基于ARM的嵌入式多路信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

GPRS無線終端嵌入了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議(用戶可選)，本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)際上GPRSDTU上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧是TCP/IPOverPPP。

圖1　GRPS無線數(shù)據(jù)采集終端

2　硬件組成

2.1　傳感器及放大器

理論上，該系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行16路數(shù)據(jù)的采集，但在實(shí)際的調(diào)試中，只選用了2路來做模擬。

一路選用溫度傳感器，表面/液體熱電偶NR281530，獲取實(shí)時(shí)現(xiàn)場的溫度，另一路采用壓力傳感器，PPM241BY油井專用型壓力傳感器，此系統(tǒng)在油田油井中具有較好應(yīng)用。

在前端信號處理單元，由于各種傳感器的輸出參數(shù)不同，輸出信號不僅電平低、內(nèi)阻高，而且有共模電壓以及現(xiàn)場惡劣環(huán)境的影響，因此，在選用放大芯片時(shí)要綜合考慮以上因素。選取常用的MCP6S2X可編程增益放大器對原始信號進(jìn)行放大，OP07CP做后續(xù)濾波芯片。

2.2　微處理器

微處理器是系統(tǒng)工作的核心，其性能的好壞直接決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。基于本采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和精度的要求，以及易操作性方面的考慮，選擇32位的ARM7系列處理器，它具有以下特點(diǎn)：

·體積小、低功耗、低成本、高性能;

·支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令，能很好兼容8位/16位器件;

·大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快;

·指令長度固定;

·尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高

本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的單片32位微控制器LPC2134，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，該存儲器用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。

LPC2134擁有兩個(gè)異步串行口UART0和UART1，本系統(tǒng)中將UART0與GPRS終端相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。它采用16字節(jié)收發(fā)FIFO，內(nèi)置波特率發(fā)生器，包含使能實(shí)現(xiàn)軟件控制的機(jī)制。

硬件SPI接口是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的1/8，可配置為主機(jī)或從機(jī)。本系統(tǒng)中SPI接口作為主機(jī)，根據(jù)不同的中斷，控制多個(gè)從機(jī)，包括可編程增益放大器MCP6S2X，使用SPI總線訪問SD卡，以及控制開發(fā)板上的數(shù)碼管顯示。

A/D轉(zhuǎn)換器是2個(gè)8路10位逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，測量范圍是0～313V，10位轉(zhuǎn)換時(shí)間大于或等于2144μS，一個(gè)或多個(gè)Burst轉(zhuǎn)換模式。

2.3　GPRS終端

GPRS終端選用的是南京傲屹電子有限公司的AYG285C，它是采用GPRS模塊專為工業(yè)集成設(shè)計(jì)的，在溫度范圍、震動、電磁兼容性和接口多樣性等方面均采用特殊設(shè)計(jì)，保證了惡劣環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，基于GPRS公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸具有通信范圍廣，傳輸穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。通過按鍵可以進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置或者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，串口波特率在300～115200bps可調(diào)，校驗(yàn)位可選：無校驗(yàn)，奇校驗(yàn)，偶校驗(yàn)。支持協(xié)議PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客戶端功能。另外，電源、工作狀態(tài)有LED指示，方便現(xiàn)場查看MODEM運(yùn)行情況。

3　系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1　μC/OS2Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)

當(dāng)需要進(jìn)行多任務(wù)處理和調(diào)度時(shí)，一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就必不可少。為此系統(tǒng)中采用源碼公開的μC/OS2Ⅱ操作系統(tǒng)，它具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2K字節(jié)。

μC/OS2Ⅱ的移植需要滿足以下要求：

·處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

·可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出臨界區(qū)代碼;

·處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

·處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

·處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

本系統(tǒng)使用的LPC2134ARM7處理器滿足以上所有條件，因此可以對其進(jìn)行移植。根據(jù)μC/OS2Ⅱ的要求，移植μC/OS2Ⅱ到一個(gè)LPC2134ARM7體系結(jié)構(gòu)上需要提供2個(gè)或3個(gè)文件：OSCPU.

H(C語言頭文件)、OS-CPU-C.C(C程序源文件)及OS-CPU-A.ASM(匯編程序源文件)。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，采用C語言進(jìn)行編程，但對于系統(tǒng)的初始化，仍然采用匯編來制作啟動代碼，它可以實(shí)現(xiàn)向量表定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量的初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化、外圍初始化、地址映射等操作。

芯片復(fù)位后，系統(tǒng)初始化流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)初始化流程圖

3.2　接口程序及SD卡驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)時(shí)內(nèi)核下，接口程序讀取A/D采樣數(shù)據(jù)的方法通常有三種：程序延時(shí)法、ADC轉(zhuǎn)換完畢時(shí)產(chǎn)生中斷法和程序循環(huán)等待的方法。其中循環(huán)等待的方法CPU開銷小，不需要中斷服務(wù)，比較適合嵌入式系統(tǒng)中采用。

循環(huán)等待A/D讀取數(shù)據(jù)的偽代碼如下：

之間通過串口相連，采集數(shù)據(jù)先通過開發(fā)板串口UART0發(fā)送到無線數(shù)據(jù)終端AYG285C的緩沖區(qū)，然后緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)打成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心。因此，在μC/OS2Ⅱ下LPC2134的UART底層接口驅(qū)動顯得尤為重要。

UART0初始化函數(shù)片斷如下：

在本系統(tǒng)中，串口通信采用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)，無流控制。在實(shí)際使用中為接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定波特率設(shè)置為9600bps效果較好。在測試系統(tǒng)中，測量到的數(shù)據(jù)范圍為10-6～101，有效數(shù)字為4位，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用每幀數(shù)據(jù)由3個(gè)字節(jié)組成，第1個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)指數(shù)部分，高四位為0，低四位中的第四位表示指數(shù)符號，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù);其余三位表示指數(shù)的數(shù)值部分。

后續(xù)兩個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)底數(shù)部分，采用壓縮的BCD碼編碼方式，高位在前，低位在后，即一個(gè)字節(jié)表示兩位十進(jìn)制數(shù)，則兩個(gè)字節(jié)表示四位十進(jìn)制數(shù)。