基于ARM的嵌入式多路信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于人們對(duì)數(shù)字形式信息的需求量越來越大，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正向著高精度、高速度、穩(wěn)定可靠和集成化的方向發(fā)展。目前，大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)都是獨(dú)立的系統(tǒng)，只能進(jìn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集或存儲(chǔ)，已不能滿足應(yīng)用的需要，迫切要求接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是建立在新型采集系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)性能提高的基礎(chǔ)之上的。具有強(qiáng)大功能的32位微控制器在一些高端儀器儀表中得到了廣泛的應(yīng)用，而將GPRS無線傳輸模塊嵌入其中，將采集到的數(shù)據(jù)以無線的方式接入Internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，非常適合工作人員在比較惡劣的環(huán)境下或者需要對(duì)多種參量進(jìn)行采集時(shí)使用。而高性能微處理器的應(yīng)用也極大提高了數(shù)據(jù)采集的精度和速度。

1　系統(tǒng)整體方案

整個(gè)遠(yuǎn)程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)無線終端成功連接到互聯(lián)網(wǎng)后，采集終端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)放大濾波后發(fā)送到ARM微控制器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以及相關(guān)處理后，通過RS232口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無線終端，GPRS無線終端又將這些數(shù)據(jù)打成一個(gè)個(gè)的IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線網(wǎng)絡(luò)，并由移動(dòng)通信服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)統(tǒng)一的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心也可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息(各種命令及診斷信息)到無線數(shù)據(jù)采集模塊，通過GPRS終端上的RS232接口輸出到ARM微控制器上，采集終端在接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的信息后，進(jìn)行解碼并執(zhí)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集現(xiàn)場(chǎng)的控制。

GPRS無線終端嵌入了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議(用戶可選)，本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)際上GPRSDTU上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧是TCP/IPOverPPP。

 

 

圖1　GRPS無線數(shù)據(jù)采集終端

2　硬件組成

2.1　傳感器及放大器

理論上，該系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行16路數(shù)據(jù)的采集，但在實(shí)際的調(diào)試中，只選用了2路來做模擬。

一路選用溫度傳感器，表面/液體熱電偶NR281530，獲取實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的溫度，另一路采用壓力傳感器，PPM241BY油井專用型壓力傳感器，此系統(tǒng)在油田油井中具有較好應(yīng)用。

在前端信號(hào)處理單元，由于各種傳感器的輸出參數(shù)不同，輸出信號(hào)不僅電平低、內(nèi)阻高，而且有共模電壓以及現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響，因此，在選用放大芯片時(shí)要綜合考慮以上因素。選取常用的MCP6S2X可編程增益放大器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大，OP07CP做后續(xù)濾波芯片。

2.2　微處理器

微處理器是系統(tǒng)工作的核心，其性能的好壞直接決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。基于本采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和精度的要求，以及易操作性方面的考慮，選擇32位的ARM7系列處理器，它具有以下特點(diǎn)：

·體積小、低功耗、低成本、高性能;

·支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令，能很好兼容8位/16位器件;

·大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快;

·指令長(zhǎng)度固定;

·尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高

本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的單片32位微控制器LPC2134，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，該存儲(chǔ)器用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

LPC2134擁有兩個(gè)異步串行口UART0和UART1，本系統(tǒng)中將UART0與GPRS終端相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。它采用16字節(jié)收發(fā)FIFO，內(nèi)置波特率發(fā)生器，包含使能實(shí)現(xiàn)軟件控制的機(jī)制。

硬件SPI接口是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的1/8，可配置為主機(jī)或從機(jī)。本系統(tǒng)中SPI接口作為主機(jī)，根據(jù)不同的中斷，控制多個(gè)從機(jī)，包括可編程增益放大器MCP6S2X，使用SPI總線訪問SD卡，以及控制開發(fā)板上的數(shù)碼管顯示。

