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

在一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)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(shí)的數(shù)據(jù)并送給PC機(jī)，通過(guò)運(yùn)行在PC機(jī)上的特定軟件對(duì)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(wèn)題。這對(duì)于穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置來(lái)說(shuō)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(tái)，基于ARM7系列處理器，對(duì)一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了探索。

1μC/OSII嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII(microcontroller operating system)是專(zhuān)為微控制器系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的公開(kāi)源代碼的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個(gè)系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運(yùn)行的始終。對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引入μC/OSII無(wú)疑將大大改善其性能。

μC/OSII的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開(kāi)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(gè)任務(wù)。μC/OSII自1992年的第一版(μC/OS)以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)應(yīng)用，是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設(shè)備處，通過(guò)傳感器對(duì)設(shè)備的電壓或者電流信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，然后將該信號(hào)送到FIFO中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時(shí)，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過(guò)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(huì)很多，所以設(shè)計(jì)了多路采集通道，他們經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個(gè)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(qǐng)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?xún)r(jià)比16/32位RISC微控制器，他有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

硬件方面內(nèi)含一個(gè)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(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。S3C4510B通過(guò)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(gè)帶緩沖描述符(buffer descriptor)的HDLC通道;2個(gè)UART通道;2個(gè)GD M A通道;2個(gè)32位定時(shí)器;18個(gè)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(gè)內(nèi)部32位系統(tǒng)總線(xiàn)仲裁器;1個(gè)外部存儲(chǔ)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(xiàn)調(diào)試功能，使S3C4510B芯片軟件可以直接用C編寫(xiě)，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(hào)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(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。