鮑玉軍，葛康杰，趙夢(mèng)婷

(1.常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇常州213002;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031)

基于ARM 7內(nèi)核微處理器的嵌入式USB數(shù)據(jù)采集模塊

鮑玉軍1，2，葛康杰1，趙夢(mèng)婷1

(1.常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇常州213002;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031)

針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中使用的低成本數(shù)據(jù)采集裝置同樣需要高速、可靠傳輸來采集數(shù)據(jù)的要求，研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM7內(nèi)核微處理器S3C44B0X的嵌入式USB數(shù)據(jù)采集模塊。利用S3C44B0X內(nèi)置8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過對(duì)USB協(xié)議及硬件模塊、嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的深入研究，完成了S3C44B0X最小系統(tǒng)以及與USB硬件的接口電路等硬件設(shè)計(jì)，將μC/OS-Ⅱ成功移植到S3C44B0X微處理器，最終實(shí)現(xiàn)了該嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊的整體可靠運(yùn)行。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)、使用，該模塊具有高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用價(jià)值較高，可作為基本模塊器件嵌入應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)采集傳輸場(chǎng)合。

S3C44B0X;USB;數(shù)據(jù)采集;μC/OS-Ⅱ

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制場(chǎng)合大多都包含了數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，幾乎都采用了“以8位單片機(jī)為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集”模式，該模式雖然成本低廉，但在測(cè)量精度、速度和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理等方面能力均十分有限，而且鮮有“人性化人機(jī)交互”設(shè)計(jì);在一些重要數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合，采用PC機(jī)代替8位單片機(jī)，其綜合性能得到很大提高，但同時(shí)大大增加了產(chǎn)品整體成本。

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡相比，該USB數(shù)據(jù)采集模塊功能較為強(qiáng)大。采用各方面性能均較為優(yōu)越的32位ARM7核微處理器S3C44B0X作為模塊核心，設(shè)計(jì)了與USB硬件模塊PDIUSBD12芯片的接口電路。S3C44B0X自帶了8路逐次逼近型十位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可用于工業(yè)生產(chǎn)中大部分模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，從而該數(shù)據(jù)采集模塊整體價(jià)格較為低廉?？紤]到大多數(shù)便攜式儀器采集數(shù)據(jù)后，其數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)作深入處理，故本USB數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)為“從機(jī)”模式，可高速、可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從便攜式儀器至計(jì)算機(jī)的導(dǎo)入。通過移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/ OS-Ⅱ至S3C44B0X，并由其管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集模塊整體性能，可作為工業(yè)模塊廣泛嵌入、應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合，從而縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本［1］。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 S3C44B0X最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

S3C44B0X是三星公司多年前推出的ARM7內(nèi)核32位微處理器，近年來隨著價(jià)格大幅降低，已開始較多地應(yīng)用于以往由8位單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該芯片性能優(yōu)越，性價(jià)比高，提供了較為豐富的內(nèi)置部件(如8路輸入10位A/D轉(zhuǎn)化器、LCD控制器等)，大大降低了項(xiàng)目設(shè)計(jì)成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì);其內(nèi)部集成了8 kbyte Cache和SRAM能滿足正常設(shè)計(jì)需求，并可通過外部存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行資源擴(kuò)展。

基于S3C44B0X的USB數(shù)據(jù)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊需要存儲(chǔ)大量采集數(shù)據(jù)，以及所移植的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ需要占據(jù)相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)及內(nèi)存資源，需要擴(kuò)展S3C44B0X外部存儲(chǔ)資源。采用性價(jià)比較高的2片 HY29LV160 Flash芯片(1M×16 bit)實(shí)現(xiàn)2M×32 bit外部存儲(chǔ)系統(tǒng)，基本能滿足采樣數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)軟件代碼(含μC/OS-Ⅱ軟件內(nèi)核)的存儲(chǔ);因S3C44B0X是32位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用2片HY57V641620(8 Mbit，16位數(shù)據(jù)寬度)構(gòu)造16 Mbit× 32位數(shù)據(jù)寬度。為保證數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定可靠電源供應(yīng)，同時(shí)滿足低功耗要求，選擇高效、低功耗電壓調(diào)節(jié)芯片及相關(guān)電源器件［2］。

