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對現有海底大地電磁信號采集系統的主控模塊進行了改進。采用AT91m40800為主控單元，通過移植嵌入式實時操作系統μC/OS-II進行任務管理，并擴展了ISA總線、串行接口和網絡接口。概要介紹了改進方案的設計思路、μC/OS-II的移植以及ARM對外圍器件的擴展，并通過ISA總線仿真了系統時序效果。 1 海底大地電磁儀的分析 海底大地電磁數據采集器是對海底大地電磁場和海底環境信息進行自動采集的智能化儀器，旨在建立具有我國特色的海底大地電磁探測技術，并使之實用化，為我國海域區域地質調查提供新的技術支撐，為發展我國海洋電磁探測奠定基礎。儀器于2000年研制成功后，在我國東海大陸架進行了成功試驗。 整個數據采集器由電道前放板、磁道前放板、主放板、輔助通道板、時鐘板、數字板、標定信號板和主控單元構成層疊式電路結構。整個電路板的整體何種為90%26;#215;96%26;#215;170mm3，重量約1kg。采集器使用+5V和%26;#177;12V三路電源，工作狀態下整機功耗為7W，正常工作的環境溫度為-50℃～+70℃。目前一期完成的海底大地電磁儀最長記錄時間為7天，頻率范圍為0.0001Hz～100Hz。數據采集器配置容量為144MB的固態電子盤。從數據處理的邏輯次序看，整個系統分為八部分，包括前置放大、數字和模擬濾波、低通濾波、高通濾波、主放大器、數據轉換、緩沖存儲和數據存儲。 一期建設中，海底大地電磁儀器整體效果還是令人滿意的。但也存在一些不足，主要體現在以下幾個方面： （1）系統功耗 目前系統正常工作下，功耗約為7W。其中主要包括磁場傳感器功耗290mW、傾斜傳感器功耗45mW、振動傳感器功耗0.5W、主控電路功耗2W等。在電池電能一定的情況下，整個采集可以持續7天左右，采集時間長度不夠。 （2）主控單元 目前采用286系列主控單元，在嵌入式系統發展到很高水平的今天，已不適應高效率、高集成度的技術需要。 （3）采集穩定性 海底大地電磁采集要求各采集點精確同步，所以系統對穩定性的要求十分高。而目前系統采用單道大循環程序實現各項系統任務。這樣不利于提高數據采集的穩定性。 2 改進方案的設計思路 海底電磁數據采集需要的海上作業，采集成本大。為了達到效率最大化，就必須明顯降低原有系統的功耗，并提高數據采集的穩定性。鑒于此，改進方案如下： （1）用ARM芯片取代286系列主控單元 ARM具有集成度高、能耗低等特點，通過使用ARM芯片取代目前的286系列主控單元將極大地降低系統的功耗，同時也可以縮減電路，進而降低電路的復雜度，減小系統的體積。 （2）用μC/OS-II取代目前的單道程序 μC/OS-II取得了美國聯邦航空管理局（FAA）對于商用飛機的、符合RTCA DO-178B標準的認證，表明μC/OS-II具有足夠的安全性和穩定性。使用操作系統管理多任務，實現多任務的并發和同步。通過這種方式取代目前的單道大循環程序，可以提高系統的穩定性。 3 改進主控單元的硬件組成 ARM架構在推出后獲得了成功，各種ARM核心版本以及不同系統方案種類繁多。使用ARM本身已經比原有主控電路功耗降低，在滿足實際需要的情況下，還可以在ARM各架構中選擇功耗較低的。最終選擇了ARM7TDMI結構，部分架構功耗比較見表1。由于原有數據采集系統前臺采集部分和后臺主控部分使用ISA總線標準進行連接，在ARM7TDMI架構的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線擴展的AT91M40800。為完成系統所需任務，根據ATMEL公司發布的EB40開發板電路設計主控單元。片內SRAM 8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和網絡接口等。AT91m40800共有37個寄存器，其中包括31個32位通用寄存器（含程序計數器PC在內）、6個32位狀態寄存器（但目前只使用其中的12位）。運行時的任意時刻，可見寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14），一個或兩個狀態寄存器及程序計數器PC，其他寄存器多用于備份。經測試證明：所購芯片功耗測量均值小于0.25mW，較之原有主控單元2W的功耗，顯著降低。 