机械电子工程硕士论文-基于ARM的嵌入式数据采集系统的研究.pdf

中国农业大学 硕士学位论文 基于arm的嵌入式数据采集系统的研究 姓名：陈喜贞 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：王书茂 20060501 摘要 陡着荦萼学技寒静飞速发袋，天嚣疆 数据采集静要求麓来越蔫：不饺蘩求高速、离赣发窝嘉 实时，还簧求采集设备便携化、网络化和智能化，并具脊友好的入机界面。传统的8 1 6 位单片 机因资源极度受限，难以满足上述要求；而p c i 或i s a 数据采集 ，则存在着安装麻烦、价格 昂贵且电磁兼容性差等缺点。 嵌入式系统是当今最流彳亍静翦沿技术之一。将袋入筑拄謇；l 入鼗爨采集系缓，可大大提赢 系统的实时性和灵活性，满足日益提高的测量需求。本文的研究正是基予a r m 的嵌入式数据 采集系统。 本文黪癌嬲对象为f 1 5 受蕊车测控系绞，在兼颞邋磁性积可扩展性孵条停下，设计了一静 软硬律配溪瑟活、适瑗憔强、性侨眈商浆嵌入式数据采集系统。萁疆 串平台以a r m 簸瑷器和 可编程逻辑器件f p g a 为核心，扩展了u a r t 、l c d 、a d 和u s b 等外围接口，可进杼多通道 多参数的采集、存储、传送和显示。软件设计上，首先完成了串行通信接口、a d c 、n a n d h a s h 、 l c d 等模块的驱动疆序编霹；然矗实理了捻占式实时搡露系统u c o s 1 1 簌该平台上懿移辕 在 此基础上，掇据谍题需求。进行了多任务的规划和设计。 利用接口逻辑丰富、并行运算能力强太的f p g a 器件，不但减轻了c p u 的负担，减少了 芯片数量和板子体积，而胤人大提高了系统的开放性和可重构性。r t o s 平台的构建。降低了 软馋致诗静复杂度，提毒了系统熬实嚣重鼓舞l 灵活性，缨簸了舞菠弱期。本系统的软硬f 繁梅， 不仅可用于f 1 5 负荷车溯撩系统，还可用予其它数据采集场合，具有缀强豹通用性。 实验窝调试和运行表明，该系统工作稳定可靠，达到了预期的设计目标。 美毽谲：数据采集，袋入武系绞，a r m ，f p g a ，多强势 h a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ed e m a n d so nd a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) a r e e n h a n c e d ：n o to n l yf o rh i g h - s p c e d , h i g h - a c c o r a c ya n dm a l t i m e , b u ta l s of o rp o r t a b i l i 吼n e t w o r k i n ga n d i n t e l l i g e n c e ，a sw e l la saf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h et r a d i t i o n a l8 1 6b i t sp r o c e s s o ri sf a rf o r m t h e s er e q u i r e m e n t sb e c a u s eo fr e s t r a i n t so fr e s o u r c e o nt l l eo t h e rh a n d p c io ri s ad a qc a r d sh a v e s o m ed e f e c t ss u c ha sc o m p l e x i t y , e x p e n s o ，e l e c t r o m a g n e 血md i s t u r b a n c e ，e t e e m b e d d e ds y s t e mi so n eo ft h el e a d i n g e d g et e c h n o l o g i e sn o w a d a y s ，i tc a nb eu s e dt oe n h a n c e r e a l - t i m af e a t u r ea n df l e x i b i l i t yo fs y s t e m , s oa st om e e tt h ei n c r e a s i n gm e a s u r e m e n tn e e d s t h es t u d y o f e m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n a r mi ss u c hac a s e a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t s o ff 1 5 l o a d - t e s t i n g v e h i c l em c a s o r c m e n t & c o n t r o l s y s t e m , c o n s i d e r i n gg e n e r a l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , am o d u l a r i z e d , s c a l a b l ee m b e d d e dd a qs y s t e mw i t ha h i g hp e r f o r m a n c e - c o s tr a t i oi sb r o u g h to u t a r mp r o c e s s o ra n df p g a a r eu s e da si t sh a r dc o r e ，f r o m w h i c hw ee x t e n d e du a r t , l c d , a d u s b ，e r e t h es y s t e mh a s f u n c t i o n si n c l u d i n gd a t a a e q u i s i t i o r t , s t o m g e , d i s p l a ya n dt r a n s m i s s i o n i ns o f t w a r ed a s i g n , d e v i c ed r i v e r sf o rk i n d so f p c 唧b e r a l m o d u l e sw e i bw r i t t e nf i r s t l y , t h e nu c o s 1 l , w h i e hi sar e a l - t i n * p r e e m p t i v em u l t i t a s k i n go p e r a t i n g s y s t e m w a st r a n s p l a n t e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nu c o s q i , m u l t i t a s kw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t u s i n gf p g a , w h i c hh a sa b u n d a n tl o g i cr e s o u l - c e sa n d as o p h i s t i c a t e da b i l i t yo fh i g h - s p e e d p a r a l l e lc a l c u l a t i o n , r e d u c e st h eb u r d e no f c p u a n dt h eq u a n t i t yo f i n t e r f a c eu n i t s ，a sw e l la se n h a n c e s e x p a n s i b i l i t ya n dm a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m b u i l d i n gs o f t w r r ep l a t f o r mb a s e do nr t o sc a nr e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fs o f l c w a r ed e s i g n ，i l l a p r o v et h er e a l - t i m e f e a t u r ea n df l e x i b i l i t y , s h o r t e nt h e d e v e l o p i n gp e r i o da sw e l l t h es y s t e mc a nn o to n l yb eu s e df o rf 1 5l o a d - t e s t i n gv e h i c l e , b u tc a na l s o b eu s e df o ro t h e rd a qa p p l i c a t i o n s e x p e r i m e n t si nl a bi n d i c a t e st h a tt h es y s t e mw o r k ss t a b l ya n dc r e d i b l y , a n dr e a c h e st h ee x p e c t e d e 他c t k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m , a r m ，f p g a ，m u l t i t a s k i i i 独创性声明 y9 3 9 0 7 3 本人声明所呈交的论文怒我个人在导师指导下逃行的研究工作及取得的研究 成采。尽我辨细，除了文中特麓鸯籍| 三i 稼注窝致落靛逸方努，论文中不镪含其镌大已 经发寝或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或涯书嚣镬弱过豹耱瓣。与我一闲工俸戆囤恚对本磷究繇散豹任餐贡敲终己在论文 中作了明确的说明并液示了谢意。 磷究叟签名： 稼喜吏 f 簿翔：妒占年，舞6 基 关于论文使用授权的说明 本夫完全了解中强农业大学骞关馁鍪、镶翅学位论文的嫒定，帮；学校鸯投保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复到手段保存、汇缡学位论文。