圖1 USB數(shù)據(jù)采集模塊

為提高該模塊的人性化交互水平，利用S3C44B0X內(nèi)置的LCD控制器設(shè)計(jì)與LCD液晶顯示屏的硬件電路，可簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)?？紤]到成本，且因?yàn)镾3C44B0X僅能驅(qū)動(dòng)STN型LCD屏，采用SHARP公司的LM057QC1T01型彩色液晶屏，該屏幕每行能顯示320像素，共240行，可滿足大部分工業(yè)控制要求。

1.2 USB接口電路

目前，常見操作是將數(shù)據(jù)采集模塊中所采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，再作進(jìn)一步分析處理。如何高速、可靠地將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集模塊導(dǎo)入計(jì)算機(jī)是本系的統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容之一。

USB接口以其“即插即用、高數(shù)據(jù)傳輸、支持熱拔插”等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)配接口。整個(gè)USB系統(tǒng)由USB主機(jī)和USB從機(jī)所組成，考慮到數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，將其設(shè)計(jì)為USB從機(jī)結(jié)構(gòu)(這里計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)USB主機(jī))，在深入了解USB相關(guān)通信協(xié)議及硬件驅(qū)動(dòng)芯片PDIUSBD12使用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)S3C44B0X與其硬件接口電路，以及相關(guān)軟件驅(qū)動(dòng)程序。其接口電路如圖2所示。

圖2 S3C44B0X與PDIUSBD12的電路連接圖

PDIUSBD12芯片的ALE引腳接地(始終為低電平)，實(shí)現(xiàn)該芯片“獨(dú)立地址和數(shù)據(jù)總線配置”的設(shè)置; A0引腳和S3C44B0X的任意一個(gè)I/O口(這里為A20引腳)相連，用于對(duì)PDIUSBD12芯片的操作控制(當(dāng)A20引腳為高電平，PDIUSBD12讀取的是命令字;若為低電平，表明此時(shí)讀取的是數(shù)據(jù))［3］。PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線與S3C44B0X的低8位數(shù)據(jù)總線直接相連，其讀寫控制引腳也分別于S3C44B0X的nOE和nWE引腳相連，用于對(duì)PDIUSBD12芯片的數(shù)據(jù)讀寫控制。PDIUSBD12的復(fù)位引腳REST_N可與S3C44B0X的nREST引腳直接相連，可同時(shí)完成系統(tǒng)器件復(fù)位。

由于PDIUSBD12的 CS_N引腳與 S3C44B0X的nGCS1引腳相連，則PDIUSBD12芯片的地址范圍為: 0x02000000～0x02FFFFFF。因?yàn)镻DIUSBD12的A0引腳與S3C44B0X的A20引腳相連，則PDIUSBD12使用了上述地址范圍中的兩個(gè)地址0x0210000和0x02000000。當(dāng)A20為高電平(邏輯1)，即“命令地址”模式，此時(shí)采用0x02100000地址用于命令的讀寫操作;當(dāng)A20為低電平(邏輯0)，則為“數(shù)據(jù)地址”模式，此時(shí)采用0x02000000地址用于采集數(shù)據(jù)的傳輸。由此實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集模塊中的USB硬件控制驅(qū)動(dòng)層和接口控制層的操作。

PDIUSBD12可以“中斷”的方式進(jìn)行操作，將PDIUSBD12的INT_N引腳與S3C44B0X的EXINT0引腳相連，則S3C44B0X通過外部中斷方式來響應(yīng)PDIUSBD12的中斷請(qǐng)求。

1.3 S3C44B0X A/D轉(zhuǎn)換電路

S3C44B0X微處理器內(nèi)部含有8路輸入(AI0∶AI7) 10位A/D轉(zhuǎn)換器(逐次逼近型)，能滿足日常大多數(shù)對(duì)采樣精度、速度要求不特別高的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，由于不再額外使用A/D器件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本從而得以降低。其內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括8端模擬信號(hào)輸入復(fù)用器、10位逐次逼近寄存器(SAR)、自動(dòng)調(diào)零比較器、時(shí)鐘發(fā)生器(MCLK)及預(yù)分頻器(PSR)等電路。通過可編程控制，A/D轉(zhuǎn)換器可以選擇睡眠模式(針對(duì)采樣速度很慢或者模擬信號(hào)變換緩慢的場(chǎng)合)，從而降低功耗。為使A/D轉(zhuǎn)換器具備穩(wěn)定電壓，通過分別在S3C44B0X的AREFT引腳(正向參考電壓)、AREFB引腳(反向參考電壓)和AVCOM引腳(模擬公共電壓)連接一個(gè)旁路電容，可使A/D轉(zhuǎn)換器具有穩(wěn)定電壓供應(yīng)。

