嵌入式系统便携式数据采集装置设计

1 嵌入式系嵌入式系统统便携式便携式数数据采集装置据采集装置设计设计 摘要摘要 随着计算机科学技术的飞速发展和普及 数据采集技术已经渗透到各个领随着计算机科学技术的飞速发展和普及 数据采集技术已经渗透到各个领 域 例如 域 例如 基于基于 ARMARM 和和 S1510S1510 开发的便携式开发的便携式 RFIDRFID 信息采集与处理系统 基于信息采集与处理系统 基于 ARM7ARM7 的二代身份证信息采集系统 小型射频存储芯片也越来越多的应用于我们的二代身份证信息采集系统 小型射频存储芯片也越来越多的应用于我们 的日常生活 像二代身份证 非接触式的日常生活 像二代身份证 非接触式 ICIC 卡 卡 ARMARM 设计便携式数据采集装置鉴设计便携式数据采集装置鉴 于其低功耗 低成本 便携以及强大的数据处理能力等优点 在便携式数据采于其低功耗 低成本 便携以及强大的数据处理能力等优点 在便携式数据采 集装置中应用的越来越多 集装置中应用的越来越多 本设计借助于嵌入式系统设计技术和微处理器技术来实现的低功耗 大容本设计借助于嵌入式系统设计技术和微处理器技术来实现的低功耗 大容 量存储的便携式数据采集装置 利用嵌入式的开发平台对此在软件和硬件方面量存储的便携式数据采集装置 利用嵌入式的开发平台对此在软件和硬件方面 做出了详细的设计 做出了详细的设计 2 目录目录 1 1 前言 前言 1 1 2 2 嵌入式平台的构建 嵌入式平台的构建 1 1 2 2 1 1 C OS II C OS II 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介 1 1 2 2 2 2 MSP430MSP430 系列介绍系列介绍 1 1 2 2 3 3 C OS II C OS II 在在 MSP430F169MSP430F169 上的移植上的移植 2 2 2 2 4 4 系统基本工作原理 系统基本工作原理 2 2 3 3 硬件设计 硬件设计 2 2 4 4 电源设计 电源设计 3 3 5 5 软件设计 软件设计 4 4 5 5 1 1 主程序设计 主程序设计 4 4 5 5 2 2 数据存储任务 数据存储任务 4 4 5 5 3 3 UARTUART 通讯任务通讯任务 5 5 6 6 总结 总结 6 6 7 7 参参 考考 文文 献献 6 6 3 一 前言一 前言 随着计算机科学技术的飞速发展和普及 数据采集技术已经渗透到雷达 通信 水声 遥感 地质勘探 振动工程 语音处理 智能仪器 工业自动控 制以及生物医学工程等众多领域 本设计借助于嵌入式系统设计技术和微处理 器技术来实现的低功耗 大容量存储的便携式数据采集装置 该装置具有如下 特点 多通道数据采集 包括 8 路模拟量采集通道 16 路开关量采集通道 海 量数据实时显示存储 集成度高 携带方便 在一些工业现场中 设备长时间 运行容易出现故障 为了监控这些设备 通常利用数据采集装置采集他们运行 时的数据并送给 PC 机 通过运行在 PC 机上的特定软件对这些数据进行分析 以此判断当前运行设备的状况 进而采取相应措施 当前常用的数据采集装置 在其系统软件设计中 多采用单任务顺序机制 这样就存在系统安全性差的问 题 这对于稳定性 实时性要求很高的数据采集装置来说是不允许的 因此有 必要引入嵌入式操作系统 笔者以 C OSII 为操作系统平台 基于 ARM7 系列 处理器 对一种高性能的数据采集系统开发进行了探索 二 嵌入式平台的构建二 嵌入式平台的构建 20 世纪 90 年代后 嵌入式实时操作系统在嵌入式系统中确立了主导地位 典型产品如 VxWorks PSOS VRTX Nucleus Lynx WindowsCE RTLinux C OS II 等 等 本设计中所用到的嵌入式处理器是 TI 公司的 MSP430F169 操作系统是 C OS II 1 1 C OS II C OS II 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介 嵌入式操作系统 C OSII microcontroller operating system 是专 为微控制器系统和软件开发而设计的公开源代码的抢占式实时多任务操作系统 内核 是一段微控制器启动后首先执行的背景程序 作为整个系统的框架贯穿 系统运行的始终 对于对实时性和稳定性要求很高的数据采集系统来说 引入 C OSII 无疑将大大改善其性能 C OS II 的特点如下 公开源代码 代码 结构清晰 明了 注释详尽 组织有条理 可移植性好 可裁剪 可固化 内 核属于抢占式 最多可以管理 60 个任务 是一个经实践证明好用且稳定可靠的 内核 被成功地移植到了许多不同架构的处理器上 目前国内对 C OS II 的 研究和应用都很多 4 2 2 MSP430MSP430 系列单片机介绍系列单片机介绍 MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司 