网爨中国农妲大学霹以列不露方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内铎。 撩 密熬学短论文在解密器应遵守她势议) 研究生虢随毒次 帆州年朋占日 导帮繇蜮 犏汹舜f 嚣固 第一章绪论 1 1 嵌入式系统简介【1 2 3 1 1 1 1 嵌入式系统的定义及特点 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。它与通用型计算机 系统相比，具有以下特点：体积小、功耗低，通常作为设备的一部分“嵌入”其中；面向特定 应用，是定制性的系统；软硬件必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余：成本低，性价比高， 生命周期长；不具备自举开发能力；可靠性容易得到保证a 1 1 2 嵌入式系统的组成及体系结构 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等 部分组成，其体系结构如图1 - 1 所示 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 处理器 f 外围设钎 嵌入式硬件、r 台 圈1 - 1 嵌入式系统体系结构 ( 1 ) 嵌入式处理器。嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用 处理器最大的区别在于，前者大多工作在为特定用户群设计的系统，它通常具有功耗低、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡实现的功能集成在芯片内部，从而有利于 嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。目前常用的嵌 入式处理器可分为低端的嵌入式徽控制器似c u ) 、中高端的嵌入式微处理器但m p u ) 、用于计算 机通信领域的嵌入式d s p 处理器饵d s 唧高度集成的嵌入式片上系统c ) 。据不完全统计， 全世界嵌入式处理器已有1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、 m c 6 8 0 0 0 和m i p s 等使用得最为广泛。 c 2 ) 嵌入式外围设备。在嵌入式系统硬件中，除核心控制部件外，用于完成存储、通信、 调试、显示等辅助功能的其它部件，事实上都可看作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围 设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。存储设备主要用于各类数据的存储， 常用的有静态易失型存储器( r a m 、s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m 、 e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ) - - - 种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容 量人、价格便宜等优点，在嵌入式领域得到了广泛应用。目前存在的绝大多数通信设备都可以 壹接巍褒天式蓉统孛纛辫，包括r s 2 3 2 、s p i 、t r d a 、c a n 、勇e 、u s b 耱f = t h e r n e t 等。幽子痣 用场合的特殊性嵌入式系统通常使用液晶显示器和触摸板等作为外围显示设备。 f 轴褒a 式撵露系缡。为了健蠖天式系统瓣翳发更藏方德鞍块撩，嚣要毒专f j 受黉簧理存 储分配、中断娥理、任务调度等功能的软件模块，逛就是嵌入式操作舔统。落是崩来炎持 菠入 式废鲻瓣系统被搏，是嵌入式系统摄盎重要鲍缝袋器毋，遵常包括号硬佟楱美辩赢星鬻穗程序、 系统幽核、设备驱动谈国、通信协议、甄搿用户界两等。它具有通硐操作系统的基本特点，如 能够有效管理笈杂螅系绕资源，对硬件进撂抽象，提供麾函数、驱动程序、舞舷工具糍等。与 通嗣撩箨系统媚毙，窀在系统窝时谴、疆糌裱赖髓、较辞嗣健怪瑗及专瘸接祷方蟊，鼠有更船 鲜明的特点。嵌入式撵怍系统根据应用场可以分为两大类：一类是阿向消赞蹙电子的1 职实时 系统，絮碱嬲黼= e 、p a l m o s 等 凳一豢辩莛嚣秘经裂、避信，鞋疗嚣矮壤瓣安辩攥嚣系茏， 如w l n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、o n x 公司的q n x 等。 雠褒入式窟耀较齄。嵌天式应惩骏襻楚謇 对龄定建磺领域，萋予某一戮建瓣磋嚣平台， 用来选到用户预期目标的计算机软件。由于用户证务可能有时间和耩廉上的要求，因此商些嵌 入式戏赐软l 牛蒜要特定欺入式撵俸系统黪支持。嵌入戏应用敬转窥骜道斑用软件毒一定鲍r 瓣， 它不仅要求冀雄确侄、囊全性和稳定性等方面挠够满足实蘅；艨用的祷骤，而鼠还要求尽w 能地 进行优化，以减少系统资源的消耗，降低硬件成本。 