圖3 S3C44B0X內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器

圖2中采用了單片采樣保持放大器LF198作為S3C44B0X內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)源的前置采樣保持電路。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)信號(hào)源的數(shù)量確定LF198采樣保持電路的數(shù)量。如果信號(hào)源頻率低于100 Hz，則無需采樣保持電路，此部分電路可以省去。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的應(yīng)用

μC/OS-Ⅱ是一種性能極其優(yōu)越的輕量級(jí)嵌入式操作系統(tǒng)，其源代碼(C語言編寫)公開、可移植性強(qiáng)、可裁剪、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)使其在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，包括電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域。

μC/OS-Ⅱ在應(yīng)用于S3C44B0X之前，需要用戶利用匯編語言編寫少量應(yīng)用代碼(此過程稱為移植)，這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)微處理器內(nèi)相關(guān)寄存器進(jìn)行操作。具體而言，需要完成下述幾個(gè)文件的編寫:OS_CPU.H，包括定義微處理器堆棧數(shù)據(jù)類型、增長(zhǎng)方向和一些與編譯器沒有關(guān)系的數(shù)據(jù)類型;OS_CPU_A.S，包括時(shí)鐘中斷函數(shù)、任務(wù)切換函數(shù)、任務(wù)首次調(diào)度函數(shù)的編寫等;OS_CPU_C.C，主要包括系統(tǒng)任務(wù)堆棧初始化操作函數(shù)編寫。編寫完畢，可將這3個(gè)文件作為μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的一部分連同系統(tǒng)任務(wù)代碼一起編譯、存儲(chǔ)［5］。

該數(shù)據(jù)采集模塊的應(yīng)用代碼須按照μC/OS-Ⅱ的任務(wù)要求規(guī)范進(jìn)行編寫，且必須根據(jù)任務(wù)重要性對(duì)任務(wù)進(jìn)行等級(jí)劃分。按照優(yōu)先級(jí)從高到低設(shè)計(jì)以下任務(wù):

1)Main_Task()，主要用于操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的初始化設(shè)置，包括建立任務(wù)間通信所需的事件(信號(hào)量、消息隊(duì)列等)和下述系統(tǒng)任務(wù);

2)USB_Task()，PDIUSBD12以中斷的方式通知系統(tǒng)進(jìn)行USB端口數(shù)據(jù)操作，一旦中斷產(chǎn)生，在中斷服務(wù)程序發(fā)出信號(hào)量激活此任務(wù)完成數(shù)據(jù)傳輸;

3)Key_Task()，數(shù)據(jù)采集模塊鍵盤任務(wù)，涉及到啟動(dòng)S3C44B0X的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以根據(jù)需要設(shè)置手動(dòng)啟動(dòng)或定時(shí)周期啟動(dòng);

4)AD_Task()，完成信號(hào)源數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換;

5)LCD_Show_Task()，實(shí)時(shí)顯示包括采集數(shù)據(jù)在內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行過程。

2.2 USB接口軟件設(shè)計(jì)

采用“分層”方法完成USB硬件PDIUSBD12的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，表1為USB協(xié)議模型(包含層次劃分及對(duì)應(yīng)的功能)。需要對(duì)“USB通信協(xié)議規(guī)范”及“PDIUSBD12結(jié)構(gòu)及使用”進(jìn)行深入研究，再按照USB協(xié)議規(guī)范的要求完成數(shù)據(jù)采集模塊讀、寫操作代碼的編寫(此部分代碼包含在任務(wù)USB_Task()中)。

