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數據采集技術是信息科學的一個重要分支。隨著計算機科學技術的飛速發展和普及，數據采集技術己經滲透到雷達、通信、水聲、遙感、地質勘探、振動工程、語音處理、智能儀器、工業自動控制以及生物醫學工程等眾多領域。數據采集裝置是在工業控制系統中應用最廣泛的一種設備，可實現對生產現場的各種參數進行采集、監視和記錄。 數據采集裝置的發展方向為：實時性好、適用性廣和可靠性高。因此采用嵌入式技術，開發一種基于嵌入式實時操作系統和ARM處理器的高精度、強實時性和廣適用性的新型數據采集裝置非常必要。 順應市場需求設計的數據采集裝置設計，采用了基于ARM7處理器為內核的飛利浦公司32位單片機LPC2144，其數據處理能力和豐富的片內資源滿足了數據采集裝置的功能和性能需要。同時可以使系統小型化，便于提高性能以及與各種外設連接擴展，降低了成本。μC/OS-Ⅱ作為一個源代碼公開的操作系統，在具體應用中穩定可靠。ARM7+μC/OS-Ⅱ開發設計，利用嵌入式實時操作系統的可裁剪性、可移植性和多任務等特點，不僅使其采集性能大幅度提高，而且使抗干擾能力和實時性顯著增強。可以在各種工業場合中廣泛應用，達到了設計的初衷。 1 總體方案 設計在研究嵌入式實時操作系統、ARM處理器和數據采集技術基本原理的基礎上，完成基于ARM處理器和嵌入式實時操作系統的數據采集裝置的設計。裝置具有USB接口、RS485接口，可以滿足遠程和近程數據采集的需要，同時還可以與各種傳感器配合可實現對溫度、壓力、流量、液位等常用數據的采集。 2 數據采集裝置的硬件設計 數據采集裝置功能模塊框圖如圖1所示。 
2.1 系統器件的選擇 2.1.1 微處理器的選型 作為數據采集系統的核心部件，微處理器的選擇對整個系統功能的優化起著至關重要的作用。當今市場上流行的微處理器眾多，在不同的應用領域，它們都發揮著各自的優勢。一般的選型原則是：滿足應用要求，簡單易用，價格便宜，設計周期短。 LPC2144單片機是飛利浦公司生產的以ARM處理器為內核的微處理器，其處理速度快、應用廣泛、價格低廉、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處理器使電路設計更加便捷、可靠、節能。 2.1.2 嵌入式實時操作系統的選型 嵌入式實時操作系統種類很多，大體可以分為商用型和免費型。商用型實時操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持，但往往價格昂貴；免費型實時操作系統在價格方面具有優勢，常用的主要有Linux和μC/OS-Ⅱ兩種。 Linux可以移植到多個不同結構的CPU和硬件平臺，具有很好的穩定性及升級能力，而且開發容易，對商用嵌入式操作系統帶來了很大的沖擊。 μC/OS-Ⅱ僅是一個實時內核，它不像其他實時操作系統那樣提供給用戶的一些API函數接口，很多工作需要自己去完成。把μC/OS-Ⅱ移植到目標硬件平臺上只是系統設計工作的開始，還需要針對實際的應用需求對μC/OS-Ⅱ進行功能擴展，包括底層的硬件驅動、文件系統、用戶圖像接口（GUI）等，從而建立一個實用的RTOS. 綜合考慮嵌入式操作系統的硬件支持；可移植性；開發工具的支持程度；能否滿足應用需求；中文內核支持；標準兼容性；技術支持等等，決定選用嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ。 2.2 硬件設計方案 數據采集裝置的硬件部分以飛利浦公司LPC2144為核心，其數據處理能力和豐富的片內資源滿足了數據采集裝置的功能和性能需要。配以模擬量采集電路、開關量采集電路、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。