1 1 3 国内外嵌入式翳统的发精现状 涎饕计算撬嚣擞氡予菠末蘸避步，嵌入式系统越来越f “涎的痊娜予轰个镁域。鐾嚣恐经育 智能黎电、掌上电脑、帆顶盒、平机、措纹锁等太鬃产品进入市场。祷种交通工具和设施中也 普遍袋赐嵌入式技术；在下业爰4 按领域，嵌入式系缝 表饕糖一代蛉键能钝戏场仪表、执行嚣 律、p l c 、数攒采集帮簸理设备；在通蓿颥域，数字技术芷崧垒面取代模拟技沭。铡如荑莓已 开始由模拟电槭向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广措) 技术已在全球大多数国窳推广， 数字裔叛广疆( d a b ) 瞧已进入商赫毒乏试疆淤段， 硬件方面，嵌入式c p u 处理能力提升较快，由8 位、1 6 位升级刘3 2 位与6 4 位。不仅有 蔷太公霹鼢徽疑理器芯冀，还蠢鹅予学嚣秽磺发静各稀琵套开发趣；秘整褒爱寰统意鹱p 乎台 经过蓉千年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的端片应有尽衡。在国内，嵌入武系统 关键骥锌主要熬麸蓬终g l 进，技术基礁 e 鞍薄弱。 操作系统方面，翟补已经孰简单走向成熟，主漂有s y m b i a n o s 、p a l m o s 、w i n d o w s c e 、 t r o n 样，占据7 帆项盒、p d a 等缌大部分市场。国内的嵌入式操作系烧研发奋两种类型，一类 是基予蘧舞搽襻系统二次开茇竞成，舞海铸静基予w i n d o w s c e 豹梳壤盎系统；勇一婺烧中蓉 自主歼发的嵌入式操作系统，如成都电子科技大学开发的d e l t a o s ( 道系统) 、凯思集团公闭自主 臻裁歼发鐾嵌入式撵箨系统l 蚴o s 、孛茹联学豌憨寒鞍释工程臻裁串心舞发瀚c a s s p d a 渡 及浙：l = f = 太学自杼研制开艘的嵌入式操作系统h b o s ( “天堂之岛”) 等，它们已鳞在一些领域取 褥了j “泛癍擐。褪珏重，出予离角寰鞋操作系统魏v x w o r k s 、w i n d o w s c e 硷揍暴赛量源强不公器， 使l i n u x 在嵌入式应用中占有一脯之地。由于l i n u x 自身有请多优势，吸引了许多开发商的目 光，成为嵌入式操作系统的耨宠。 警辩，嵌入式系统藏赣着瓣络仡、智麓纯、攫携纯和入枫界面袭好亿等方辩发展 嗣时， s o ( 2 瞧是当游蕊一争婿究熟惑。 1 2 嵌入畿暴缝程数撰采集领域熬应爝 程工业控制和教学科研中，现在常用的采集方式是在p c 机或工控机内舞虢p c i $ i s a 数据采 集誊，其优点越整体避铃遘壤扶，裁蟹实骛哮袋集秘安鞋鲑骥。但是，避静海嚣裟捶卡嚣赫受到祝 糖斑离频稽蟹瓣干扰，藏蕊麟德蓉统翡采榉麟废秘稳定褴。辩终，诗嚣撬主粳上黪插横个数有限， 且接赘静安装缀不方蠖。熨蠢蒜港，在嬲海疆a 毒薅播卡辩必矮避誊_ 囊源霪凝聚置，激避免瓷 潺狰突，纛裁蕊互嚣专媲性缀强，攘毪令 燕疼，这些弱点德褥它嚣j 靛斑溺甏斛了粳夫的黼戮粥。 此外。在某骛场合，基于p c 的数撼采集方案将匾临尉难。例如i 殳计某大型轧钢厂齿轮箱监测系统， 由 ：簌惑镪爨燃，臻壤赣瑟甓，嚣赛薤离溅点畜蔻嚣券黪躐鬻，簧黪蘩聚爨戆摸擐嵇号整经遘 获距离的传输蜜易授躐声千扰淹没，这群豫采集到躲数据将壤无意义鞴。褥知，要采囊菜旋转部 件上瓣傣号，熬时爱普邋静露线瞧缝； 凑傣崤裁霹簸无法满蕊要求鼓喾援零薏涟宴瑷。谯送释黪 境f f ，一个眈较好韵解决方寨跫袋爝无线棒输技术，将采集剿的数据通过馓线礁路发送到接收端， 稳壤凳线数撼袋集系缝科。 鬟一秀瓣，麓着毫子、德惑、弼缮等投术薅飞蘧发袋，a 稍对王照灏鬟绱簧隶也越米越高。 不但要求数据聚集的商谜离精度，还要求集设备便携、可游动，使用方便，支持热插拨，并带 枣强大鲢囊绻秘能，器潢蔗涟对隧蟪进行遮凝采察霸簦接麴潞袋。是辨，麓鬻生产絮奏瑟藏耱汝， 入嚣j 爨翔注黧撬寒工黪效率，夯零建采鬃壤器的器瓣萎热天瞧纯，褒毯瑗在| l 奄瀑集器不仅溪潺攀 缝控裁翡麓，涟虚具备器簿接堪+ 魁蕤黯蝣、c a n 、u s b 、戡港显霸袋鞴麓p t 。嚣嚣薷翁溅控系 统，大多采用嚣，1 6 位单片机，它们的速度苇够并且内存小，梅一些要求对储蟹的数学处趣比较复 杂的锁域，键犍摄锝力不从心。此终，8 ，l 辱俊单片枕滩以满戆嵌入式设罄麴上避要求，搿照对a 糗交蔓秘藏懿变持连穗对较鞲。 软粹上，惜统的单片机禊4 控系统通常撼蕊于单任务机制躺。这种机制妊有简单直瓣、褥子按 裁蕊爨赢，然褥毒手疆黟最熊按攀一熬颞黟搬褥，靛乏瑟游鹣，在复杂系绫孛滚戳琏程。囊7 在 更广泛盼领域臌用单片机系统，妊颁引入辫任务帆制，改磐糍序结构，以满足簸杂、实孵系统鲍 要求。蠡予8 1 6 挺m c u 蠹灏辍整受藩，窭蕊多篷务蓉缝撂对瓣难。 3 2 位高饿能微处理器的跚现根好地解决了上述矛盾。荫熊，它的高速低功耗特性造予便携 应用的设计，翔a r m 9 豢剥擞处理器的熊型速发兔l 。1 m i p s m i - i z ，舞壁黪主对势獭率藩 1 0 蝴3 3 磁暾毋母 有些3 2 位韪理耨还带蠢f p u 协娃壤器或镫霄舔势移s p 糖夸，支持避 复杂 的数学速冀。麓次，妥裁诲雾3 2 燕檬控割瓣熬可缢镬惩s d r a m ，因魏霹棱大避簿抵蠖掰大容 譬数攥存赣器黪成奉；蔼8 馁徽控稍嚣一蔽鼹髓使瘸成本较离熊s r a m 撵麓滋掭存赭器。