鄭晉平

（太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原 030024）

0 引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)己經(jīng)滲透到雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、振動(dòng)工程、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集裝置是在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄。

數(shù)據(jù)采集裝置［1］的發(fā)展方向?yàn)?實(shí)時(shí)性好、適用性廣和可靠性高。因此采用嵌入式技術(shù)，開(kāi)發(fā)一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和ARM處理器的高精度、強(qiáng)實(shí)時(shí)性和廣適用性的新型數(shù)據(jù)采集裝置非常必要。

順應(yīng)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)，采用了基于ARM7處理器為內(nèi)核的飛利浦公司32位單片機(jī)LPC2144，其數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)采集裝置的功能和性能需要。同時(shí)可以使系統(tǒng)小型化，便于提高性能以及與各種外設(shè)連接擴(kuò)展，降低了成本。μC/OS-Ⅱ作為一個(gè)源代碼公開(kāi)的操作系統(tǒng)，在具體應(yīng)用中穩(wěn)定可靠。ARM7+μC/OS-Ⅱ開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的可裁剪性、可移植性和多任務(wù)等特點(diǎn)［2-3］，不僅使其采集性能大幅度提高，而且使抗干擾能力和實(shí)時(shí)性顯著增強(qiáng)?？梢栽诟鞣N工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應(yīng)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷。

1 總體方案

設(shè)計(jì)在研究嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、ARM處理器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，完成基于ARM處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)。裝置具有USB接口、RS485接口，可以滿(mǎn)足遠(yuǎn)程和近程數(shù)據(jù)采集的需要，同時(shí)還可以與各種傳感器配合可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位等常用數(shù)據(jù)的采集。

2 數(shù)據(jù)采集裝置的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集裝置功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 功能模塊框圖

2.1 系統(tǒng)器件的選擇

2.1.1 微處理器的選型

作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，微處理器的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)今市場(chǎng)上流行的微處理器眾多，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，它們都發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)。一般的選型原則是［6］:滿(mǎn)足應(yīng)用要求，簡(jiǎn)單易用，價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)周期短。

LPC2144單片機(jī)是飛利浦公司生產(chǎn)的以ARM處理器為內(nèi)核的微處理器，其處理速度快、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、并且ARM處理器的功耗是同檔次其他嵌入式處理器中較低的。低成本、微電流供電的ARM處理器使電路設(shè)計(jì)更加便捷、可靠、節(jié)能。

2.1.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選型

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)種類(lèi)很多，大體可以分為商用型和免費(fèi)型。商用型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持，但往往價(jià)格昂貴;免費(fèi)型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，常用的主要有Linux和μC/OS-Ⅱ兩種。

Linux可以移植到多個(gè)不同結(jié)構(gòu)的CPU和硬件平臺(tái)，具有很好的穩(wěn)定性及升級(jí)能力，而且開(kāi)發(fā)容易，對(duì)商用嵌入式操作系統(tǒng)帶來(lái)了很大的沖擊。

μC/OS-Ⅱ僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，它不像其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)那樣提供給用戶(hù)的一些API函數(shù)接口，很多工作需要自己去完成。把μC/OS-Ⅱ移植到目標(biāo)硬件平臺(tái)上只是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)始，還需要針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用需求對(duì)μC/OS-Ⅱ進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、用戶(hù)圖像接口（GUI）等，從而建立一個(gè)實(shí)用的 RTOS［4］。

綜合考慮嵌入式操作系統(tǒng)的硬件支持;可移植性;開(kāi)發(fā)工具的支持程度;能否滿(mǎn)足應(yīng)用需求;中文內(nèi)核支持;標(biāo)準(zhǔn)兼容性;技術(shù)支持等等，決定選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。

2.2 硬件設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)采集裝置的硬件部分以飛利浦公司LPC2144為核心，其數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)采集裝置的功能和性能需要。配以模擬量采集電路、開(kāi)關(guān)量采集電路、USB接口電路、RS485接口電路、液晶顯示電路、鍵盤(pán)電路等組成［5-7］。

LPC2144管腳配置圖如圖2所示。

圖2 LPC2144管腳配置圖

2.2.1 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路部分選用不同的傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電量與非電量的采集與處理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采樣精度高，能滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

作為通用數(shù)據(jù)采集裝置輸入信號(hào)范圍是很大的，而LPC2144單片機(jī)內(nèi)嵌ADC轉(zhuǎn)換器的供電電壓是+3 V，ADC電路的被測(cè)信號(hào)輸入端的輸入電壓必須小于電源電壓，否則測(cè)量值將不準(zhǔn)確。必須將輸入的被測(cè)信號(hào)的電壓范圍調(diào)理到ADC轉(zhuǎn)換的測(cè)量范圍內(nèi)，才能得到正確的ADC轉(zhuǎn)換值。

