嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)(共8頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)摘要隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域。例如：基于ARM和S1510開(kāi)發(fā)的便攜式RFID信息采集與處理系統(tǒng)、基于ARM7的二代身份證信息采集系統(tǒng)。小型射頻存儲(chǔ)芯片也越來(lái)越多的應(yīng)用于我們的日常生活，像二代身份證、非接觸式IC卡，ARM設(shè)計(jì)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置鑒于其低功耗、低成本、便攜以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式數(shù)據(jù)采集裝置中應(yīng)用的越來(lái)越多。本設(shè)計(jì)借助于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和微處理器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的低功耗、大容量存儲(chǔ)的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置。利用嵌入式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)此在軟件和硬件方面做出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。目錄2.2.

2、2.2.5.5.5.7、參 考 文 獻(xiàn)- 6 -一、前言隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)滲透到雷達(dá)、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(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)借助于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和微處理器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的低功耗、大容量存儲(chǔ)的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置具有如下特點(diǎn)：多通道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)、集成度高、攜帶方便。 在一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)故障，為了監(jiān)控這些設(shè)備，通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集他們運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)并送給PC機(jī)，通過(guò)運(yùn)行在PC機(jī)上的特定軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分

3、析，以此判斷當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)采集裝置，在其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，多采用單任務(wù)順序機(jī)制。這樣就存在系統(tǒng)安全性差的問(wèn)題。這對(duì)于穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置來(lái)說(shuō)是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。筆者以C/OSII為操作系統(tǒng)平臺(tái)，基于ARM7系列處理器，對(duì)一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了探索。二、嵌入式平臺(tái)的構(gòu)建20世紀(jì)90年代后，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中確立了主導(dǎo)地位。典型產(chǎn)品如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、Lynx、WindowsCE、RTLinux、C/OS-II等等。本設(shè)計(jì)中所用到的嵌入式處理器是TI公司的MSP43

4、0F169；操作系統(tǒng)是C/OS-II。1、C/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式操作系統(tǒng)C/OSII（microcontroller operating system）是專(zhuān)為微控制器系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的公開(kāi)源代碼的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個(gè)系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運(yùn)行的始終。對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引入C/OSII無(wú)疑將大大改善其性能。C/OS-II的特點(diǎn)如下：公開(kāi)源代碼，代碼結(jié)構(gòu)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(nèi)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(wěn)定可靠的內(nèi)核，被成

5、功地移植到了許多不同架構(gòu)的處理器上。目前國(guó)內(nèi)對(duì)C/OS-II的研究和應(yīng)用都很多。2、MSP430系列單片機(jī)介紹MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司(TI)近幾年開(kāi)發(fā)的新一代16位單片機(jī)，MSP430F169是其中一款，具有強(qiáng)大的處理能力，RISC結(jié)構(gòu)，125ns的指令周期，豐富的片內(nèi)外設(shè)，內(nèi)部具有2kB的RAM和60kB的FLASH，尋址空間達(dá)64k。3、C/OS-II在MSP430F169上的移植移植，指的是一個(gè)操作系統(tǒng)可以在某個(gè)微處理器或者微控制器上運(yùn)行。雖然C/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C/OS-II能正常移植到處理

6、器，處理器必須滿(mǎn)足以下要求：處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；能用C語(yǔ)言打開(kāi)或關(guān)閉中斷；處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷；處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧；處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲(chǔ)和讀出到堆棧(或者內(nèi)存)的指令。4、系統(tǒng)基本工作原理應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設(shè)備處，通過(guò)傳感器對(duì)設(shè)備的電壓或者電流信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，然后將該信號(hào)送到FIFO中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時(shí)，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過(guò)ARM7的以太網(wǎng)接口或者RS232送給上位機(jī)。考慮到要監(jiān)控的設(shè)備可能會(huì)很多，所以設(shè)計(jì)了多路采集通道，他們經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后

7、再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請(qǐng)求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數(shù)據(jù)等。三、硬件設(shè)計(jì)本數(shù)據(jù)采集裝置的硬件設(shè)計(jì)主要分三個(gè)模塊進(jìn)行：主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。主控單元主要完成了人機(jī)接口和存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，其中存儲(chǔ)電路選用USB接口電路作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)采集數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的存儲(chǔ)保護(hù)，數(shù)據(jù)采集單元主要是模擬量、開(kāi)關(guān)量輸入通道設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘是由MSP430F1222實(shí)現(xiàn)的，其與專(zhuān)用的RTC器件相比還具有可擴(kuò)展性。核心電路的設(shè)計(jì)圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖微處理器是整個(gè)電路的核心器件，其性

8、能的優(yōu)劣直接影響和決定著系統(tǒng)的功能指標(biāo)。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(jī)芯片內(nèi)部各個(gè)部分電路及單片機(jī)與其他數(shù)字系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時(shí)鐘信號(hào)。MSP430F169單片機(jī)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(450k8M)和DCO振蕩器。無(wú)論系統(tǒng)上電或掉電都需要保證正常復(fù)位。復(fù)位電路本系統(tǒng)選用的CAT809微控制器監(jiān)控電路符合要求。三、電源設(shè)計(jì)電源模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性。輸出質(zhì)量高、穩(wěn)壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強(qiáng)、微型化等是其設(shè)計(jì)原則。圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路完成采集數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的存儲(chǔ)保護(hù)是

9、本系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。四、軟件設(shè)計(jì)1、主程序設(shè)計(jì)主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化及任務(wù)的創(chuàng)建。基本流程如圖2所示。主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤(pán)掃描任務(wù)，液晶顯示任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、UART通信任務(wù)等。主要介紹數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)和UART通信任務(wù)。2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)采集數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的存儲(chǔ)保護(hù)是本采集裝置的一項(xiàng)重要任務(wù)，U盤(pán)的讀寫(xiě)方式下，僅僅是將U盤(pán)當(dāng)作可移動(dòng)的存儲(chǔ)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(shù)據(jù)。但計(jì)算機(jī)不能直接讀取寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。Void Wri

10、te CH375 Cmd(UINT8mCmd)/*向CH375寫(xiě)命令*/P2DIR|=0x0F；/*設(shè)置P2口A0，CS，WR，RD為輸出控制信號(hào)*/P4OUT=mCmd；/*向CH375的并口輸出數(shù)據(jù)*/Void xReadCH375 Data(void) */從CH375讀數(shù)據(jù)*/UINT8mData；P4DIR=0；/*讀操作所以數(shù)據(jù)輸入*/mData=P4IN；/*從CH375的并口輸入數(shù)據(jù)*/ P2OUT|=0x07； /*輸出無(wú)效的控制信號(hào)，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

11、)； 3、UART通訊任務(wù)數(shù)據(jù)采集單元的軟件設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集模塊和主控單元的數(shù)據(jù)交換。五、總結(jié)本設(shè)計(jì)是結(jié)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(chǔ)原則設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置；對(duì)其主要功能模塊進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)，部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該裝置適用于工業(yè)控制等較為復(fù)雜的測(cè)控場(chǎng)合。軟件設(shè)計(jì)上，C/OS-II的應(yīng)用使數(shù)據(jù)采集具有更好的實(shí)時(shí)性。但是系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和通信方面還具有更深的研究空間。參考文獻(xiàn)1 張雄偉,曹鐵勇DSP 芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，北京：電子工業(yè)出版社，20022 魏博，基于嵌