戴并， 除了处理应用控制功能之外，需嶷持互联网接入的应用在m c u 上运行t c p i p 城其它通情协议 的揍嚣1 ：，癸袋蒹绫建立在r t o s 裁必然藏鸯一辩璐安鬟浓，邃吝3 2 橙激怒溪器上窦瑷菸举 匿难，丽显露魏3 2 往弛壤爨豹设圣 就考惑澍对r t o s 静支持，铡鲡a _ r m 9 系粼专门为擞话系 统瓣g l 入设计了m m u n 。躐惹，资藏躲3 2 位m c u 集艘囊壤慈，冀上瓷澈辐巍事富，失犬簿 纯了系统设计，减少了横上外设，从而降彳露了成本。总之，3 2 位处理鹬的出现，为嵌入戏设计 沓寒丰富弱璇传凌躯襄凝努瓣链巍；健褥整个嵌入式鬟缝静魏缎最簧遴建软终煞舞缓释霹嫫理， 器莲8 赣箍纛瓣主遥霉受弼姻搿莪赣锌霰锫l 斑不存褒，蹬诗嚣热手爵辍程淼选择多任务撩作系 - 3 - 中国表韭大学颟 学位论文 第一霉绪论 统，并将廊用软件设计得复杂庞大，真1 e 体现“硬件软件他”的设计思想。现在，越来越多的 设计师认识到，选用3 2 位槊构设计嵌入式系统不仅能提升性能，还能降低相同成本下的系统功 耗零l 苇终慧裁本鞋及缀缓产瑟上豢簿瓣 1 0 l 。 在工业测控现场，随着嵌入式技术的发展，原先的采集板卡可以直接做成前端数据采集器， 并通过现场总线或以太网避 行数据传送和控制。这样可以太大简化布线，缩短布线距离。通过 在传感器本避把模拟信号转换成数字信号，可大大提高信号的抗于扰驻力。这种采集嚣要进行 严格戆瞬涟强麦彝控铡，数据传送量丈，慰予嵌天式系缝瓣实露毪要求乎格； 总之，藏于3 2 位处理器的嵌入式系统，既有传统单片机系统成本低、体积小、功耗低的特 点，又有p c 平台开发环境好、资源丰寓、具备操作系统、用户界面友好的优点，尤其在多传 感器技术、入枫接口和控锘葬法等方委舆旃特豫盼往势，医蕊在数据采熊领域有银好豹发展翦 景。奉漾撩设计麴基于a r m 静嵌入式数攥采集系统就楚遮方露静一瑗骈究。 1 3 论文研究内容 本论文的研究主要戡“f 1 5 型受蘅攀技术改造”谍题戈应霹背景，鼓a r m 寝u c o s l l 穗结 合搭建较醭捧平台。在灞麓顼蟊实际需求豹嗣对，基于系统逶焉蛙考虑，作了一定豹璃蘧预馨 和扩展。课飚的主要研究内窖如卜： 1 、对“f 1 5 型负荷车技术改造”项目进行需求分析和功能划分，针对原测试系统的不足， 确定技术数造的慧钵方案。 2 、在该平台静总体设计土，按照“交专用为通翊”的设计思怒，改变传统斡“羹 表” 的检测方法。充分发挥智能化的软硬件优辨，将多种被测参数集中在嵌入式平台上进杼测量、 处理和本地鼹示，这样可以简化测试系统结构，降低系统成本，提高测控质量和系统的可嚣性。 我癸，在竞袋项嚣实际簧袋魏基疆土，避露一定弱功髭扩展。 3 、对当前流行豹嵌入式平台进行广泛调研，在分析比较的基础上，缩含本项目实繇需求， 选择一种合逸的嵌入式微处理器。明确嵌入式数据采集系统所要实现的功能，针对选定的m c u ， 进行外围电路设计，并使用某种e d a 工舆绘制原理图和p c b ，完成数据采集硬件平台的搭建。 4 、霹疆羲爹比较舂影瞧力戆襄人式操撵系统进行瓣 0 臻究，选择一手孛安静蛙强、开滋，低残 本的操作平台，针对选定的嵌入式微处理器完成操作系统的移植，进而_ 程上面合理进行多任务 的划分和设计使系统有条不紊的处理繁魏任务。 5 、根攒项目需求，选撵恰当的通讯方察，设计商效、实用的握手协议，完成嵌入式数据采 集嚣与受耱率上整控中心静交互，实瑗数舞秘翕令熬虿靠、实辩接臻。 6 、为方便调试和进彳亍骶统功能的测试验证，使用虚拟仪器软件口b w i n d o w s c v i 开发相应 的上位机监控中心软件。 l 。4 砖、缝 本章酋先介绍了嵌入式系统豹定义、特点及组成等；随后从现有数据采集方式在某般场合 的不足以及人们对采集设备臻求的提高，引出嵌入式技术在数据采集领域的应用从而说明了 本课题静研究意义；最羼奔缓了本论文的研究内容。 4 中国敷业大学硕上学位论文第* = 章系统总体设计 第二章系统总体设计 本章班f 1 5 负荷率测控系统中的数攒采集单毙为蓝本，弗将对象尽可能扩展到通崩犁测量 控制系统敕中 瓣层节点，分拆这熙设备舞臻的一般功能。在此基础上，提出张基于a r m 处 理器和f p g a 、适疰髋强、配譬靛活豹戴入式系统解决方寨，对其禳心硬秤、矫潜功髓模块扩 展、软件结构进行总体规划和檄骤设计。 2 1 嵌入式数据采集系统需求分析 2 1 1f 1 5 负耨车潮控系统改遗概述f 1 1 阍 受蒋车避蓬蠢溅噬醢装置及繁量毽奏! 壁麴嚣鎏睾。虫子逶避溯定受麓躲霹臻翡，匪越 也称赞荷测功率。它是谶行汽车、拖拉机、工程机械及军用率辆牵引试验及对该类产品检测与 技术弹定的重要设备之一，在车辆工程的辩研和车辆产品的捻验中发挥羞重要俘媸。 f 1 5 登受葡车蹩我嗣在“红岩c 0 2 6 1 ”三轴汽车基础上改装而成的负蘅车。整车质量 2 s 2 5 0 k g ，牵g i 制动力为2 0 - 5 0 k n ( v z ) ；s w d a t a z ) ； 当“s w r d n ”为低，即4 4 b o x 产生读信号时，将开芙量i o 模块的输入数据“s w d a t a ”送到 3 0 4 4 8 0 x 的数据总线“d a t a b u s “ j = 。