基于A(yíng)RM的嵌入式多路信號數據采集系統

GPRS無(wú)線(xiàn)終端嵌入了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議(用戶(hù)可選)，本系統采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)際上GPRSDTU上實(shí)現的協(xié)議棧是TCP/IPOverPPP。

圖1　GRPS無(wú)線(xiàn)數據采集終端

2　硬件組成

2.1　傳感器及放大器

理論上，該系統可以同時(shí)進(jìn)行16路數據的采集，但在實(shí)際的調試中，只選用了2路來(lái)做模擬。

一路選用溫度傳感器，表面/液體熱電偶NR281530，獲取實(shí)時(shí)現場(chǎng)的溫度，另一路采用壓力傳感器，PPM241BY油井專(zhuān)用型壓力傳感器，此系統在油田油井中具有較好應用。

在前端信號處理單元，由于各種傳感器的輸出參數不同，輸出信號不僅電平低、內阻高，而且有共模電壓以及現場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響，因此，在選用放大芯片時(shí)要綜合考慮以上因素。選取常用的MCP6S2X可編程增益放大器對原始信號進(jìn)行放大，OP07CP做后續濾波芯片。

2.2　微處理器

微處理器是系統工作的核心，其性能的好壞直接決定了數據采集系統性能的優(yōu)劣。基于本采集系統對數據實(shí)時(shí)性和精度的要求，以及易操作性方面的考慮，選擇32位的ARM7系列處理器，它具有以下特點(diǎn)：

·體積小、低功耗、低成本、高性能;

·支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令，能很好兼容8位/16位器件;

·大量使用寄存器，指令執行速度快;

·指令長(cháng)度固定;

·尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執行效率高

本系統采用PHILIPS公司的單片32位微控制器LPC2134，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，該存儲器用作代碼和數據的存儲。

LPC2134擁有兩個(gè)異步串行口UART0和UART1，本系統中將UART0與GPRS終端相連，實(shí)現數據傳輸。它采用16字節收發(fā)FIFO，內置波特率發(fā)生器，包含使能實(shí)現軟件控制的機制。

硬件SPI接口是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數據位速率為時(shí)鐘速率的1/8，可配置為主機或從機。本系統中SPI接口作為主機，根據不同的中斷，控制多個(gè)從機，包括可編程增益放大器MCP6S2X，使用SPI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)SD卡，以及控制開(kāi)發(fā)板上的數碼管顯示。

A/D轉換器是2個(gè)8路10位逼近式模/數轉換器，測量范圍是0～313V，10位轉換時(shí)間大于或等于2144μS，一個(gè)或多個(gè)Burst轉換模式。

2.3　GPRS終端

GPRS終端選用的是南京傲屹電子有限公司的AYG285C，它是采用GPRS模塊專(zhuān)為工業(yè)集成設計的，在溫度范圍、震動(dòng)、電磁兼容性和接口多樣性等方面均采用特殊設計，保證了惡劣環(huán)境下的工作穩定性，基于GPRS公網(wǎng)的數據傳輸具有通信范圍廣，傳輸穩定可靠等特點(diǎn)。通過(guò)按鍵可以進(jìn)行模塊參數設置或者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據通信，串口波特率在300～115200bps可調，校驗位可選：無(wú)校驗，奇校驗，偶校驗。支持協(xié)議PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客戶(hù)端功能。另外，電源、工作狀態(tài)有LED指示，方便現場(chǎng)查看MODEM運行情況。

3　系統軟件實(shí)現

3.1　μC/OS2Ⅱ嵌入式操作系統

當需要進(jìn)行多任務(wù)處理和調度時(shí)，一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統就必不可少。為此系統中采用源碼公開(kāi)的μC/OS2Ⅱ操作系統，它具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良以及可擴展性強等特點(diǎn)，最小內核可編譯至2K字節。

μC/OS2Ⅱ的移植需要滿(mǎn)足以下要求：

·處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

·可以使用C調用進(jìn)入和退出臨界區代碼;

·處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

·處理器需要能夠容納一定數據的硬件堆棧;

·處理器需要有能夠在CPU寄存器與內核和堆棧交換數據的指令。

本系統使用的LPC2134ARM7處理器滿(mǎn)足以上所有條件，因此可以對其進(jìn)行移植。根據μC/OS2Ⅱ的要求，移植μC/OS2Ⅱ到一個(gè)LPC2134ARM7體系結構上需要提供2個(gè)或3個(gè)文件：OSCPU.

H(C語(yǔ)言頭文件)、OS-CPU-C.C(C程序源文件)及OS-CPU-A.ASM(匯編程序源文件)。

數據采集任務(wù)中，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，但對于系統的初始化，仍然采用匯編來(lái)制作啟動(dòng)代碼，它可以實(shí)現向量表定義、堆棧初始化、系統變量的初始化、中斷系統初始化、I/O初始化、外圍初始化、地址映射等操作。

芯片復位后，系統初始化流程如圖2所示。

圖2　系統初始化流程圖

3.2　接口程序及SD卡驅動(dòng)的實(shí)現

在實(shí)時(shí)內核下，接口程序讀取A/D采樣數據的方法通常有三種：程序延時(shí)法、ADC轉換完畢時(shí)產(chǎn)生中斷法和程序循環(huán)等待的方法。其中循環(huán)等待的方法CPU開(kāi)銷(xiāo)小，不需要中斷服務(wù)，比較適合嵌入式系統中采用。

循環(huán)等待A/D讀取數據的偽代碼如下：

之間通過(guò)串口相連，采集數據先通過(guò)開(kāi)發(fā)板串口UART0發(fā)送到無(wú)線(xiàn)數據終端AYG285C的緩沖區，然后緩沖區將數據打成一個(gè)個(gè)數據包，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到遠程數據處理中心。因此，在μC/OS2Ⅱ下LPC2134的UART底層接口驅動(dòng)顯得尤為重要。

UART0初始化函數片斷如下：

在本系統中，串口通信采用8位數據位，1位停止位，奇校驗，無(wú)流控制。在實(shí)際使用中為接收數據穩定波特率設置為9600bps效果較好。在測試系統中，測量到的數據范圍為10-6～101，有效數字為4位，所以在發(fā)送數據時(shí)采用每幀數據由3個(gè)字節組成，第1個(gè)字節為數據指數部分，高四位為0，低四位中的第四位表示指數符號，0表示正數，1表示負數;其余三位表示指數的數值部分。

后續兩個(gè)字節為數據底數部分，采用壓縮的BCD碼編碼方式，高位在前，低位在后，即一個(gè)字節表示兩位十進(jìn)制數，則兩個(gè)字節表示四位十進(jìn)制數。