A/D轉(zhuǎn)換器是2個(gè)8路10位逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍是0～313V，10位轉(zhuǎn)換時(shí)間大于或等于2144μS，一個(gè)或多個(gè)Burst轉(zhuǎn)換模式。

2.3　GPRS終端

GPRS終端選用的是南京傲屹電子有限公司的AYG285C，它是采用GPRS模塊專為工業(yè)集成設(shè)計(jì)的，在溫度范圍、震動(dòng)、電磁兼容性和接口多樣性等方面均采用特殊設(shè)計(jì)，保證了惡劣環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，基于GPRS公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸具有通信范圍廣，傳輸穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。通過按鍵可以進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置或者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，串口波特率在300～115200bps可調(diào)，校驗(yàn)位可選：無校驗(yàn)，奇校驗(yàn)，偶校驗(yàn)。支持協(xié)議PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客戶端功能。另外，電源、工作狀態(tài)有LED指示，方便現(xiàn)場(chǎng)查看MODEM運(yùn)行情況。

由于人們對(duì)數(shù)字形式信息的需求量越來越大，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正向著高精度、高速度、穩(wěn)定可靠和集成化的方向發(fā)展。目前，大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)都是獨(dú)立的系統(tǒng)，只能進(jìn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集或存儲(chǔ)，已不能滿足應(yīng)用的需要，迫切要求接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是建立在新型采集系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)性能提高的基礎(chǔ)之上的。具有強(qiáng)大功能的32位微控制器在一些高端儀器儀表中得到了廣泛的應(yīng)用，而將GPRS無線傳輸模塊嵌入其中，將采集到的數(shù)據(jù)以無線的方式接入Internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，非常適合工作人員在比較惡劣的環(huán)境下或者需要對(duì)多種參量進(jìn)行采集時(shí)使用。而高性能微處理器的應(yīng)用也極大提高了數(shù)據(jù)采集的精度和速度。

1　系統(tǒng)整體方案

整個(gè)遠(yuǎn)程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)無線終端成功連接到互聯(lián)網(wǎng)后，采集終端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)放大濾波后發(fā)送到ARM微控制器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以及相關(guān)處理后，通過RS232口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無線終端，GPRS無線終端又將這些數(shù)據(jù)打成一個(gè)個(gè)的IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線網(wǎng)絡(luò)，并由移動(dòng)通信服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)統(tǒng)一的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心也可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息(各種命令及診斷信息)到無線數(shù)據(jù)采集模塊，通過GPRS終端上的RS232接口輸出到ARM微控制器上，采集終端在接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的信息后，進(jìn)行解碼并執(zhí)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集現(xiàn)場(chǎng)的控制。[!--empirenews.page--]

GPRS無線終端嵌入了TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議(用戶可選)，本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)際上GPRSDTU上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧是TCP/IPOverPPP。

 

 

圖1　GRPS無線數(shù)據(jù)采集終端

2　硬件組成

2.1　傳感器及放大器

理論上，該系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行16路數(shù)據(jù)的采集，但在實(shí)際的調(diào)試中，只選用了2路來做模擬。

一路選用溫度傳感器，表面/液體熱電偶NR281530，獲取實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的溫度，另一路采用壓力傳感器，PPM241BY油井專用型壓力傳感器，此系統(tǒng)在油田油井中具有較好應(yīng)用。

在前端信號(hào)處理單元，由于各種傳感器的輸出參數(shù)不同，輸出信號(hào)不僅電平低、內(nèi)阻高，而且有共模電壓以及現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響，因此，在選用放大芯片時(shí)要綜合考慮以上因素。選取常用的MCP6S2X可編程增益放大器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大，OP07CP做后續(xù)濾波芯片。

2.2　微處理器

微處理器是系統(tǒng)工作的核心，其性能的好壞直接決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的優(yōu)劣?；诒静杉到y(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和精度的要求，以及易操作性方面的考慮，選擇32位的ARM7系列處理器，它具有以下特點(diǎn)：