2.2.1 數據采集單元設計 數據采集電路部分選用不同的傳感器和信號調理電路，可實現對多種電量與非電量的采集與處理，運行穩定可靠，采樣精度高，能滿足系統的設計要求。 作為通用數據采集裝置輸入信號范圍是很大的，而LPC2144-單片機內嵌ADC轉換器的供電電壓是+3V，ADC電路的被測信號輸入端的輸入電壓必須小于電源電壓，否則測量值將不準確。必須將輸入的被測信號的電壓范圍調理到ADC轉換的測量范圍內，才能得到正確的ADC轉換值。 工作原理：調理電路根據各種傳感器輸出電壓或電流的不同，由DIP開關控制MSP430輸出端的繼電器，通過不同開關的閉合來改變放大電路的放大倍數，同時MSP430芯片還控制一個DAC來為不同的放大電路提供不同的偏置電壓，從而實現量程的轉換。最終將0~3 V范圍的電壓信號輸入ADC中。 2.2.2 USB接口電路 USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線。一個USB系統通常包括三個部分：USB互連、USB設備和USB主機。USB特有的優點：即插即用、低功耗、完整的總線拓撲結構、硬件結構標準化等。 LPC2144單片機內部有集成的USB控制器，完全兼容USB 2.0全速規范；支持32個物理（16個邏輯）端點；支持控制、批量、中斷和同步端點；運行時可通過軟件來選擇端點最大包長度（取決于USB最大規格）；RAM大小取決于使用的端點和最大包的長度；支持SoftConnectTM特性和GoodLinkTM LED指示器；支持總線供電功能，具有較低的掛起電流。可工作于設備方式。
2.2.3 RS-485接口電路 RS-485接口的優點在于它使用一對雙絞線就能實現單片機與上位機的通訊。具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護以及價格低廉等優點，這些優點使其在工業控制、工業設備中得到了廣泛的應用。
由于大多數PC機只具有RS-232串行通信口，而不具備RS-485接口，因此，為了實現RS-485接口串行通信，必須在PC機側配置RS-232/RS-485接口轉換電路，具體通過設計一塊RS-232/RS-485轉接板來實現。 3 數據采集裝置的軟件設計 軟件設計上，采用基于μC/OS-Ⅱ多任務編程思想。 μC/OS-Ⅱ是由Jean J.Labrosse編寫的、很流行的一種免費公開源代碼的實時操作系統。μC/OS-Ⅱ不僅具有結構小巧、可固化、可裁剪、多任務和可剝奪型的實時內核等特點，而且其實時性、穩定性、可靠性也得到了廣泛的認可。 μC/OS-Ⅱ使用前，必須先移植到微處理器上。LPC2144具有強大的處理能力，RISC結構，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，同時具有豐富的片內外設，如硬件乘法器、ADC、定時器、PWM通道、高速GPIO線、看門狗等。內部還具有16 kB的RAM和128 kB的FLASH.足以滿足移植所需要的條件。 3.1 LPC2144單片機的啟動代碼編寫 FLASH中的程序執行前，需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化。這些工作是用匯編語言和C語言編寫的啟動（BootloadetO）代碼完成的。 在啟動代碼的編寫中，將啟動代碼劃分為5個文件：Startup.s、IRQ.s、stack.s、heap.s和target.c.Startup.s包含向量表和系統初始化代碼。IRQ.s包含中斷服務程序與C程序的接口代碼。stack.s和heap.s保存C語言使用的堆和棧的開始位置。target.c包含目標板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標板初始化程序。 MOV R0，LR;因芯片模式切換，故將程序返回地址保存至R0，同時在初始化堆棧完成后使用R0返回。 其余的步驟都在TargetResetInit函數中加以實現。 3.2 外設驅動程序 在μC/OS-Ⅱ一類的微內核操作系統中，設備驅動一般都是由應用程序在內核外部實現的。不過由于不分系統空間和用戶空間，這些設備驅動程序仍在系統中執行。從實現方式上看，設備驅動程序的實現可以分為兩種：一種是輪詢（Polling）方式，另一種是中斷方式。 設計采用中斷式設備驅動的實現方式。 4 結束語 數據采集裝置的低成本、低功耗、實時性設計是數據采集領域的一個主要研究方向。 數據采集裝置充分利用了LPC2144豐富的片上資源，大大簡化了硬件電路的設計；采用RS-485接口和USB接口通信技術，既可以實現系統的遠程數據采集，又可以與PC機相連實現實驗室數據采集；同時該裝置是基于實時嵌入式操作系統的，在實時性方面具有很大的優越性。 通過實驗驗證了其設計的合理性和可行性。該數據采集裝置具有低成本、低功耗、微型化、精度高、運行穩定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高等特點，可以采集多種傳感器輸出的標準信號。但在系統功能的擴展和通信方面還有待于進一步改進與提高。 Source:中電網 |
