基于ARM地水文數(shù)據采集系統(tǒng)地設計

基于ARM的水文數(shù)據采集系統(tǒng)的設計摘要:針對目前國內水文數(shù)據采集器的不足，給出了一種基于ARM嵌入式處理器的多通道水文數(shù)據采集系統(tǒng)的設計方法。通過多通道模擬信號的采集，發(fā)揮了嵌入式系統(tǒng)在水文數(shù)據采集系統(tǒng)中的運用優(yōu)勢。關鍵詞:ARM核處理器;數(shù)據采集系統(tǒng);μC/OS-Ⅱ引言目前，我國的自動水文觀測技術在其關鍵設備水文數(shù)據采集系統(tǒng)的研究方面，研究工作遠落后于發(fā)達國家。國外水文數(shù)據采集系統(tǒng)產品具有強大的靈活性和重配置性;系統(tǒng)通信方式采用串行總線技術，輸出接口功能多樣化;系統(tǒng)的容量大;具有較強的自校功能、自診斷功能。基于國外水文數(shù)據采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本人設計了一種基于ARM的水文數(shù)據采集系統(tǒng)。一、水文數(shù)據采集系統(tǒng)結構圖1是水文數(shù)據采集系統(tǒng)的結構框圖。整個系統(tǒng)由中央處理單元、數(shù)據采集單元、數(shù)據存儲單元和數(shù)據傳輸單元4部分組成。中央處理單元主要完成對各個外圍電路的控制和實現(xiàn)數(shù)據的讀取。數(shù)據采集單元完成通道的選擇、輸入模擬信號的調理和A/D轉換。數(shù)據存儲單元用CF存儲卡進行數(shù)據存儲。由于數(shù)據采集系統(tǒng)要和上位個人計算機之間進行通信，所以本數(shù)據采集系統(tǒng)設計了RS-232,USB2.0和10兆以太網3種數(shù)據通信方式。圖1系統(tǒng)結構框圖二、系統(tǒng)硬件設計2.1中央處理單元硬件設計單元電路用ATMEL公司的基于ARM7TDMI核的ARM處理器(AT91SAM9260)，它是高性能、低成本、低功耗的32位RISC微處理中央處理器(見圖2)，能滿足本人對水文數(shù)據采集系統(tǒng)中央處理器的需求分析。在單元電路，設計了在線調試的JTAG調試接口、CPU的復位電路、時鐘供給電路和3種總線接口EBI接口，SPI接口，USART接口。同時擴展了8kbitx16的Flash作為程序存儲器和擴展了64kbitx16的SRAM作為運行時的數(shù)據存儲器。圖2中央處理單元電路原理框圖2.2數(shù)據采集單元硬件設計數(shù)據采集器前端電路選用MAXIN公司MAX1134作為A/D轉換器。它是一個具有150kHz/s采樣率、16bit采樣精度、輸入量程為±6V的A/D轉換器，通過其SPI接口和中央處理單元的SPI接口相連。前端輸入信號根據其大小選擇PGA204放大倍數(shù)(1,10,100,1000)進行放大，送入到A/D轉換器的輸入端。與傳感器相連的8個通道的選通通過CPU的I/O口進行控制。數(shù)據采集單元電路設計原理框圖如圖3所示。圖3數(shù)據采集單元電路原理框圖2.3數(shù)據存儲單元硬件接口設計數(shù)據存儲單元選用CF卡進行存儲，是一種與PC機的ATA接口標準兼容的新技術。CF卡包含兩個基本部分:片內的芯片控制器和片內的存儲模塊。CF卡的存儲容量可以從32Mbit一1Gbit，這樣可以實現(xiàn)對數(shù)據采集系統(tǒng)的大批量數(shù)據存儲，而且CF卡體積小，便于攜帶。本人設計的數(shù)據采集系統(tǒng)CF卡的接口設計采用了IDE模式，圖4為數(shù)據存儲單元接口電路原理框圖。圖4數(shù)據存儲單元電路原理框圖2.4數(shù)據傳輸單元硬件設計數(shù)據采集系統(tǒng)中選用的USB接口芯片是由NI生產的USBN9603。