·體積小、低功耗、低成本、高性能;

·支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令，能很好兼容8位/16位器件;

·大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快;

·指令長(zhǎng)度固定;

·尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高

本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的單片32位微控制器LPC2134，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，該存儲(chǔ)器用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

LPC2134擁有兩個(gè)異步串行口UART0和UART1，本系統(tǒng)中將UART0與GPRS終端相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。它采用16字節(jié)收發(fā)FIFO，內(nèi)置波特率發(fā)生器，包含使能實(shí)現(xiàn)軟件控制的機(jī)制。

硬件SPI接口是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的1/8，可配置為主機(jī)或從機(jī)。本系統(tǒng)中SPI接口作為主機(jī)，根據(jù)不同的中斷，控制多個(gè)從機(jī)，包括可編程增益放大器MCP6S2X，使用SPI總線訪問SD卡，以及控制開發(fā)板上的數(shù)碼管顯示。

A/D轉(zhuǎn)換器是2個(gè)8路10位逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍是0～313V，10位轉(zhuǎn)換時(shí)間大于或等于2144μS，一個(gè)或多個(gè)Burst轉(zhuǎn)換模式。

2.3　GPRS終端

GPRS終端選用的是南京傲屹電子有限公司的AYG285C，它是采用GPRS模塊專為工業(yè)集成設(shè)計(jì)的，在溫度范圍、震動(dòng)、電磁兼容性和接口多樣性等方面均采用特殊設(shè)計(jì)，保證了惡劣環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，基于GPRS公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸具有通信范圍廣，傳輸穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。通過按鍵可以進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置或者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，串口波特率在300～115200bps可調(diào)，校驗(yàn)位可選：無校驗(yàn)，奇校驗(yàn)，偶校驗(yàn)。支持協(xié)議PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客戶端功能。另外，電源、工作狀態(tài)有LED指示，方便現(xiàn)場(chǎng)查看MODEM運(yùn)行情況。

3　系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1　μC/OS2Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)

當(dāng)需要進(jìn)行多任務(wù)處理和調(diào)度時(shí)，一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就必不可少。為此系統(tǒng)中采用源碼公開的μC/OS2Ⅱ操作系統(tǒng)，它具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2K字節(jié)。

μC/OS2Ⅱ的移植需要滿足以下要求：

·處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

·可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出臨界區(qū)代碼;

·處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

·處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

·處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

本系統(tǒng)使用的LPC2134ARM7處理器滿足以上所有條件，因此可以對(duì)其進(jìn)行移植。根據(jù)μC/OS2Ⅱ的要求，移植μC/OS2Ⅱ到一個(gè)LPC2134ARM7體系結(jié)構(gòu)上需要提供2個(gè)或3個(gè)文件：OSCPU.

H(C語(yǔ)言頭文件)、OS-CPU-C.C(C程序源文件)及OS-CPU-A.ASM(匯編程序源文件)。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，但對(duì)于系統(tǒng)的初始化，仍然采用匯編來制作啟動(dòng)代碼，它可以實(shí)現(xiàn)向量表定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量的初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化、外圍初始化、地址映射等操作。

芯片復(fù)位后，系統(tǒng)初始化流程如圖2所示。

 

 

圖2　系統(tǒng)初始化流程圖

3.2　接口程序及SD卡驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)時(shí)內(nèi)核下，接口程序讀取A/D采樣數(shù)據(jù)的方法通常有三種：程序延時(shí)法、ADC轉(zhuǎn)換完畢時(shí)產(chǎn)生中斷法和程序循環(huán)等待的方法。其中循環(huán)等待的方法CPU開銷小，不需要中斷服務(wù)，比較適合嵌入式系統(tǒng)中采用。

循環(huán)等待A/D讀取數(shù)據(jù)的偽代碼如下：

 

 

