系統(tǒng)[2]。

①修改MTD分區(qū)表，編輯文件arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c。

②執(zhí)行如下命令將Yaffs2文件補丁寫到內(nèi)核中去，使其支持文件系統(tǒng)。

# ./patch-ker.sh c/opt/studyarm/linux-2.6.34/(本系統(tǒng)使用路徑)

完成以上操作，通過配置內(nèi)核，編譯內(nèi)核，最終會在arch/arm/boot/目錄下生成zImage內(nèi)核文件。

(3)使用BusyBox將YAFFS2文件系統(tǒng)制作完成。U-boot可以支持網(wǎng)燒寫，可以通過tftp服務器，將配置好的內(nèi)核與文件系統(tǒng)燒入NANDFlash中對應位置即可運行嵌入式系統(tǒng)[3]。

1.3 AD采集系統(tǒng)設計

圖2 A D電路圖Fig.2 Circuitdia gram of AD 92 44

本次采集系統(tǒng)所使用的是14位、65MSPS的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9244。該芯片使用多級差分流水線架構(gòu)，內(nèi)部包含高性能的采樣放大器、基準的電壓源及誤差修正電路。芯片在整個系統(tǒng)中的接口電路如圖2所示，在整個電路中，模擬地和數(shù)字地采用了地層的形式，并且都是單點接地，同時在電路中也采取了防靜電措施，從而保證了AD的正常工作。

2 數(shù)據(jù)處理算法設計

PSD器件的非線性誤差是影響該器件性能的重要指標，除了可以使用硬件電路彌補誤差外，在嵌入式系統(tǒng)下，可以使用函數(shù)來實現(xiàn)算法，從而對其非線性的誤差進行彌補[4]。通常用來補償PSD非線性誤差的算法有：插值法、逆誤差傳播算法(BP算法)等[5，6]。但插值法容易產(chǎn)生震蕩，BP算法收斂較慢，在這里可以使用小生境遺傳算法加上BP算法來共同處理數(shù)據(jù)，這樣便克服了BP算法收斂速度慢的缺點[7]，算法流程圖3所示。

圖3 算法流程圖Fig.3 The flow chatofalgorithm

最終在MatLab7.0下，取100組數(shù)據(jù)和30組測試樣本，分別使用BP算法與改進型的BP算法進行測試。測試后結(jié)果圖5所示，可以看出使用改進型的BP算法克服了傳統(tǒng)BP算的缺點，收斂速度有了較大提升。

圖4 改進型BP算法與BP算法比較Fig.4 Compare improved BPandBP

3 結(jié)論

本文提出了一種使用嵌入式平臺搭載采集系統(tǒng)硬件，嵌入式系統(tǒng)運行采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)、處理軟件的方式，使用嵌入式系統(tǒng)比傳統(tǒng)意義上使用單片機在測量精確度上有一定程度的提高，同時使用后臺算法去進行數(shù)據(jù)處理，補償了PSD器件的非線性誤差，使PSD器件的測量精度有了提高，具有一定的應用價值。

[1]韋東山.嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊第9版[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]楊宗德，鄧玉春.Linux高級程序設計第2版[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]潘巨龍，黃寧.ARM9嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]張廣軍.PSD器件及其在精密測量中的應用[J].北京航空航天大學學報，1994，20(3)：259-262.

[5]袁紅星，王志興，賀安之.PSD非線性修正的算法研究[J].儀器儀表學報，1999，20(3)：271-274.

[6]劉邁.改進型的神經(jīng)網(wǎng)絡PSD非線性補償研究[J].中國測試，2009，35(2)：37-39.

[7]孫晶華，桑恩方，莫長濤，等.一維PSD非線性修正的共軛梯度算法[J].光學技術(shù)，2004，30(4)：481-483.