表1 部分ARM架構功耗比較表 CPU Description Area(mm2) Power(mW) Clock(MHz) Mips(MHz) ARM7TDMI Core 0.53 <0.25 60～110 0.9 ARM9TDMI Core 1.1 0.3 167～220 0.9 ARM9E-S Synthesizable Core - 1 133～200 1.1 ARM1020E Macrocell32+32KB cache 10 0.85 200～400 1.24 4 嵌入式實時操作系統μC/OS-II的移植 盡管μC/OS-II是用標準C語言寫的，但當應用到某個具體的CPU上時，還需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關的代碼。改寫過程主要結合改進系統所采用的新主CPU AT91m40800的一些具體參數，完成整個操作系統的移植。 μC/OS-II可以大致分為內核、任務處理、時間處理、任務同步與通信、與CPU的接口等五部分。內核（OSCore.c）是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、系統運行、中斷處理、時鐘節拍、任務調度和事件處理等多任務。任務處理部分（OSTask.c）是與任務操作密切相關的，包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等。時鐘部分（OSTime.c）定義μC/OS-II的最小時鐘單位是Timetick(時鐘節拍)。任務同步和通信部分包括信號郵箱、郵箱隊列和時間 標志等部分，主要用于任務間的互相聯系和對臨界資源的訪問。與CPU接口部分是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分，主要包括中斷級任務切換的底層實現、任務級任務切換的底層實現、時鐘節拍的產生和處理、中斷和相關處理部分等內容。 μC/OS-II除了良好的穩定性和安全性以外，很重要的特點就是對多任務管理的優異表現。μC/OS-II可以管理多達64個任務。除了8個μC/OS-II自用的任務以外，用戶的應用程序最多可有56個任務。用戶可以通過系統提供的任務結構來自行創立任務。改進方案中需要管理的任務包括GPS校時、讀采集數據、數字濾波和存數據，執行框架如圖1。 在初始化時，進行GPS校時。讀優先級最高，采集器不停地讀數據。當數據在緩沖區中還沒填滿時，進行濾波和寫存儲器的任務，一旦緩沖已滿就要繼續執行讀操作。這里所說的讀操作實際上是系統從緩沖中讀的操作，并不是實際的采集器讀地磁信號操作。寫任務其次，必須連貫地完成一次寫任務，中途不能被打斷。所以只有在不進行讀操作時，才可以進行寫操作。濾波任務在讀任務完成后執行，但是如果前一個寫任還沒有完成，就不能濾波，以防止新數據無法寫入。所以只有當新的讀任務結束，且舊的寫任務完成后方可執行新讀數據的濾波任務。通過μC/OS-II提供的信號量機制，可很好地實現任務進程的互斥與并發。 5 ARM對外圍設備的擴展 主控單元與前臺數據采集模塊間仍保留原有ISA總線接口標準，只是自行設計ARM主控單元的接口電路如圖2所示。符合原有協議標準后，改進電路成功替代了原來的主控。 雖然串行接口速度較慢，但完全可以滿足與上位機之間的通信。改進方案首先實現了ARM對于串口的擴展，作為通信手段之一。使用ARM公司自行開發的的ARM調試專用環境ADS1.2測試串行接口的效果：擴展程序所設計的輸出結果為AT9140800USART_CUGB，連接采集儀和PC機，使用Windows自帶的超級終端可以看到輸出結果與設計一致，表明擴展是成功的。 各采集器間及采集器與上位機交互還可通過網絡實現。改進方案基于μC/OS-II移植IP協議棧后，通過擴展網絡接口卡，可實現網絡功能。由于網絡接口芯片本身也遵守ISA標準，所以擴展的網絡接口還可以用來仿真測試ISA總線。檢測總線時序情況就可測試主控模塊的功能情況。抓取ISA設備時序，即得出系統接總線是否符號ISA協議標準。寫一次后，邏輯分析儀截出幾次時序，結果如圖3所示。圖3時序情況：/CS8019為網絡接口芯片片選信號，/WE為寫使能信號，/OE為輸出使能信號，A1～A5為低5位地址，D0～D7為8位數據位。圖3中顯示寫使能一次后，輸出多次，對應地址循環（程序設定的輸出效果），數據位則是輸出8019的數據，具體內容沒有意義。如圖3虛線處，在C1時刻，開始進行寫操作；C2時刻輸出，低5位地址為00000；C3時刻第二次輸出，地址為00001；C4時刻第三次輸出，地址為00010。依次類推，表明主控單元改進滿足了ISA總線的要求，網絡接口擴展也正常。基于此，通過與前臺數據采集模塊直接連接，即可進行海底大地電磁數據的高效采集。 由于采用ARM芯片取代原有主控單元，僅此一項就降低功耗約25%，實現了功耗降低的要求。另外在采用了操作系統后，將使整個采集過程更穩定有序，提高了整個采集過程的準確性和安全性。 |