之間通過串口相連，采集數(shù)據(jù)先通過開發(fā)板串口UART0發(fā)送到無線數(shù)據(jù)終端AYG285C的緩沖區(qū)，然后緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)打成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心。因此，在μC/OS2Ⅱ下LPC2134的UART底層接口驅(qū)動(dòng)顯得尤為重要。

UART0初始化函數(shù)片斷如下：

 

 

在本系統(tǒng)中，串口通信采用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)，無流控制。在實(shí)際使用中為接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定波特率設(shè)置為9600bps效果較好。在測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)量到的數(shù)據(jù)范圍為10-6～101，有效數(shù)字為4位，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用每幀數(shù)據(jù)由3個(gè)字節(jié)組成，第1個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)指數(shù)部分，高四位為0，低四位中的第四位表示指數(shù)符號(hào)，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù);其余三位表示指數(shù)的數(shù)值部分。

后續(xù)兩個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)底數(shù)部分，采用壓縮的BCD碼編碼方式，高位在前，低位在后，即一個(gè)字節(jié)表示兩位十進(jìn)制數(shù)，則兩個(gè)字節(jié)表示四位十進(jìn)制數(shù)。[!--empirenews.page--]

LPC2134的UART0使用中斷方式進(jìn)行通信，這樣不會(huì)占用CPU很多時(shí)間，效率比較高。當(dāng)中斷服務(wù)處理子程序接收到一次中斷，它僅能知道UART0產(chǎn)生了中斷，還需要查詢中斷標(biāo)志寄存器U0IIR，依據(jù)不同中斷源類型進(jìn)行不同處理。在處理完當(dāng)前的中斷源類型之后，不能立即退出服務(wù)，而應(yīng)當(dāng)繼續(xù)判斷U0IIR寄存器最低位是否為0。

如果為0，則表示還有尚未處理的中斷，應(yīng)該繼續(xù)根據(jù)U0IIR[3∶0]判斷中斷源類型，進(jìn)行處理，直到U0IIR的最低位為1，最后發(fā)送中斷結(jié)束命令結(jié)束中斷服務(wù)處理程序。

SD卡讀寫軟件移植到ARM7微處理器LPC2134上的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中硬件抽象層是讀寫SD卡的硬件條件配置，是與硬件相關(guān)的函數(shù);命令層包含SD卡的相關(guān)命令以及卡與主機(jī)之間數(shù)據(jù)流的控制，這一層與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSⅡ相關(guān)，與硬件無關(guān);應(yīng)用層是向應(yīng)用程序提供卡的API函數(shù)，這一層由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSⅡ控制。

 

 

圖3　SD卡讀寫軟件移植結(jié)構(gòu)圖

3.3　應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)初始化完成后，創(chuàng)建各個(gè)任務(wù)，進(jìn)入多任務(wù)調(diào)度處理。應(yīng)用程序框架流程如圖4所示。

本系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)在得到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的采集命令后，選擇適當(dāng)?shù)牟杉ǖ溃⒃O(shè)置A/D模塊參數(shù)。在采集過程中判斷是否要停止，如果停止，任務(wù)處于等待掛起狀態(tài)。

 

 

圖4　應(yīng)用程序框架流程圖

4　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了ARM+RTOS以及ARM+GPRS的方案，選取適當(dāng)?shù)钠骷?gòu)成了多路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)采集到的多是小信號(hào)，為了有較好的準(zhǔn)確度和精確度，對(duì)A/D后的采集數(shù)據(jù)還要進(jìn)行分析和調(diào)整，然后再發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。為此，可以進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲得多組數(shù)據(jù)，最后通過最小二乘法曲線擬合來提高準(zhǔn)確度。另外，隨外界環(huán)境的變化，也可以修改擬合曲線以適應(yīng)具體的應(yīng)用。隨著3G時(shí)代的來臨，大量數(shù)據(jù)信息的傳輸成為可能，可以考慮采集現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)視頻信號(hào)。在短消息功能，數(shù)據(jù)加密技術(shù)以及軟件操作和文件管理上還有待進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化。