基于A(yíng)RM7內核和μC／OS-Ⅱ的數據采集裝置設計

摘要：基于ARM7內核的LPC2144芯片，利用μC／0S-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的可裁剪性、可移植性和多任務(wù)等特點(diǎn)支持下的數據采集裝置，研究了數據采集裝置在工業(yè)控制系統中的應用，在生產(chǎn)過(guò)程中可對生產(chǎn)現場(chǎng)的各種參數進(jìn)行采集、監視和記錄；數據采集是控制系統實(shí)現控制的基本條件，只有準確實(shí)時(shí)的獲取對象的運行數據才能實(shí)施有效的控制。結果表明ARM7內核+嵌入式操作系統μC／0S-Ⅱ的移植數據采集裝置，具有低成本、低功耗、微型化、精度高、運行穩定、性?xún)r(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(zhù)增
強，可以在各種工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應用。
關(guān)鍵詞：數據采集；嵌入式系統；μC／OS-Ⅱ；LPC2144；RS485；USB

0 引言
數據采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支。隨著(zhù)計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數據采集技術(shù)己經(jīng)滲透到雷達、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、振動(dòng)工程、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制以及生物醫學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。數據采集裝置是在工業(yè)控制系統中應用最廣泛的一種設備，可實(shí)現對生產(chǎn)現場(chǎng)的各種參數進(jìn)行采集、監視和記錄。
數據采集裝置的發(fā)展方向為：實(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(kāi)發(fā)一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統和ARM處理器的高精度、強實(shí)時(shí)性和廣適用性的新型數據采集裝置非常必要。
順應市場(chǎng)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(mǎn)足了數據采集裝置的功能和性能需要。同時(shí)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(gè)源代碼公開(kāi)的操作系統，在具體應用中穩定可靠。ARM7+μC／OS-Ⅱ開(kāi)發(fā)設計，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的可裁剪性、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(zhù)增強?？梢栽诟鞣N工業(yè)場(chǎng)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(shí)時(shí)操作系統、ARM處理器和數據采集技術(shù)基本原理的基礎上，完成基于A(yíng)RM處理器和嵌入式實(shí)時(shí)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(mǎn)足遠程和近程數據采集的需要，同時(shí)還可以與各種傳感器配合可實(shí)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(gè)系統功能的優(yōu)化起著(zhù)至關(guān)重要的作用。當今市場(chǎng)上流行的微處理器眾多，在不同的應用領(lǐng)域，它們都發(fā)揮著(zhù)各自的優(yōu)勢。一般的選型原則是：滿(mǎn)足應用要求，簡(jiǎn)單易用，價(jià)格便宜，設計周期短。
LPC2144單片機是飛利浦公司生產(chǎn)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(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處理器使電路設計更加便捷、可靠、節能。
2．1．2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的選型
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統種類(lèi)很多，大體可以分為商用型和免費型。商用型實(shí)時(shí)操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術(shù)支持，但往往價(jià)格昂貴；免費型實(shí)時(shí)操作系統在價(jià)格方面具有優(yōu)勢，常用的主要有Linux和μC／OS-Ⅱ兩種。
Linux可以移植到多個(gè)不同結構的CPU和硬件平臺，具有很好的穩定性及升級能力，而且開(kāi)發(fā)容易，對商用嵌入式操作系統帶來(lái)了很大的沖擊。
μC／OS-Ⅱ僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內核，它不像其他實(shí)時(shí)操作系統那樣提供給用戶(hù)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(kāi)始，還需要針對實(shí)際的應用需求對μC／OS-Ⅱ進(jìn)行功能擴展，包括底層的硬件驅動(dòng)、文件系統、用戶(hù)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的硬件支持；可移植性；開(kāi)發(fā)工具的支持程度；能否滿(mǎn)足應用需求；中文內核支持；標準兼容性；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(mǎn)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(kāi)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(pán)電路等組成。
LPC2144管腳配置圖如圖2所示。