嵌入式多路信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于人們對(duì)數(shù)字形式信息的需求量越來(lái)越大，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用技術(shù)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正向著高精度、高速度、穩(wěn)定可靠和集成化的方向發(fā)展。目前，大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)都是獨(dú)立的系統(tǒng)，只能進(jìn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集或存儲(chǔ)，已不能滿足應(yīng)用的需要，迫切要求接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是建立在新型采集系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)性能提高的基礎(chǔ)之上的。具有強(qiáng)大功能的32位微控制器在一些高端儀器儀表中得到了廣泛的應(yīng)用，而將GPRS無(wú)線傳輸模塊嵌入其中，將采集到的數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式接入Internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，非常適合工作人員在比較惡劣的環(huán)境下或者需要對(duì)多種參量進(jìn)行采集時(shí)使用。而高性能微處理器的應(yīng)用也極大提高了數(shù)據(jù)采集的精度和速度。

　　1　系統(tǒng)整體方案

　　整個(gè)遠(yuǎn)程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)無(wú)線終端成功連接到互聯(lián)網(wǎng)后，采集終端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)放大濾波后發(fā)送到ARM微控制器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換以及相關(guān)處理后，通過(guò)RS232口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無(wú)線終端，GPRS無(wú)線終端又將這些數(shù)據(jù)打成一個(gè)個(gè)的IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并由移動(dòng)通信服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過(guò)各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)統(tǒng)一的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

　　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心也可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息（各種命令及診斷信息）到無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)GPRS終端上的RS232接口輸出到ARM微控制器上，采集終端在接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的信息后，進(jìn)行解碼并執(zhí)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集現(xiàn)場(chǎng)的控制。

　　GPRS無(wú)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(wú)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(lái)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(chǎng)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(hào)處理單元，由于各種傳感器的輸出參數(shù)不同，輸出信號(hào)不僅電平低、內(nèi)阻高，而且有共模電壓以及現(xiàn)場(chǎng)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(duì)原始信號(hào)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?；诒静杉到y(tǒng)對(duì)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)：

　　middot;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(zhǎng)度固定；

　　·尋址方式靈活簡(jiǎn)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(chǔ)器用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

　　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(wèn)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(cè)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(dòng)、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(guò)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(wú)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(chǎng)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(duì)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(yǔ)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(yǔ)言進(jìn)行編程，但對(duì)于系統(tǒng)的初始化，仍然采用匯編來(lái)制作啟動(dòng)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