工作原理:調(diào)理電路根據(jù)各種傳感器輸出電壓或電流的不同，由DIP開(kāi)關(guān)控制MSP430輸出端的繼電器，通過(guò)不同開(kāi)關(guān)的閉合來(lái)改變放大電路的放大倍數(shù)，同時(shí)MSP430芯片還控制一個(gè)DAC來(lái)為不同的放大電路提供不同的偏置電壓，從而實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。最終將0～3 V范圍的電壓信號(hào)輸入ADC中。

2.2.2 USB接口電路

USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線。一個(gè)USB系統(tǒng)通常包括三個(gè)部分:USB互連、USB設(shè)備和USB主機(jī)。USB特有的優(yōu)點(diǎn):即插即用、低功耗、完整的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化等。

圖3 USB接口電路圖

LPC2144單片機(jī)內(nèi)部有集成的USB控制器，完全兼容USB 2.0全速規(guī)范;支持32個(gè)物理（16個(gè)邏輯）端點(diǎn);支持控制、批量、中斷和同步端點(diǎn);運(yùn)行時(shí)可通過(guò)軟件來(lái)選擇端點(diǎn)最大包長(zhǎng)度（取決于USB最大規(guī)格）;RAM大小取決于使用的端點(diǎn)和最大包的長(zhǎng)度;支持SoftConnectTM特性和GoodLink-TM LED指示器;支持總線供電功能，具有較低的掛起電流。可工作于設(shè)備方式。

2.2.3 RS-485接口電路

RS-485接口的優(yōu)點(diǎn)在于它使用一對(duì)雙絞線就能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通訊。具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長(zhǎng)傳輸距離、沖突保護(hù)以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)控制、工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖4 RS-485接口電路

由于大多數(shù)PC機(jī)只具有RS-232串行通信口，而不具備RS-485接口，因此，為了實(shí)現(xiàn)RS-485接口串行通信，必須在PC機(jī)側(cè)配置RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換電路，具體通過(guò)設(shè)計(jì)一塊RS-232/RS-485轉(zhuǎn)接板來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)采集裝置的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)上，采用基于μC/OS-Ⅱ多任務(wù)編程思想。

μC/OS-Ⅱ是由 Jean J.Labrosse［8-9］編寫(xiě)的、很流行的一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁剪、多任務(wù)和可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核等特點(diǎn)，而且其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性也得到了廣泛的認(rèn)可。

μC/OS-Ⅱ使用前，必須先移植到微處理器上。LPC2144具有強(qiáng)大的處理能力，RISC結(jié)構(gòu)，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，同時(shí)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如硬件乘法器、ADC、定時(shí)器、PWM通道、高速GPIO線、看門(mén)狗等。內(nèi)部還具有16 kB的RAM和128 kB的FLASH。足以滿(mǎn)足移植所需要的條件。

3.1 LPC2144單片機(jī)的啟動(dòng)代碼編寫(xiě)

FLASH中的程序執(zhí)行前，需要對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化。這些工作是用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫(xiě)的啟動(dòng)（Bootloader0）代碼完成的。

在啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)中，將啟動(dòng)代碼劃分為5個(gè)文件:Startup.s、IRQ.s、stack.s、heap.s 和 target.c。Startup.s 包含向量表和系統(tǒng)初始化代碼。IRQ.s包含中斷服務(wù)程序與C程序的接口代碼。stack.s和heap.s保存C語(yǔ)言使用的堆和棧的開(kāi)始位置。target.c包含目標(biāo)板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標(biāo)板初始化程序。

MOV R0，LR;因芯片模式切換，故將程序返回地址保存至R0，同時(shí)在初始化堆棧完成后使用R0返回。

其余的步驟都在TargetResetInit函數(shù)中加以實(shí)現(xiàn)。

3.2 外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序

在μC/OS-Ⅱ一類(lèi)的微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)一般都是由應(yīng)用程序在內(nèi)核外部實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)由于不分系統(tǒng)空間和用戶(hù)空間，這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序仍在系統(tǒng)中執(zhí)行。從實(shí)現(xiàn)方式上看，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)可以分為兩種:一種是輪詢(xún)（Polling）方式，另一種是中斷方式。

設(shè)計(jì)采用中斷式設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集裝置的低成本、低功耗、實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方向。

數(shù)據(jù)采集裝置充分利用了LPC2144豐富的片上資源，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì);采用RS-485接口和USB接口通信技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，又可以與PC機(jī)相連實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集;同時(shí)該裝置是基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的，在實(shí)時(shí)性方面具有很大的優(yōu)越性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性和可行性。該數(shù)據(jù)采集裝置具有低成本、低功耗、微型化、精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，可以采集多種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。但在系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和通信方面還有待于進(jìn)一步改進(jìn)與提高。

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