嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設計

　　隨著計算機科學技術的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)滲透到雷達、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、振動工程、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學工程等眾多領域。本設計借助于嵌入式系統(tǒng)設計技術和微處理器技術來實現(xiàn)的低功耗、大容量存儲的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置具有如下特點：多通道數(shù)據(jù)采集(包括8路模擬量采集通道)、16路開關量采集通道、海量數(shù)據(jù)實時顯示存儲、集成度高、攜帶方便。

　　嵌入式平臺的構建

　　20世紀90年代后，嵌入式實時操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中確立了主導地位。典型產(chǎn)品如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、Lynx、WindowsCE、RTLinux、μC/OS-II等等。

　　μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)簡介

　　μC/OS-II的特點如下：公開源代碼，代碼結構清晰、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。是一個經(jīng)實踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，被成功地移植到了許多不同架構的處理器上。目前國內(nèi)對μC/OS-II的研究和應用都很多。

　　MSP430系列單片機介紹

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)近幾年開發(fā)的新一代16位單片機，MSP430F169是其中一款，具有強大的處理能力，RISC結構，125ns的指令周期，豐富的片內(nèi)外設，內(nèi)部具有2kB的RAM和60kB的FLASH，尋址空間達64k。

　　本設計中所用到的嵌入式處理器是TI公司的MSP430F169；操作系統(tǒng)是μC/OS-II。

　　μC/OS-II在MSP430F169上的移植

　　移植，指的是一個操作系統(tǒng)可以在某個微處理器或者微控制器上運行。雖然μC/OS-II大部分源代碼是用C語言寫成的，但是仍然需要用匯編語言完成與處理器相關代碼的編寫。要使μC/OS-II能正常移植到處理器，處理器必須滿足以下要求：①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；②能用C語言打開或關閉中斷；③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時中斷；④處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧；⑤處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧(或者內(nèi)存)的指令。

　　硬件設計

　　本數(shù)據(jù)采集裝置的硬件設計主要分三個模塊進行：主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、實時時鐘。主控單元主要完成了人機接口和存儲電路的設計，其中存儲電路選用USB接口電路作為數(shù)據(jù)存儲，對采集數(shù)據(jù)及時可靠的存儲保護，數(shù)據(jù)采集單元主要是模擬量、開關量輸入通道設計。系統(tǒng)實時時鐘是由MSP430F1222實現(xiàn)的，其與專用的RTC器件相比還具有可擴展性。

　　核心電路的設計

圖1　系統(tǒng)功能結構框圖

　　微處理器是整個電路的核心器件，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定著系統(tǒng)的功能指標。

　　晶振電路作為時基發(fā)生器的時鐘振蕩電路，為整個單片機芯片內(nèi)部各個部分電路及單片機與其他數(shù)字系統(tǒng)或者計算機系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時鐘信號。MSP430F169單片機有3個時鐘輸入源：低速晶體振蕩器(32k)、高速晶體振蕩器(450k～8M)和DCO振蕩器。無論系統(tǒng)上電或掉電都需要保證正常復位。復位電路本系統(tǒng)選用的CAT809微控制器監(jiān)控電路符合要求。

　　電源設計

　　電源模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計的重要組成部分，直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性。輸出質(zhì)量高、穩(wěn)壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強、微型化等是其設計原則。

　　數(shù)據(jù)存儲電路

　　完成采集數(shù)據(jù)及時可靠的存儲保護是本系統(tǒng)的一項重要功能，設計選用南京沁恒有限公司的純粹USB接口CH375，它的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適用于產(chǎn)品的改型設計。

　　軟件設計

　　主程序設計

　　主程序負責系統(tǒng)的初始化及任務的創(chuàng)建?；玖鞒倘鐖D2所示。主控單元的軟件設計主要包括鍵盤掃描任務，液晶顯示任務，數(shù)據(jù)存儲任務、UART通信任務等。主要介紹數(shù)據(jù)存儲任務和UART通信任務。

　　數(shù)據(jù)存儲任務

　　采集數(shù)據(jù)及時可靠的存儲保護是本采集裝置的一項重要任務，U盤的讀寫方式下，僅僅是將U盤當作可移動的存儲器，所以讀寫方法與讀寫閃存差不多，操作簡單，速度快，只要幾十條語句就可以讀寫數(shù)據(jù)。但計算機不能直接讀取寫入的數(shù)據(jù)。

　　Voidx Write CH375 Cmd(UINT8mCmd)/*向CH375寫命令*/

　　{

　　P2DIR|=0x0F；/*設置P2口A0，CS，WR，RD為輸出控制信號*/

　　P4OUT=mCmd；/*向CH375的并口輸出數(shù)據(jù)*/

　　}

　　Void xReadCH375 Data(void) */從CH375讀數(shù)據(jù)*/

　　{

　　UINT8mData；

　　P4DIR=0；/*讀操作所以數(shù)據(jù)輸入*/

　　mData=P4IN；/*從CH375的并口輸入數(shù)據(jù)*/

　　P2OUT|=0x07；

       /*輸出無效的控制信號，完成操作CH375芯片，A0(P2.3)=0；CS(P2.2)=1；WR=(P2.1)=1；RD(P2.0)=1；*/

　　return(mData)；

　　}

　　UART通訊任務

　　數(shù)據(jù)采集單元的軟件設計包括8路模擬量的采集任務、16路開關量的采集任務和UART通訊任務的編寫，UART通訊任務主要是完成數(shù)據(jù)采集模塊和主控單元的數(shù)據(jù)交換。

　　本設計是結合先進的嵌入式技術、微處理器技術及USB總線技術，基于低功耗、大容量存儲原則設計的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置；對其主要功能模塊進行了原理設計，部分實驗進行了驗證，證明該裝置適用于工業(yè)控制等較為復雜的測控場合。軟件設計上，μC/OS-II的應用使數(shù)據(jù)采集具有更好的實時性。但是系統(tǒng)功能的擴展和通信方面還具有更深的研究空間。