写开关量鞋蒙理类似，只不遮方自嚣好楣爱。 4 4 3 计数器模块 计数是酝入戏数据采集系统檄重要瓣一呤劫髓，很多霹标参数静瓣量，翅f 1 5 受蓠车测擦 蔬统中驱动轮转遄、发动机转速敷噪声的测罱，本质上都是通过脉冲计数得到脉冲频率，雨遄 过一定的公式变换计算出目标参懿。 t 、涮颓器蓬弼 计数测频膏掰种实现方法：畿按计数溅凝法耱等精度涮颧法。直接计装涮额法只是藏攀摭 记下单位时间内阁期信号的重复次数，其计数僦会有4 - 1 个计数误差，此方法的测量精度主鼹 取决予基准时脚张计数器的计数谖差。等糖度测颗法是对直接测频法的改进，它的闸门时间不 怒霹定熬建，露燕捷测蘩号薅期麓整鼗蘩，鼯与装瓣落号弱多，霞藏，鬟酴了对谈嚣萤号计数 所产生的4 - 1 个计数误差。并鼹达到了在整个测试频段的等糟艘测量。由予时阕舞促，本系统 饿阁直接计数法测鬣频率，以简化殴计。 蛊接计数捌撅主要有测频靼测周期疆种方式。测壤豹原瑷是在单位时间内对被穗4 信号进行 计数，孬溅簧鬻法辩是在被测嵇母瘸麓疼对莱一莲灌辣i 孛遂苻诗教。墅毒。帮凰每4 势裂淡骥 了宦们的原理殿误麓产生的原因。 从图中可以潜出，测频和测阁法的惟一区别就在于“计数的”究竟是待测信号还是系统提 供黥瓣基瑾难脉；申b 避进对它辔、j 静误差分摄埘螺：婆l 频法灵适于测高额信号，低频场台会产 整较大误羞；嚣溅瘸法菇耪袋，它跑较适合祗额信号靛测黎。 本系统目前熙实现了简单的溯频法。为了增强通用性，撼商测量精度，可改进计数方法+ 嶷现等精度测捌、自动量程切拽i 9 1 1 | 频。通过精蟛设计v h d l 程序，甚至可以程f p g a 芯片中舞 现个类强予8 2 5 3 、舂多秘工撵方式匏诗数嚣。f 嚣穷绍测颡法的v h d l 实现。 睫黼厂 捌僖号几i 门钉门i 门f捌僖必出uu 廿 疆阜3 湃额灌琢璀 2 、测频法的v h d l 实现 被测信号厂 瓢燃建门i 门门门；门f ： 霭4 4 溅篙辩法蘸瑾 p 国0 嗽 蛳n p u i c m 1 $ o l c l k l o r n p u l s e t d 拣 硪s n i n s t 圈4 5 计数模块圈 3 l * 测频法实现的计数器模块如图4 5 所示，其端口描述如下： r s t n ：输入端口，系统复位信号，使计数器内部寄存器的初始状态确定； c l k l o m ：输入端口，系统全局时钟，用于同步设计： p u l s e ：输入端口，外部输入的待测脉冲； t d i c k ：输入端口，是f p g a 内部产生的时基信号； p u l c s n ：输入端n ，计数器模块选通信号，低电平有效，由c p u 接口逻辑模块产生； p u l e n t ：输出端口，计数值输出寄存器。 由图4 - 3 可知，测频法最重要的是要有一个标准的时基信号，即图4 - 5 中的t d i c k ，它可通 过对外部输入时钟分频得到。本设计在f p g a 内部生成了一个频率为1 h z 、占空比为5 0 的时 基，其v h d l 代码实现如下： p r o c e s s ( n r e s e t ，c l k l o m ) v a r i a b l es e c n t ：i n t e g e rr a n g e0t o9 9 9 9 9 9 9 ； b e g l n i fn r e s c t = 0 t h e n i d i c k 时间：两个任务所依赖的周期条件具有不同的频率和时间段： 异步性：两个任务所依赖的条件没有相互的时问关系； 优先级：两个任务所依赖的条件需要有不同的优先级； 清晰性回维护性：两个任务可在功能上或逻辑上互相分开； 功能耦合：功能联系密切( 耦合关系密切) 的操作应当划分为同一个任务； 大量运算原则：需要进行大量运算的处理应归为一个任务。 参考以上原则，结合第二章的需求分析，将任务模块的划分与系统功能有机结合起来。本 设计将数据采集系统的应用软件划分为如下几个任务 4 7 1 ：看门狗模块、多路a d 采样模块、转 速脉冲测量模块、开关量输入输出模块、键盘扫描模块、r t c 时钟模块、数据存储模块、串口 通信模块、声光报警模块和l c d 显示模块。各个任务间通过邮箱、信号量和消息队列进行通信 与同步。 另外，对于不同的外设笔者也作了不同的处理。如对于a d 采样由于其采样速度很快且 读取次数较多，故采用查询而不用中断方式读取：而键盘因读取次数少且读取速度也慢。所以 采用中断方式，由f p g a 在扫描到有键按下时触发。同样，串行口外设也采样中断方式。此外 为r i d s 提供节拍的定时器必须使用中断以达到精确处理，且由于节拍中断对r t o s 调度的重 要性，应将其中断优先级设置为最高。 5 4 3 各任务的优先级和任务堆栈的确定 u c o s i i 是一个基于优先级的抢占式实时多任务操作系统，它支持6 4 个优先级，一般建议 将最低四个优先级和最高四个优先级保留给操作系统使用，故最多还有5 6 个任务优先级可供使 用。u c o s i i 要求每个任务的优先级各不相同，且优先级数值越大，其优先级别越低。 在完成嵌入式数据采集系统的任务划分后，紧接着要确定各个任务的优先级。在分配任务 优先级时，需考虑以下几个原则j ： ( 1 ) 实时性原则：系统的实时性体现在它能够对某些外部事件做出及时响应，因此，分配任 务的优先级应按照实时性要求的顺序，实时性要求高的任务优先级高。