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)的一個重要分支。隨著計算機科學(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、振動工程、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(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，可實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的各種參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄。

數(shù)據(jù)采集裝置［1］的發(fā)展方向為:實時性好、適用性廣和可靠性高。因此采用嵌入式技術(shù)，開發(fā)一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)和ARM處理器的高精度、強實時性和廣適用性的新型數(shù)據(jù)采集裝置非常必要。

順應(yīng)市場需求設(shè)計的數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計，采用了基于ARM7處理器為內(nèi)核的飛利浦公司32位單片機LPC2144，其數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源滿足了數(shù)據(jù)采集裝置的功能和性能需要。同時可以使系統(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作為一個源代碼公開的操作系統(tǒng)，在具體應(yīng)用中穩(wěn)定可靠。ARM7+μC/OS-Ⅱ開發(fā)設(shè)計，利用嵌入式實時操作系統(tǒng)的可裁剪性、可移植性和多任務(wù)等特點［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時性顯著增強?？梢栽诟鞣N工業(yè)場合中廣泛應(yīng)用，達(dá)到了設(shè)計的初衷。

1 總體方案

設(shè)計在研究嵌入式實時操作系統(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處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計。裝置具有USB接口、RS485接口，可以滿足遠(yuǎn)程和近程數(shù)據(jù)采集的需要，同時還可以與各種傳感器配合可實現(xiàn)對溫度、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

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，微處理器的選擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)今市場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。一般的選型原則是［6］:滿足應(yīng)用要求，簡單易用，價格便宜，設(shè)計周期短。

LPC2144單片機是飛利浦公司生產(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)計更加便捷、可靠、節(jié)能。

2.1.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)的選型

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

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

μC/OS-Ⅱ僅是一個實時內(nèi)核，它不像其他實時操作系統(tǒng)那樣提供給用戶的一些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)硬件平臺上只是系統(tǒng)設(shè)計工作的開始，還需要針對實際的應(yīng)用需求對μC/OS-Ⅱ進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括底層的硬件驅(qū)動、文件系統(tǒng)、用戶圖像接口（GUI）等，從而建立一個實用的 RTOS［4］。

綜合考慮嵌入式操作系統(tǒng)的硬件支持;可移植性;開發(fā)工具的支持程度;能否滿足應(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，決定選用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。

2.2 硬件設(shè)計方案

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

數(shù)據(jù)采集電路部分選用不同的傳感器和信號調(diào)理電路，可實現(xiàn)對多種電量與非電量的采集與處理，運行穩(wěn)定可靠，采樣精度高，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

作為通用數(shù)據(jù)采集裝置輸入信號范圍是很大的，而LPC2144單片機內(nèi)嵌ADC轉(zhuǎn)換器的供電電壓是+3 V，ADC電路的被測信號輸入端的輸入電壓必須小于電源電壓，否則測量值將不準(zhǔn)確。必須將輸入的被測信號的電壓范圍調(diào)理到ADC轉(zhuǎn)換的測量范圍內(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開關(guān)控制MSP430輸出端的繼電器，通過不同開關(guān)的閉合來改變放大電路的放大倍數(shù)，同時MSP430芯片還控制一個DAC來為不同的放大電路提供不同的偏置電壓，從而實現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。最終將0～3 V范圍的電壓信號輸入ADC中。

2.2.2 USB接口電路

USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線。一個USB系統(tǒng)通常包括三個部分:USB互連、USB設(shè)備和USB主機。USB特有的優(yōu)點: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個物理（16個邏輯）端點;支持控制、批量、中斷和同步端點;運行時可通過軟件來選擇端點最大包長度（取決于USB最大規(guī)格）;RAM大小取決于使用的端點和最大包的長度;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?？晒ぷ饔谠O(shè)備方式。

2.2.3 RS-485接口電路

RS-485接口的優(yōu)點在于它使用一對雙絞線就能實現(xiàn)單片機與上位機的通訊。具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護(hù)以及價格低廉等優(yōu)點，這些優(yōu)點使其在工業(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機只具有RS-232串行通信口，而不具備RS-485接口，因此，為了實現(xiàn)RS-485接口串行通信，必須在PC機側(cè)配置RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換電路，具體通過設(shè)計一塊RS-232/RS-485轉(zhuǎn)接板來實現(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)采集裝置的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計上，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］編寫的、很流行的一種免費公開源代碼的實時操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁剪、多任務(wù)和可剝奪型的實時內(nèi)核等特點，而且其實時性、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具有強大的處理能力，RISC結(jié)構(gòu)，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，同時具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如硬件乘法器、ADC、定時器、PWM通道、高速GPIO線、看門狗等。內(nèi)部還具有16 kB的RAM和128 kB的FLASH。足以滿足移植所需要的條件。

3.1 LPC2144單片機的啟動代碼編寫

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

在啟動代碼的編寫中，將啟動代碼劃分為5個文件: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語言使用的堆和棧的開始位置。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)中加以實現(xiàn)。

3.2 外設(shè)驅(qū)動程序

在μC/OS-Ⅱ一類的微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動一般都是由應(yīng)用程序在內(nèi)核外部實現(xiàn)的。不過由于不分系統(tǒng)空間和用戶空間，這些設(shè)備驅(qū)動程序仍在系統(tǒng)中執(zhí)行。從實現(xiàn)方式上看，設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)可以分為兩種:一種是輪詢（Polling）方式，另一種是中斷方式。

設(shè)計采用中斷式設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)方式。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集裝置的低成本、低功耗、實時性設(shè)計是數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的一個主要研究方向。

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

通過實驗驗證了其設(shè)計的合理性和可行性。該數(shù)據(jù)采集裝置具有低成本、低功耗、微型化、精度高、運行穩(wěn)定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高等特點，可以采集多種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號。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。

［1］馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1997.

［2］周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［3］王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)—基于ARM微處理器與μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］何小慶.嵌入式實時操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來［OL］.www.yesky.com.

［5］沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，1995.

［6］孫傳友，孫曉斌.測控電路及裝置［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［7］夏路易，石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計教程［M］.北京:北京希望電子出版社，2002.

［8］Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng) μC/OS-Ⅱ［M］.邵貝貝，譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［9］Jean J.Lahrosse.Micro μC/OS-Ⅱ，The Real-Time Kernel（Second Edition）［M］.USA:CMP Books，2002.