基于ARM9和μC/OSII的多頻道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能化設計
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隨著IT技術、電子技術、通信技術、以及自動控制技術的飛速發(fā)展，對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的高速實時采集就成為電子產(chǎn)品和工業(yè)控制技術發(fā)展不可避免的一個環(huán)節(jié)。
本文針對高速實時多任務數(shù)據(jù)采集中的多任務實現(xiàn)算法以及實時性、實效性和高速性的要求，提出了基于ARM9和μC/OSII操作系統(tǒng)的智能化設計方案，實現(xiàn)了任務優(yōu)先級動態(tài)調度、系統(tǒng)工作參數(shù)動態(tài)設定、系統(tǒng)內部軟件智能化設計，針對低速外圍設備進行了系統(tǒng)優(yōu)化，并提高了系統(tǒng)可靠性改善了內部任務同步性。
1 整體電路設計
整個采集系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示。首先利用多路調制電路對12路信號進行調制，這部分包含相應的信號轉換、抗干擾、以及初步的信號處理等，使得各路采集信號能夠達到ARM9內核對信號采集的要求。經(jīng)多路選擇和ADC采樣后進入ARM9內核。為了實現(xiàn)對整個系統(tǒng)工作狀態(tài)的實時監(jiān)視、實時控制和實時調節(jié)，設置了上位機監(jiān)視器和現(xiàn)場顯示觸摸屏，將用戶所有要求顯示的信息在上位機顯示輸出或者在現(xiàn)場LCD同步顯示輸出。采樣按照采樣頻段分為高頻段（300~200 ksps）、中頻段（200~100 ksps）、和低頻段（小于100 ksps）3個頻段，每個頻段由4個外部采樣通道組成。ARM9內核與上位機的通信利用UART和RS232轉換電路來實現(xiàn)。系統(tǒng)工作電源由統(tǒng)一的電源供給，在實現(xiàn)電壓轉換后對PC機和ARM9內核以及相應的工作電路提供電源支持。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路
2 系統(tǒng)總體軟件設計思路
系統(tǒng)的軟件設計原理如圖2所示。12路采集信號經(jīng)調制電路多路選擇和ADC采樣后進入各個采集任務內部通道。每一路采集通道都設計獨立的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)提交任務。也就是說，每一路外部采集通道都對應一個獨立的內部數(shù)據(jù)通道，而且本通道數(shù)據(jù)只在本通道內進行存儲、處理和傳遞。各個內部數(shù)據(jù)通道任務之間只有在系統(tǒng)調度時執(zhí)行時間上的先后關系、優(yōu)先級關系，沒有數(shù)據(jù)耦合關系。
圖2 系統(tǒng)軟件設計原理圖
命令掃描部分由獨立的上位機和下位機掃描任務完成對上位機監(jiān)視器和下位機觸摸屏的實時監(jiān)控，一旦檢測到用戶命令，立即將其發(fā)送給命令解析和處理任務，由該任務對用戶命令進行分析處理。命令處理完后將提取的結果發(fā)送給用戶要操作的采樣通道，使之按照用戶要求運行。
各個頻段的各個通道采集任務均設置兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。雙數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為采樣任務順利存儲提供了雙重保證，使得采樣工作一旦結束就有可用緩沖區(qū)，就可立即將數(shù)據(jù)存儲而后進行下一次采集。也使得后續(xù)的數(shù)據(jù)處理任務減少數(shù)據(jù)等待時間，能迅速得到當前采樣通道需要處理的數(shù)據(jù)，并在最短的時間內處理發(fā)送給下一級任務。
采樣、數(shù)據(jù)顯示、命令掃描都涉及外圍設備，是整個系統(tǒng)所有任務里面運行速度最慢的，針對采樣任務設置雙數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以很大幅度地改善由于采樣速度慢而造成的系統(tǒng)速率下降問題，顯示和命令掃描部分的優(yōu)化設計將在下文中詳細說明。
3 內部軟件調度算法
系統(tǒng)內部各個頻段命令如圖3所示。命令掃描函數(shù)捕捉到用戶命令后，對用戶命令進行驗證、分析、提取，而后將提取結果以廣播的方式發(fā)送至各個頻段的命令等待隊列。該隊列如得到新的命令，將用戶命令發(fā)送給本隊列下轄的各個采樣任務函數(shù)，用戶命令將立即得到執(zhí)行，包括通道切換、變換采樣周期、改變當前任務優(yōu)先級、顯示特定通道數(shù)據(jù)等。如沒有得到新的命令，等待超時后采樣任務按照原有方式繼續(xù)工作。這也是一種智能化設計，以很簡單的方式實現(xiàn)了按照用戶命令隨時對任何通道的查看、監(jiān)督、操作、工作狀態(tài)切換、通道切換、由單通道到所有通道并行實時采集切換等所有功能的任意切換。
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