反之则优先级低。 ( 2 ) 事件发生频率原则：在实时性要求不高的情况下一般给予频率高的事件所对应的处理 任务以更高的优先级。这是因为系统中所有的事件一般都需要得到及时处理，这样，事件响应 时间与对应任务的操作时间之和就不能超过事件发生的周期。 ( 3 ) 任务操作时间原则：如果两个事件的实时性、发生的频率基本相同那么应该根据事件 对应的处理任务的操作时间确定该任务的优先级。操作时间短的任务享有更高的优先级。 当然，这些原则并非绝对，针对具体问题的不同，可以有不同的优先级分配方法。 在本系统中，根据各个任务之间的关系以及任务重要性的不同，并参考以上优先级分配原 则对各任务的优先级作如下分配： ( 1 ) 喂狗任务。当系统出现异常，导致程序跑飞甚至系统瘫痪时，看门狗应及时产生复位 4 4 中国农业大学硕士学位论文 第五章系统软件设计 信号。鉴于该任务的时间要求较高及其功能特殊性，给它分配最高优先级。 ( 2 ) 将声光报警任务的优先级设定为6 ，主要是考虑到该任务要求较高的实时性。当该任务 发生时，应及时排除故障而不是继续执行采集任务。 f 3 1 a d 采样、脉冲测量和开关量”0 采集是本系统的核心任务。为了提高采样数据的可靠 性，需要保证数据采集的相关任务具有一定的实时性由于a d 采样发生频率较高，所以给它 分配较高的优先级，而转速脉冲测量和开关量1 1 3 任务的优先级略低。 f 串口通信任务主要完成数据采集系统和上位机的交互：上传采集的数据及接收上位机 发送的命令。它在本系统中时间要求并不高，设置其优先级为1 5 。 f 5 ) 键盘处理和l c d 显示属于人机交互处理，相对于前述任务其响应时间的要求比较低， 所以相应设置较低的优先级。 ( 6 ) 空闲任务的优先级由宏o s _ l o w e s t _ p r i o 确定，设置为2 5 ，而不是系统默认的6 3 ， 目的是为了减少内存空间的占用。当系统完成其它任务时，进入空闲状态。 在确定了任务优先级后，还需要为每个任务分配相应的堆栈空间，这主要是根据任务中变 量的数目及可能发生中断的次数来确定。在u c o s - l l 中，可使用静态或动态分配堆栈空间的方 法。静态堆栈分配是在编译的时候完成，使用变量声明的方法，且声明的类型必须为o s s t k ； 动态堆栈分配则是在运行的时候分配。本设计使用静态分配方法。 本系统的任务规划详情如表5 1 。使用静态优先级，即系统运行过程中优先级不变。其中 0 4 和2 0 一2 4 优先级保留，且备任务的优先级不连续，以方便任务的扩展。 表5 - 1 嵌入式数据采集系统任务规划表 任务名称优先级堆栈空间功能描述 0 4保留保留 喂狗任务52 5 6 b刷新看门狗定时器 声光报警任务62 5 6 b被测参数越限时报警 多路a d 采样 7 5 1 2 b测量环境温湿度等模拟量 转速脉冲测量85 1 2 b铡量车速、发动机转速等 开关量】，o 95 1 2 b 采集开关量状态，输出开关量控制信号 r t c 时钟任务 1 15 1 2 b 更新时间显示，定时启动存储任务 数据存储任务 1 35 1 2 b 根据需要按一定格式存储被测参数 串口通信任务 1 5 5 1 2 b通过串口发送被测性能参数 键盘扫描任务1 75 1 2 b读取按键的键值 l c d 显示任务1 95 1 2 bl c d 显示，各种消息的处理和分发 2 0 2 4 保留保留 空闲任务2 52 5 6 b u c 0 s i i 使用可用于低功耗设计 4 5 5 囊4 任务溺通谵设诗 任务间的接e l 设计生要涉及划r i d s 提供的任务间通信机制。即任务间传递数据及其它信 塞豹方式，一般旁装攀蠹存，信号爨、溪惠麸列、管道、罄赣爱s o c k e t 套接字等方式t u c o s - n 攥供了信碍量、豁雅、消惠酞捌等避倍机裁，霹方便遮瘸子多强努的童摹诲设计。 由予奉系统中鹈要瓤理的任务和巾颧比较多且各岛的实对性要浓不同，因此镊努和任务之间以 及饺务和中断之间的信息交换班投褥步、飘斥藏鼹褥菲常重瓣。 奉系统豹程务滋绩设谤主要是壤据各个任务熬调度壤瑷帮强务孛羧据熬使嗣馕毽瑟定，其 结稳鲡謦5 - 7 孵示。 匦pr 砷q 匿虱 回 信号羹l # 豳5 - 7 豢统各 壬瓣问的通倍燕着5 氆豳霹知，零系缆经羯l 巾僚号量、4 个郏簇髑1 令滇惑飘捌巍域任务之耀馈息豹交换与 协终。堂a d 莱群、稼；巾溅量秘拜关量羲天辘躜簿强务宠藏嚣，赘往溃惠陵秘l 孛发送糖瘟瀑 患，褥l c d 照幂任务不断遗簸消惑酞剃1 审摄取消息，并对番斡消惠进行解释翔静发，然后通 过不黼邮箱启幼萁像任务如串醴= 蠛倍、声光报警游。所敬，扶l c d 完成的功勰米着，它类似予 一个消息处理任务域者说是作业控制任务。另外，r t c 时钟通过定时向邮箱4 发送消息来启动 数攘夺继往务。穗豢串辩爨蘧纛蘩攀量1 爨翁键懿糕撵荏务。 5 4 5 各任务的功熊分析及实现 1 、童程序 圉5 - 8 系统主糍序滚程圉 摆枣进入m a i r 蟥，善先要搬撂硬释连接祷撬秘实琢功姥嚣躐秘始凭据茭舛设，蠹o p o 、 一4 8 - 中国农业大学硕士学位论文 第五章系统软件设计 u a r t 、l c d 等；接着调用o s l n i t 0 完成u c o s i i 运行环境的初始化，然后再创建邮箱、消息队 列、信号量和各个任务，最后调用o s s t a r t 0 , 官动多任务。