基于ARM的嵌入式系統(tǒng)—DIS采集系統(tǒng)設計

1、基于arm的嵌入式系統(tǒng)dis采集系統(tǒng)設計數(shù)字化信息系統(tǒng)試驗室(digital information system，dis)是新一代的中學校試驗教學系統(tǒng)，是先進的數(shù)字技術應用到試驗教學的產物，也是探索、創(chuàng)新的試驗教學新理念注入傳統(tǒng)試驗教學后的必定結果。2006年，教導部將dis納入了中學校試驗儀器裝備標準，建議有條件的小學配備。目前，國內已有多家企業(yè)有相應的產品，但大多不夠成熟。而國外的類似產品雖然較為成熟，但價格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產品不能夠很好地與我國的試驗教材協(xié)作，難以開展教學。在此提出一種便宜、功能強大、基于技術的dis采集系統(tǒng)設計。它是dis的一個重要組成部分，并已與江

2、蘇教導家教學裝備有限公司合作形成了產品。2 dis的組成從物理結構上看dis，可以分成三個部分：端、采集器端和計算機端。三個部分既緊密聯(lián)系，又相對自立。三部分之間定義標準的接口，為不同的傳感器裝置、采集器的用法方式和計算機處理分析軟件的組合提供極大的靈便性；而三者結合可以提供強大的試驗功能，供師生創(chuàng)新和探索。實際上，用于傳感器物理量轉換、采集器數(shù)字化、計算機數(shù)據(jù)分析的試驗分析模型，也都是當今試驗科學討論的通用模型。21 傳感器端傳感器，又叫換能器，是將物理量轉換成電學量的器件。測量不同的物理量，需要不同的傳感器。對于dis來說，傳感器端并非單指傳感器，而是傳感器和試驗裝置的總稱。針對不同的試驗

3、，如何將傳感器與試驗裝置很好的結合，以便簡單、真切、精確地完成試驗，是dis傳感器端設計的一個難點。22 采集器端采集器的功能主要是通過模數(shù)轉換器件，將傳感器端提供的電學模擬量數(shù)字化，以便作后續(xù)處理。對于dis來說，采集器端是其主體，是一個復雜的系統(tǒng)，它需要保證數(shù)據(jù)采集的實時性、精確性；它需要處理與傳感器端和計算機端的交互；考慮到易用性，它往往還要對采集的數(shù)據(jù)作一些初步的顯示和分析。23 計算機端計算機端就是指基于通用計算機平臺的dis相關軟件集合，其開發(fā)主要體現(xiàn)在軟件。這部分也十分重要，它提供了強大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。3 dis采集系統(tǒng)硬件設計31 總體設計該設計選用公司的at91sam

4、7se512微控制器為控制核心。at91sam7se512微控制器內嵌arm7tdmi處理器核心，主頻48 mhz，提供豐盛的外設及接口，而且系統(tǒng)并行全數(shù)引出，擴展性強。at91sam7se512性能優(yōu)越，配以320×240的tft真彩屏和，可以對采集的數(shù)據(jù)作采集器端的容易處理和顯示，以豐盛dis系統(tǒng)的用法方式，提高便攜性和易用性。模數(shù)轉換器件()選用analog devices公司的ad7323。ad7323為4通道，雙極輸入，12位adc，最高采樣率達500 ksps。其精度高，性能強，對于音頻采樣亦是綽綽有余，徹低滿足dis數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，并有潛力完成未來可能浮現(xiàn)的高采樣率

5、需求的新試驗。系統(tǒng)的整體硬件結構1所示。系統(tǒng)擴展了大容量的sdram和dataflash，以滿足運行較大規(guī)模程序和大容量數(shù)據(jù)存儲的需求。e2promi通過twi(基本與i2c兼容)總線銜接，以存儲系統(tǒng)重要的非易失性信息。32 傳感器端的設計2所示，傳感器主要由傳感器前端、信號放大、ad轉換電路和組成。對于模擬傳感器，信號放大電路的輸出挺直接至采集器，由采集器的高精度ad做模數(shù)轉換，串口只負責提供傳感器id號等信息。對于數(shù)字傳感器，單片機負責控制本地ad轉換，并將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)讲杉?。?shù)字傳感器留有通用無線模塊的接口，可以加裝通用無線模塊，將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸。33 與傳感器端的銜接傳感器

6、分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。采集系統(tǒng)與傳感器端的銜接分為有線和無線方式。在有線方式下，傳感器通過串口與采集器通信。數(shù)字傳感器的控制信號和數(shù)據(jù)都通過串口傳輸。為了獲得較高的數(shù)據(jù)精度，模擬傳感器的串口只傳輸控制信號，而將信號放大電路的輸出挺直接至采集器端的高精度adc，由采集器采樣處理。數(shù)字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變?yōu)闊o線數(shù)字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基于將串口數(shù)據(jù)透傳。有線銜接的接口加入了庇護電路，支持熱插拔，以滿足有用需求。無線方式解除了某些試驗中因為銜接電纜帶來的制約，并使得遠距離運動學試驗成為可能。目前，國內外同類產品中均沒有類似的功能。34 與計算機端的銜接采集系統(tǒng)通過s

