基于A(yíng)RM的海底大地電磁信號采集系統主控模塊改進(jìn)

表1 部分ARM架構功耗比較表

4 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II的移植

盡管μC/OS-II是用標準C語(yǔ)言寫(xiě)的，但當應用到某個(gè)具體的CPU上時(shí)，還需要用C和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼。改寫(xiě)過(guò)程主要結合改進(jìn)系統所采用的新主CPU AT91m40800的一些具體參數，完成整個(gè)操作系統的移植。

μC/OS-II可以大致分為內核、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)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(shí)鐘節拍、任務(wù)調度和事件處理等多任務(wù)。任務(wù)處理部分（OSTask.c）是與任務(wù)操作密切相關(guān)的，包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復等。時(shí)鐘部分（OSTime.c）定義μC/OS-II的最小時(shí)鐘單位是Timetick(時(shí)鐘節拍)。任務(wù)同步和通信部分包括信號郵箱、郵箱隊列和時(shí)間 標志等部分，主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪(fǎng)問(wèn)。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(wù)切換的底層實(shí)現、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實(shí)現、時(shí)鐘節拍的產(chǎn)生和處理、中斷和相關(guān)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(diǎn)就是對多任務(wù)管理的優(yōu)異表現。μC/OS-II可以管理多達64個(gè)任務(wù)。除了8個(gè)μC/OS-II自用的任務(wù)以外，用戶(hù)的應用程序最多可有56個(gè)任務(wù)。用戶(hù)可以通過(guò)系統提供的任務(wù)結構來(lái)自行創(chuàng )立任務(wù)。改進(jìn)方案中需要管理的任務(wù)包括GPS校時(shí)、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(shí)，進(jìn)行GPS校時(shí)。讀優(yōu)先級最高，采集器不停地讀數據。當數據在緩沖區中還沒(méi)填滿(mǎn)時(shí)，進(jìn)行濾波和寫(xiě)存儲器的任務(wù)，一旦緩沖已滿(mǎn)就要繼續執行讀操作。這里所說(shuō)的讀操作實(shí)際上是系統從緩沖中讀的操作，并不是實(shí)際的采集器讀地磁信號操作。寫(xiě)任務(wù)其次，必須連貫地完成一次寫(xiě)任務(wù)，中途不能被打斷。所以只有在不進(jìn)行讀操作時(shí)，才可以進(jìn)行寫(xiě)操作。濾波任務(wù)在讀任務(wù)完成后執行，但是如果前一個(gè)寫(xiě)任還沒(méi)有完成，就不能濾波，以防止新數據無(wú)法寫(xiě)入。所以只有當新的讀任務(wù)結束，且舊的寫(xiě)任務(wù)完成后方可執行新讀數據的濾波任務(wù)。通過(guò)μC/OS-II提供的信號量機制，可很好地實(shí)現任務(wù)進(jìn)程的互斥與并發(fā)。

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(xiàn)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(xié)議標準后，改進(jìn)電路成功替代了原來(lái)的主控。

雖然串行接口速度較慢，但完全可以滿(mǎn)足與上位機之間的通信。改進(jìn)方案首先實(shí)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(kāi)發(fā)的的ARM調試專(zhuān)用環(huán)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(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。改進(jìn)方案基于μC/OS-II移植IP協(xié)議棧后，通過(guò)擴展網(wǎng)絡(luò )接口卡，可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能。由于網(wǎng)絡(luò )接口芯片本身也遵守ISA標準，所以擴展的網(wǎng)絡(luò )接口還可以用來(lái)仿真測試ISA總線(xiàn)。檢測總線(xiàn)時(shí)序情況就可測試主控模塊的功能情況。抓取ISA設備時(shí)序，即得出系統接總線(xiàn)是否符號ISA協(xié)議標準。寫(xiě)一次后，邏輯分析儀截出幾次時(shí)序，結果如圖3所示。圖3時(shí)序情況：/CS8019為網(wǎng)絡(luò )接口芯片片選信號，/WE為寫(xiě)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(xiě)使能一次后，輸出多次，對應地址循環(huán)（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(méi)有意義。如圖3虛線(xiàn)處，在C1時(shí)刻，開(kāi)始進(jìn)行寫(xiě)操作；C2時(shí)刻輸出，低5位地址為00000；C3時(shí)刻第二次輸出，地址為00001；C4時(shí)刻第三次輸出，地址為00010。依次類(lèi)推，表明主控單元改進(jìn)滿(mǎn)足了ISA總線(xiàn)的要求，網(wǎng)絡(luò )接口擴展也正常?；诖?，通過(guò)與前臺數據采集模塊直接連接，即可進(jìn)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(shí)現了功耗降低的要求。另外在采用了操作系統后，將使整個(gè)采集過(guò)程更穩定有序，提高了整個(gè)采集過(guò)程的準確性和安全性。