其流程如图5 8 。 使用4 4 8 0 x 的定时器0 为u c o s - i l 内核提供定时时间参考，设置时钟节拍为每秒1 0 0 次， 即实时响应时间为l o m s 。节拍定时器的初始化和启动在最先执行的任务中进行。 2 、喂狗任务 4 4 b o x 内部自带一个1 6 位的看门狗，用于在由于错误( 如干扰和系统错误) 造成程序运行异 常时，使系统及时恢复。该任务主要是进行。喂狗”，即刷新看门狗定时器，其实现语句为： r w t c n t = r w t d a t 。它在整个系统中优先级最高。 3 、多路a d 循环采样任务 本系统使用4 4 8 0 内部自带的a d c 并在外围设计了信号调理电路，可对o 一1 0 v 和5 5 v 的输入信号进行a d 转换。由于4 4 8 0 内部的a d c 不具备采样保持器，所以输入信号频率不宜 过高。在1 7 1 5 负荷车测控系统中，主要用于采集环境温湿度等变化缓慢的模拟量。该任务主要 完成八路模拟量的循环采样，其流程如图5 9 。首先调用a d c l n i t 0 函数对a d 控制器进行初始 化，然后调用a d c r e a d 0 完成各通道的采集，通过查询状态标志位判断转换是否结束；通过延 时机制每隔5 0 0 m s 循环采集一次8 路信号，每路信号连续采样5 0 次后取平均，再将转换结果 按一定的格式向消息队列发送，由l c d 显示任务完成后续处理。 由于1 0 位a d 操作至少要1 6 个周期，若系统主频为6 6 m h z ，a d 转换预分频值为2 5 5 ( 可 取o - 2 5 5 ) ，则本系统a d 转换时间可通过下式计算：6 6 m 2 “ ( 2 5 5 + 1 ) 1 6 = 8 0 5 7 k h z ，相当于 0 1 2 4 m s ，所以任务转换完后延迟5 0 0 m s 完全能满足a d 采样转换时间的要求。 图5 - 9 多路枷循环采样转换任务流程图 4 、转速脉冲测量任务 该任务主要用于车速和发动机转速脉冲的采集，根据脉冲频率和车速( 或发动机转速) 的关 4 7 中国农业大学硕士学位论文 第五章系统软件设计 系，计算出待测参量。脉冲计数由f p g a 完成，在该任务中只需定时读取脉冲计数寄存器即可 ( 各脉冲计数寄存器地址见表4 2 ) 。连续5 次采集脉冲频率，然后取平均值，再将结果按一定格 式向消息队列发送，其程序流程如图5 1 0 。 5 、开关量i o 任务 开关量输入输出任务主要用于监泓外部设备状态或者输出开关量信号控制某些外设的启 停。本设计暂时只实现了开关量信号的输入，根据实际需要，可增加开关量输出功能，即由上 位机输出控制信号。开关量信号的采集由f p g a 完成，八路i o 分别对应八位2 进制数，本任 务只需定时读取开关量寄存器即可。 围5 1 0 转速脉冲测量任务流程 6 、键盘中断程序 为了减轻c p u 负担，本系统的键盘扫描实际由f p g a 完成，当f p g a 检测到有键按下时 触发一个外部中断。在键盘中断程序中向键盘扫描任务发送信号量1 # ，即o s s e m p o s t ( 信号量 1 以启动键盘扫描任务。 7 、键盘扫描任务 图5 1 1 键盘扫描任务流程 该任务在接收到信号量1 # 后启动，读取键值并译码，然后通过消息队列1 # 向l c d 显示任 4 8 务发送相应格式的数据，再由后者根据键值完成相应操作。其流程如图5 1 1 。 8 、r t c 时钟任务 r t c 时钟任务在本系统中有两个作用：一是通过消息队列1 # 定时刷新显示时间；二是在按 下数据存储功能键后，由消息队列1 # 1 5 过邮箱3 # f d 动r t c 定时功能，每隔1 0 分钟通过邮箱 错启动数据存储任务。r t c 使用4 4 b o x 内部自带的r t c 模块。 9 、串口通信任务 本任务通过判断邮箱l # 是否有消息决定是否进行串e l 通信，其功能是将采集的参量按一 定的格式发送给本地p c 或通过无线数传电台发送到远程p c 。串口数据的收发使用双缓冲， 即除了使用u a r t 控制器内部1 6 1 3 硬件缓冲外，还在内存中开辟了一个2 5 6 b 的二级缓冲。u a r t 收发过程及实现见u a r t 驱动一节。串1 ：3 发送的波特率设置为9 6 0 0 b p s ，数据格式为：一位起始 位+ 8 位数据位+ 1 位停止位，没有校验位和流控制。 1 0 、声光报警任务 当某些参数越限或出现异常时，l c d 显示任务通过邮箱硝启动声光报警任务，提醒用户发 生故障并显示故障类型。 1 l 、数据存储任务 某些应用场合需要将采集的数据存储到电子硬盘然后再通过u s b 或者串口传送到p c 上 进行离线分析。为此，本系统设计了数据存储任务，其功能是当按下数据存储功能键后，每隔 1 0 分钟以数据文件的形式存储一次检测参数，存储格式可根据具体的应用灵活定义。对于f 1 5 负荷车测控系统该任务可不用。图5 1 2 是数据存储任务的流程图。 圈5 - 1 2 数据存储任务流程 1 2 、“卫显示任务 这是系统的核心任务，负责对接收到的各种消息进行解释和分发，从而完成