USBN9603是集成的USB節(jié)點控制器，并且增強性的DMA支持大量自動數(shù)據處理功能。中央控制單元通過EBI接口控制其工作。本人使用RTL8019AS的默認配置和一些管腳作為網卡的初始化方法。這樣可以節(jié)省配置存儲器、減小嵌入式硬件平臺的體積。同時，RS-232接口電平轉換芯片選用一片MAX3233E實現(xiàn)，它與中央處理單元的異步串行接口USART相連，實現(xiàn)串行通信。通過設計3種通行方式，來實現(xiàn)數(shù)據采集系統(tǒng)的通信接口的多樣化。數(shù)據傳輸單元設計電路原理框圖如圖5所示。圖5數(shù)據傳輸單元電路原理框圖三、系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)在軟件設計的時候采用了實時嵌入式系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。由于采用了操作系統(tǒng)，所以軟件設計與過去數(shù)據采集系統(tǒng)的設計有所差別。本數(shù)據采集系統(tǒng)的軟件部分包括ARM啟動程序的設計、μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的移植和外圍硬件電路驅動程序設計3部分。ARM公司對其芯片使用者都提供啟動程序的設計，本人根據本設計的需要做簡單修改實現(xiàn)了啟動程序的設計。3.1μC/OS-Ⅱ實時系統(tǒng)的移植對3個與ARM體系結構相關的文件進行了修改。它們分別是OS_CPU.H文件、OS_CPU_C.C文件和OS_CPU_A.S文件。對于OS_CPU.H文件，根據仿真器要求修改數(shù)據類型定義、堆棧單位、堆棧增長方向和宏定義;對于OS_CPU_C.C文件，用C語言編寫6個操作系統(tǒng)相關的函數(shù)。即:OSTaskStklmt、OSTaskCreateHook、OSTaskDelHook、OSTaskSwHook、OSTaskStatHook和OSTimeTickHook。后5個函數(shù)無特殊要求，本人簡單地將它們都實現(xiàn)為空函數(shù)。而對于OS_CPU_A.S文件，用匯編語言編寫4個與處理器相關的函數(shù)。即OSStartHighRdy()(運行優(yōu)先級最高的就緒任務)、OS-TASK-SW()(任務級的任務切換函數(shù))、OSIntCtxSw()(中斷級的任務切換函數(shù))和OSTickISR()(時鐘中斷處理函數(shù))。完成上述工作以后，μC/OS-Ⅱ正常運行在本人設計的數(shù)據采集系統(tǒng)的ARM中央處理器上。3.2外圍硬件電路驅動程序設計有了驅動程序模塊，就可以把操作系統(tǒng)的API函數(shù)和底層的硬件分離開。任何一個硬件的改變、刪除或添加，只需隨之改變、刪除或添加提供給操作系統(tǒng)的相應的驅動程序，并不會影響API函數(shù)的功能，更不會影響到用戶的應用程序。數(shù)據采集系統(tǒng)中的驅動程序包括:數(shù)據采集單元驅動程序Datacollection.h;數(shù)據存儲單元驅動程序CF.h;實時時鐘驅動程序Rtc.h;以及通信單元驅動程序USB.h,Enthernet.h和Usart.h。結語水文數(shù)據采集系統(tǒng)在硬件設計方面運用了低功耗嵌入式處理器、采用了目前常用的通信方式及比較穩(wěn)定的CF卡對數(shù)據進行存儲;在軟件設計方面采用了實時操作系統(tǒng)，為上層運用軟件開發(fā)提供很好的軟件運行環(huán)境，同時簡化了底層軟件的開發(fā)。由于采用一系列的新技術，本系統(tǒng)實現(xiàn)了多通道數(shù)據的采集。參考文獻:[1]李駒光.ARM應用系統(tǒng)開發(fā)祥解.北京：清華大學出版社，2004.2～11[2]張崳32