7、d卡和電纜的方式與計算機端舉行數(shù)據(jù)交換。sd卡體積小，容量大，價格廉價，既可以作為采集系統(tǒng)的擴展存儲，又可以作為采集系統(tǒng)與計算機端之偶爾者采集系統(tǒng)彼此之間交換數(shù)據(jù)的媒介。usb接口通用性強，數(shù)據(jù)傳輸率高，即插即用，是外設與計算機間通信的抱負接口。4 dis采集系統(tǒng)軟件設計41 總體概述dis采集器端的軟件以固件的形式固化在芯片內部flash之中。主要功能包括：硬件外設的驅動、試驗數(shù)據(jù)的實時采集與處理、人機交互以及與傳感器端和計算機端之間的通信。系統(tǒng)總體的軟件架構3所示。dis采集系統(tǒng)作為一個數(shù)據(jù)采集的應用，首先要確保數(shù)據(jù)采樣的實時性和精確性；第二，系統(tǒng)還需要對數(shù)據(jù)做適當?shù)奶幚聿@示；另外，系統(tǒng)

8、還必需適時地對用戶的觸摸操作和計算機端的命令做出響應。軟件既要保證明時性，又要完成多項復雜的功能。小型系統(tǒng)中常用的容易的前后臺程序開發(fā)模型已不能滿足需要，于是引入了實時操作系統(tǒng)(rtos)。它以多任務的模型管理程序功能，降低了程序開發(fā)的復雜度；搶占式的任務調度，保證了系統(tǒng)的實時性。軟件分為三個層次：設備驅動層、實時操作系統(tǒng)層和用戶應用層。42 設備驅動層設備驅動層在實現(xiàn)總線驅動的基礎上進而實現(xiàn)外設驅動。2所示，總線驅動包括spi驅動、usart驅動等。外設驅動包括zigbee無線模塊驅動、驅動、觸摸屏(touch screen，ts)驅動等。43 實時操作系統(tǒng)層采納小型實時操作系統(tǒng)內核cos-

9、，負責任務調度、任務間通信、內存管理、互斥拜訪等。又移植了fat文件系統(tǒng)和gui圖形庫，共同形成實時操作系統(tǒng)的概念。44 用戶應用層詳細針對dis采集系統(tǒng)的需要，劃分任務，完成各項功能。共劃分了五個任務，并按照緊迫性要求設置了不同的優(yōu)先級。(1)采樣任務，負責與傳感器端的容易通信及實時信號的采集。因為數(shù)據(jù)采樣的實時性和精確性是采集系統(tǒng)的第一重要任務，所以設置為最高優(yōu)先級。采樣任務由點擊圖形用戶界面的響應功能發(fā)起，也可由計算機通過usb指令發(fā)起。采樣任務首先檢測在線的傳感器類型，獵取他們的id號，然后設置采樣率，裝載采樣中斷，并打開傳感器，最后打開中斷進入等待狀態(tài)，響應命令。采樣中斷按照采樣率定

10、時采樣，假如是模擬傳感器，則讀取本地ad，舉行模數(shù)轉換；假如是數(shù)字傳感器，則讀取串口的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，獲得采樣數(shù)據(jù)。對于特別的傳感器還要做濾波等特別處理。當采樣到足夠多的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給處理程序。若是本地發(fā)起的采樣任務，則發(fā)送給界面任務處理予以顯示；若是計算機通過usb發(fā)起的，則發(fā)送給usb任務將數(shù)據(jù)轉發(fā)給計算機處理。大致流程圖4所示。(2)觸摸屏輸入任務，負責實時探測用戶的觸摸操作，更新輸入坐標。(3)usb通相信務，負責響應計算機端的命令，按照需要，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端。在初始化完成后，任務運行一個狀態(tài)機，進入空閑狀態(tài)。當接到計算機的usb中斷哀求后，轉換為不同的狀態(tài)，以完成任務。大

11、致流程圖5所示。(4)圖形用戶界面任務，負責與用戶的交互，完成相應的操作，處理顯示數(shù)據(jù)等。在初始化完桌面、菜單等一些窗口后，界面任務進入等待狀態(tài)，等待采樣數(shù)據(jù)，并定時刷新界面。若有顯示的需求，界面任務在接收到數(shù)據(jù)后，按照不同的顯示方式作相應的顯示。(5)系統(tǒng)空閑任務，負責收集系統(tǒng)信息，更新系統(tǒng)狀態(tài)，刷新屏幕內容等。顧名思義，設置為最低優(yōu)先級。正如上面提及的挨次，各任務優(yōu)先級從高到低羅列為：采樣任務，觸摸屏輸入任務，usb通相信務，圖形用戶界面任務，系統(tǒng)空閑任務。5 結語經過測試，系統(tǒng)完成了設計功能，并且經過大批量，長時光的采集，系統(tǒng)沒有浮現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏和出錯狀況，能夠穩(wěn)定的運行。dis是數(shù)字信息技術和嵌入式技術在教導領域的最新應用。分析了dis系統(tǒng)的整體模型，給出了其主體的一個詳細實現(xiàn)。因為硬件上定義了統(tǒng)一的接口，軟件上引入了實時操作系統(tǒng)，系