嵌入式系統便攜式數據采集裝置設計

　　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)已經(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。本設計借助于嵌入式系統設計技術(shù)和微處理器技術(shù)來(lái)實(shí)現的低功耗、大容量存儲的便攜式數據采集裝置。該裝置具有如下特點(diǎn)：多通道數據采集(包括8路模擬量采集通道)、16路開(kāi)關(guān)量采集通道、海量數據實(shí)時(shí)顯示存儲、集成度高、攜帶方便。

　　嵌入式平臺的構建

　　20世紀90年代后，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統在嵌入式系統中確立了主導地位。典型產(chǎn)品如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、Lynx、WindowsCE、RTLinux、μC/OS-II等等。

　　μC/OS-II嵌入式操作系統簡(jiǎn)介

　　μC/OS-II的特點(diǎn)如下：公開(kāi)源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩定可靠的內核，被成功地移植到了許多不同架構的處理器上。目前國內對μC/OS-II的研究和應用都很多。

　　MSP430系列單片機介紹

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)近幾年開(kāi)發(fā)的新一代16位單片機，MSP430F169是其中一款，具有強大的處理能力，RISC結構，125ns的指令周期，豐富的片內外設，內部具有2kB的RAM和60kB的FLASH，尋址空間達64k。

　　本設計中所用到的嵌入式處理器是TI公司的MSP430F169；操作系統是μC/OS-II。

　　μC/OS-II在MSP430F169上的移植

　　移植，指的是一個(gè)操作系統可以在某個(gè)微處理器或者微控制器上運行。雖然μC/OS-II大部分源代碼是用C語(yǔ)言寫(xiě)成的，但是仍然需要用匯編語(yǔ)言完成與處理器相關(guān)代碼的編寫(xiě)。要使μC/OS-II能正常移植到處理器，處理器必須滿(mǎn)足以下要求：①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；②能用C語(yǔ)言打開(kāi)或關(guān)閉中斷；③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷；④處理器能支持一定數量的數據存儲硬件堆棧；⑤處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧(或者內存)的指令。

　　硬件設計

　　本數據采集裝置的硬件設計主要分三個(gè)模塊進(jìn)行：主控單元、數據采集單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。主控單元主要完成了人機接口和存儲電路的設計，其中存儲電路選用USB接口電路作為數據存儲，對采集數據及時(shí)可靠的存儲保護，數據采集單元主要是模擬量、開(kāi)關(guān)量輸入通道設計。系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘是由MSP430F1222實(shí)現的，其與專(zhuān)用的RTC器件相比還具有可擴展性。

　　核心電路的設計

圖1　系統功能結構框圖

　　微處理器是整個(gè)電路的核心器件，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定著(zhù)系統的功能指標。

　　晶振電路作為時(shí)基發(fā)生器的時(shí)鐘振蕩電路，為整個(gè)單片機芯片內部各個(gè)部分電路及單片機與其他數字系統或者計算機系統之間通信，提供可靠的同步時(shí)鐘信號。MSP430F169單片機有3個(gè)時(shí)鐘輸入源：低速晶體振蕩器(32k)、高速晶體振蕩器(450k～8M)和DCO振蕩器。無(wú)論系統上電或掉電都需要保證正常復位。復位電路本系統選用的CAT809微控制器監控電路符合要求。

　　電源設計

　　電源模塊是數據采集系統硬件設計的重要組成部分，直接影響系統的精度和可靠性。輸出質(zhì)量高、穩壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強、微型化等是其設計原則。

　　數據存儲電路

　　完成采集數據及時(shí)可靠的存儲保護是本系統的一項重要功能，設計選用南京沁恒有限公司的純粹USB接口CH375，它的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適用于產(chǎn)品的改型設計。

　　軟件設計

　　主程序設計

　　主程序負責系統的初始化及任務(wù)的創(chuàng )建?；玖鞒倘鐖D2所示。主控單元的軟件設計主要包括鍵盤(pán)掃描任務(wù)，液晶顯示任務(wù)，數據存儲任務(wù)、UART通信任務(wù)等。主要介紹數據存儲任務(wù)和UART通信任務(wù)。

　　數據存儲任務(wù)

　　采集數據及時(shí)可靠的存儲保護是本采集裝置的一項重要任務(wù)，U盤(pán)的讀寫(xiě)方式下，僅僅是將U盤(pán)當作可移動(dòng)的存儲器，所以讀寫(xiě)方法與讀寫(xiě)閃存差不多，操作簡(jiǎn)單，速度快，只要幾十條語(yǔ)句就可以讀寫(xiě)數據。但計算機不能直接讀取寫(xiě)入的數據。

　　Voidx Write CH375 Cmd(UINT8mCmd)/*向CH375寫(xiě)命令*/

　　{

　　P2DIR|=0x0F；/*設置P2口A(yíng)0，CS，WR，RD為輸出控制信號*/

　　P4OUT=mCmd；/*向CH375的并口輸出數據*/

　　}

　　Void xReadCH375 Data(void) */從CH375讀數據*/

　　{

　　UINT8mData；

　　P4DIR=0；/*讀操作所以數據輸入*/

　　mData=P4IN；/*從CH375的并口輸入數據*/

　　P2OUT|=0x07；

       /*輸出無(wú)效的控制信號，完成操作CH375芯片，A0(P2.3)=0；CS(P2.2)=1；WR=(P2.1)=1；RD(P2.0)=1；*/

　　return(mData)；

　　}

　　UART通訊任務(wù)

　　數據采集單元的軟件設計包括8路模擬量的采集任務(wù)、16路開(kāi)關(guān)量的采集任務(wù)和UART通訊任務(wù)的編寫(xiě)，UART通訊任務(wù)主要是完成數據采集模塊和主控單元的數據交換。

　　本設計是結合先進(jìn)的嵌入式技術(shù)、微處理器技術(shù)及USB總線(xiàn)技術(shù)，基于低功耗、大容量存儲原則設計的便攜式數據采集裝置；對其主要功能模塊進(jìn)行了原理設計，部分實(shí)驗進(jìn)行了驗證，證明該裝置適用于工業(yè)控制等較為復雜的測控場(chǎng)合。軟件設計上，μC/OS-II的應用使數據采集具有更好的實(shí)時(shí)性。但是系統功能的擴展和通信方面還具有更深的研究空間。