基于ARM7內(nèi)核和μC／OS-Ⅱ的數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)

摘要：基于ARM7內(nèi)核的LPC2144芯片，利用μC／0S-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的可裁剪性、可移植性和多任務(wù)等特點(diǎn)支持下的數(shù)據(jù)采集裝置，研究了數(shù)據(jù)采集裝置在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄；數(shù)據(jù)采集是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的基本條件，只有準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲取對(duì)象的運(yùn)行數(shù)據(jù)才能實(shí)施有效的控制。結(jié)果表明ARM7內(nèi)核+嵌入式操作系統(tǒng)μC／0S-Ⅱ的移植數(shù)據(jù)采集裝置，具有低成本、低功耗、微型化、精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、性價(jià)比高等特點(diǎn)，不僅使其采集性能大幅度提高，而且抗干擾能力和實(shí)時(shí)性顯著增
強(qiáng)，可以在各種工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；嵌入式系統(tǒng)；μC／OS-Ⅱ；LPC2144；RS485；USB

0 引言
數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)己經(jīng)滲透到雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、振動(dòng)工程、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集裝置是在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄。
數(shù)據(jù)采集裝置的發(fā)展方向?yàn)椋簩?shí)時(shí)性好、適用性廣和可靠性高。因此采用嵌入式技術(shù)，開發(fā)一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和ARM處理器的高精度、強(qiáng)實(shí)時(shí)性和廣適用性的新型數(shù)據(jù)采集裝置非常必要。
順應(yīng)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)，采用了基于ARM7處理器為內(nèi)核的飛利浦公司32位單片機(jī)LPC2144，其數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源滿足了數(shù)據(jù)采集裝置的功能和性能需要。同時(shí)可以使系統(tǒng)小型化，便于提高性能以及與各種外設(shè)連接擴(kuò)展，降低了成本。μC／OS-Ⅱ作為一個(gè)源代碼公開的操作系統(tǒng)，在具體應(yīng)用中穩(wěn)定可靠。ARM7+μC／OS-Ⅱ開發(fā)設(shè)計(jì)，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的可裁剪性、可移植性和多任務(wù)等特點(diǎn)，不僅使其采集性能大幅度提高，而且使抗干擾能力和實(shí)時(shí)性顯著增強(qiáng)。可以在各種工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應(yīng)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷。

1 總體方案
設(shè)計(jì)在研究嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、ARM處理器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，完成基于ARM處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)。裝置具有USB接口、RS485接口，可以滿足遠(yuǎn)程和近程數(shù)據(jù)采集的需要，同時(shí)還可以與各種傳感器配合可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位等常用數(shù)據(jù)的采集。

2 數(shù)據(jù)采集裝置的硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集裝置功能模塊框圖如圖1所示。

2．1 系統(tǒng)器件的選擇
2．1．1 微處理器的選型
作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，微處理器的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)今市場(chǎng)上流行的微處理器眾多，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，它們都發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)。一般的選型原則是：滿足應(yīng)用要求，簡單易用，價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)周期短。
LPC2144單片機(jī)是飛利浦公司生產(chǎn)的以ARM處理器為內(nèi)核的微處理器，其處理速度快、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、并且ARM處理器的功耗是同檔次其他嵌入式處理器中較低的。低成本、微電流供電的ARM處理器使電路設(shè)計(jì)更加便捷、可靠、節(jié)能。
2．1．2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選型
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)種類很多，大體可以分為商用型和免費(fèi)型。商用型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持，但往往價(jià)格昂貴；免費(fèi)型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，常用的主要有Linux和μC／OS-Ⅱ兩種。
Linux可以移植到多個(gè)不同結(jié)構(gòu)的CPU和硬件平臺(tái)，具有很好的穩(wěn)定性及升級(jí)能力，而且開發(fā)容易，對(duì)商用嵌入式操作系統(tǒng)帶來了很大的沖擊。
μC／OS-Ⅱ僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，它不像其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)那樣提供給用戶的一些API函數(shù)接口，很多工作需要自己去完成。把μC／OS-Ⅱ移植到目標(biāo)硬件平臺(tái)上只是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的開始，還需要針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用需求對(duì)μC／OS-Ⅱ進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、用戶圖像接口(GUI)等，從而建立一個(gè)實(shí)用的RTOS。
綜合考慮嵌入式操作系統(tǒng)的硬件支持；可移植性；開發(fā)工具的支持程度；能否滿足應(yīng)用需求；中文內(nèi)核支持；標(biāo)準(zhǔn)兼容性；技術(shù)支持等等，決定選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。
2．2 硬件設(shè)計(jì)方案
數(shù)據(jù)采集裝置的硬件部分以飛利浦公司LPC2144為核心，其數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源滿足了數(shù)據(jù)采集裝置的功能和性能需要。配以模擬量采集電路、開關(guān)量采集電路、USB接口電路、RS485接口電路、液晶顯示電路、鍵盤電路等組成。
LPC2144管腳配置圖如圖2所示。