嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . . . 嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院 2005級(jí)計(jì)算機(jī) 4班 2005131313 胡清清指導(dǎo)教師：川中文摘要：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普與，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)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。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)。關(guān)鍵詞：嵌入式、數(shù)據(jù)采集、設(shè)計(jì)、C/OSII嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)ABSTRACTWith computer science and technology and the rapid development of univer

2、sal, data acquisition technology has penetrated into all fields. With this design embedded systems design and microprocessor technology to achieve low-power, high-capacity storage of portable data acquisition devices. Embedded use of this platform in the development of software and hardware to

3、make a detailed design.Keywords：Embedded, data acquisition, design ,C/OSII目 錄中文摘要- 1 -英文摘要- 2 -1、前言- 4 -2、嵌入式平臺(tái)的構(gòu)建- 4 -2.1、C/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介- 4 -2.2、MSP430系列單片機(jī)介紹- 4 -2.3、C/OS-II在MSP430F169上的移植- 5 -2.4、系統(tǒng)基本工作原理- 5 -3、硬件設(shè)計(jì)- 5 -4、電源設(shè)計(jì)- 6 -5、軟件設(shè)計(jì)- 6 -5.1、主程序設(shè)計(jì)- 7 -5.2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)- 7 -5.3、UART通訊任務(wù)- 8 -6、

4、總結(jié)- 9 -7、參 考 文 獻(xiàn)- 10 -一、前言隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普與，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)控制以與生物醫(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)行分析，

5、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MSP430F

6、169；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)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。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)定可靠的核，被成功地移植到

7、了許多不同架構(gòu)的處理器上。目前國(guó)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)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，豐富的片外設(shè)，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能正常移植到處理器，處理器必須滿足以

8、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)后再進(jìn)入A/D

9、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)與時(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，其性能的優(yōu)劣直接

10、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)芯片部各個(gè)部分電路與單片機(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)與時(shí)可靠的存儲(chǔ)保護(hù)是本系統(tǒng)的一項(xiàng)重

11、要功能，設(shè)計(jì)選用沁恒的純粹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)的初始化與任務(wù)的創(chuàng)建?；玖鞒倘鐖D2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)與時(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 Write CH375 Cmd(

12、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)；MSP430F1222MSP430F169 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)與USB總線技術(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