基于ARM7系列處理器的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)探索方案

在一些工業(yè)現(xiàn)場中，設(shè)備長時間運(yùn)行容易出現(xiàn)故障，為了監(jiān)控這些設(shè)備，通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集他們運(yùn)行時的數(shù)據(jù)并送給PC機(jī)，通過運(yùn)行在PC機(jī)上的特定軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此判斷當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)采集裝置，在其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，多采用單任務(wù)順序機(jī)制。這樣就存在系統(tǒng)安全性差的問題。這對于穩(wěn)定性、實(shí)時性要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。筆者以μC/OSII為操作系統(tǒng)平臺，基于ARM7系列處理器，對一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了探索。

1μC/OSII嵌入式操作系統(tǒng)簡介

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII(microcontroller operating system)是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計(jì)的公開源代碼的搶占式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運(yùn)行的始終。對于對實(shí)時性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，引入μC/OSII無疑將大大改善其性能。

μC/OSII的特點(diǎn)可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個任務(wù)。μC/OSII自1992年的第一版(μC/OS)以來已經(jīng)有好幾百個應(yīng)用，是一個經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。目前國內(nèi)對μC/OSII的研究和應(yīng)用都很多。

2系統(tǒng)基本工作原理

應(yīng)用時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設(shè)備處，通過傳感器對設(shè)備的電壓或者電流信號進(jìn)行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后將該信號送到FIFO中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過ARM7的以太網(wǎng)接口或者RS232送給上位機(jī)?？紤]到要監(jiān)控的設(shè)備可能會很多，所以設(shè)計(jì)了多路采集通道，他們經(jīng)過模擬開關(guān)后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個系統(tǒng)的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數(shù)據(jù)等。

3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用了Samsung公司的S3C4510B作為系統(tǒng)與上位機(jī)溝通的橋梁，S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比16/32位RISC微控制器，他有如下幾個主要特點(diǎn)：

硬件方面內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMI RISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。S3C4510B通過在ARM 7TDMI核內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整地通用外圍器件。

片上資源包括2個帶緩沖描述符(buffer descriptor)的HDLC通道;2個UART通道;2個GD M A通道;2個32位定時器;18個可編程的I/O口。還有中斷控制器;DRAM/SDRAM控制器;ROM/S RAM和FLASH控制器;系統(tǒng)管理器;1個內(nèi)部32位系統(tǒng)總線仲裁器;1個外部存儲器控制器等片內(nèi)的邏輯控制電路。

這些為μC/OSII的移植提供了優(yōu)良的物理資源。

軟件支持方面他有配套的代碼編輯調(diào)試環(huán)境ADS12和JTAG在線調(diào)試功能，使S3C4510B芯片軟件可以直接用C編寫，這就使μC/OSII的植入成為可能。

12位高速A/D轉(zhuǎn)換電路采用Analog Devices的AD574，該電路輸出具有三態(tài)鎖存功能。預(yù)處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路，他可以將信號轉(zhuǎn)換成與AD574相匹配的量值，供后續(xù)處理。通訊電路采用常用的以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連，而232接口可作為備用，這樣該裝置既可作為便攜式系統(tǒng)使用，也可通過網(wǎng)絡(luò)來對設(shè)備實(shí)施實(shí)時監(jiān)控。