表1 USB協(xié)議模型

PDIUSBD12芯片幾乎所有的功能均包含在USB中斷層，并對(duì)其他3層進(jìn)行了控制。主要執(zhí)行USB驅(qū)動(dòng)芯片PDIUSBD12的初始化操作和中斷服務(wù)功能。該芯片所執(zhí)行的操作主要包括在該中斷服務(wù)功能中，端點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收控制、向USB主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求命令以及端點(diǎn)1和端點(diǎn)2之間的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊與USB主機(jī)需要傳輸數(shù)據(jù)，PDIUSBD12向S3C44B0X產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。μC/OS-Ⅱ中中斷服務(wù)子程序發(fā)出信號(hào)量激活USB_Task()任務(wù)，該任務(wù)從PDIUSBD12芯片內(nèi)部的“FIFO緩沖器”讀取數(shù)據(jù)至S3C44B0X的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)設(shè)置當(dāng)前USB狀態(tài)。如有必要，再通過任務(wù)調(diào)度激活其他任務(wù)進(jìn)行處理(如數(shù)據(jù)顯示)。圖4為中斷服務(wù)子程序的流程圖，進(jìn)入中斷后首先進(jìn)行中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，再從中斷寄存器讀取數(shù)據(jù)，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，中斷服務(wù)程序不能太長(zhǎng)，故采取發(fā)信號(hào)量的方式激活USB_Task()任務(wù)，由之判斷引起中斷的原因并通過調(diào)用相應(yīng)子程序做處理［6］。

圖4 系統(tǒng)中斷服務(wù)程序及數(shù)據(jù)處理任務(wù)流程圖

訪問PDIUSBD12芯片的命令接口函數(shù)主要定義在USB接口控制層，這些功能函數(shù)主要供USB協(xié)議層和USB中斷層調(diào)用。在編寫這些命令接口函數(shù)，須按照PDIUSBD12命令描述規(guī)范進(jìn)行編寫，這樣方可實(shí)現(xiàn)對(duì)PDIUSBD12芯片的控制。

3 仿真測(cè)試

當(dāng)輸入頻率為200 Hz，峰-峰值為3.3 V的正弦信號(hào)時(shí)，選擇采樣頻率為2 kHz，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣(這樣一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)為10個(gè))，利用MATLAB將所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行還原顯示，則所還原的圖像如圖5所示。從該圖可以看出所顯示的波形基本完整，若提高采樣頻率，則能更好地還原輸入波形。

圖5 以2 kHz采樣頻率對(duì)輸入200 Hz正弦波采樣后數(shù)據(jù)還原

4 結(jié)束語

采用ARM7核微處理器S3C44B0X控制PDIUSBD12芯片實(shí)現(xiàn)一種嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊，并依靠嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ進(jìn)行整體系統(tǒng)管理，代替?zhèn)鹘y(tǒng)以8位單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集器，不僅成本低、性能穩(wěn)定、功耗低，而且可以充分發(fā)揮USB接口的優(yōu)勢(shì)，高速、可靠地將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理。該數(shù)據(jù)模塊使用價(jià)值高，可作為基本模塊器件嵌入應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)采集傳輸場(chǎng)合。

［1］譚保華，王堃，熊健民.基于USB總線技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集卡研制［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008(12):1982-1984.

［2］劉韶華，禹華鋼，鄒嵐.采用PDIUSBD12的USB接口固件程序開發(fā)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(20):25-27.

［3］王恒，王中訓(xùn)，杜思良，等.基于ARM9的USB攝像頭圖像采集壓縮及無線傳輸［J］.電視技術(shù)，2011，35(3):29-31.

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Embedded USB Data Acquisition Device Based on ARM 7-Kernel M icroprocessor

BAO Yujun1，2，GE Kangjie1，ZHAO Mengting1
(1.School of Electronic Information＆Electric Engineering，Changzhou Institute of Technology，Jiangsu Changzhou 213002，China; 2.College of Engineering，Nanjing Agriculture University，Nanjing 210031，China)

To geta kind of data acquisition devicewith the requirements of low cost，high speed and reliable data-transmission which applied in industry production，a special embedded USB data acquisition device which based on ARM7-kernel Microprocessor S3C44B0X is designed after studying USB protocols，embedded operating systemμC/OS-Ⅱ and related hardware.Minimum system of S3C44B0X and its interface circuit with USB hardware controller are designed，andμC/OS-Ⅱis transplanted successfully.Depending on the inner eight ten-bit A/D converter of S3C44B0X，the embedded data acquisition device is realized.The research results indicate that this kind of device has such advantages as high reliability，low costand high data-transmission-rate.Because of its high practical value，it can be applied in many industrial fields as a basic module.

S3C44B0X;USB;data acquisition;μC/OS-Ⅱ

TN91

A

?? 京

2014-08-02

【本文獻(xiàn)信息】鮑玉軍，葛康杰，趙夢(mèng)婷.基于ARM7內(nèi)核微處理器的嵌入式USB數(shù)據(jù)采集模塊［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10KJD480003);江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目(201411055038)

鮑玉軍(1978—)，博士，講師，主研子信息工程、嵌入式系統(tǒng)。