TI 近几年开发的新一代 16 位单 片机 MSP430F169 是其中一款 具有强大的处理能力 RISC 结构 125ns 的指 令周期 丰富的片内外设 内部具有 2kB 的 RAM 和 60kB 的 FLASH 寻址空间达 64k 3 3 C OS II C OS II 在在 MSP430F169MSP430F169 上的移植上的移植 移植 指的是一个操作系统可以在某个微处理器或者微控制器上运行 虽 然 C OS II 大部分源代码是用 C 语言写成的 但是仍然需要用汇编语言完成 与处理器相关代码的编写 要使 C OS II 能正常移植到处理器 处理器必须 满足以下要求 处理器的 C 编译器能产生可重入代码 能用 C 语言打开或关闭中断 处理器支持中断 并且能够产生定时中断 处理器能支持一定数量的数据存储硬件堆栈 处理器有将堆栈指针和其他 CPU 寄存器存储和读出到堆栈 或者内存 的指 令 4 4 系统基本工作原理 系统基本工作原理 应用时 数据采集系统置于被监控的设备处 通过传感器对设备的电压或 者电流信号进行采样 保持 并送入 A D 转换器变成数字信号 然后将该信号 送到 FIFO 中 当 FIFO 中存放的数据到了一定数目时 由 ARM7 从 FIFO 中读出 然后通过 ARM7 的以太网接口或者 RS232 送给上位机 考虑到要监控的设备可能 会很多 所以设计了多路采集通道 他们经过模拟开关后再进入 A D 转换器 CPLD 是整个系统的控制核心 他控制采集通道的切换 A D 转换器的启 停 转 换后的数据在 FIFO 中的存放地址发生器 产生中断请求以通知 ARM7 读取存放 在 FIFO 中的数据等 三 硬件设计三 硬件设计 5 本数据采集装置的硬件设计主要分三个模块进行 主控单元 数据采集单 元 实时时钟 主控单元主要完成了人机接口和存储电路的设计 其中存储电 路选用 USB 接口电路作为数据存储 对采集数据及时可靠的存储保护 数据采 集单元主要是模拟量 开关量输入通道设计 系统实时时钟是由 MSP430F1222 实现的 其与专用的 RTC 器件相比还具有可扩展性 核心电路的设计 图 1 系统功能结构框图 微处理器是整个电路的核心器件 其性能的优劣直接影响和决定着系统的 功能指标 晶振电路作为时基发生器的时钟振荡电路 为整个单片机芯片内部 各个部分电路及单片机与其他数字系统或者计算机系统之间通信 提供可靠的 同步时钟信号 MSP430F169 单片机有 3 个时钟输入源 低速晶体振荡器 32k 高速晶体振荡器 450k 8M 和 DCO 振荡器 无论系统上电或掉电都需要保证正 常复位 复位电路本系统选用的 CAT809 微控制器监控电路符合要求 三 电源设计三 电源设计 电源模块是数据采集系统硬件设计的重要组成部分 直接影响系统的精度 和可靠性 输出质量高 稳压效果好 高效率和微功耗 可靠性强 微型化等 是其设计原则 6 图 2 数据存储电路 完成采集数据及时可靠的存储保护是本系统的一项重要功能 设计选用南京沁恒有限 公司的纯粹 USB 接口 CH375 它的主要特点是价格便宜 接口方便 可靠性高 尤其适 用于产品的改型设计 四 软件设计四 软件设计 1 1 主程序设计 主程序设计 主程序负责系统的初始化及任务的创建 基本流程如图 2 所示 主控单元 的软件设计主要包括键盘扫描任务 液晶显示任务 数据存储任务 UART 通信 任务等 主要介绍数据存储任务和 UART 通信任务 2 2 数据存储任务 数据存储任务 采集数据及时可靠的存储保护是本采集装置的一项重要任务 U 盘的读写 方式下 仅仅是将 U 盘当作可移动的存储器 所以读写方法与读写闪存差不多 操作简单 速度快 只要几十条语句就可以读写数据 但计算机不能直接读取 写入的数据 Void Write CH375 Cmd UINT8mCmd 向 CH375 写命令 P2DIR 0 x0F 设置 P2 口 A0 CS WR RD 为输出控制信号 P4OUT mCmd 向 CH375 的并口输出数据 7 Void xReadCH375 Data void 从 CH375 读数据 UINT8mData P4DIR 0 读操作所以数据输入 mData P4IN 从 CH375 的并口输入数据 P2OUT 0 x07 输出无效的控制信号 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 3 3 UARTUART 通讯任务通讯任务 数据采集单元的软件设计包括 8 路模拟量的采集任务 16 路开关量的采集 任务和 UART 通讯任务的编写 UART 通讯任务主要是完成数据采集模块和主控 单元的数据交换 8 五 总结五 总结 本设计是结合先进的嵌入式技术 微处理器技术及 USB 总线技术 基于低 功耗 大容量存储原则设计的便携式数据采集装置 对其主要功能模块进行了 原理设计 部分实验进行了验证 证明该装置适用于工业控制等较为复杂的测 控场合 软件设计上 C OS II 的应用使数据采集具有更好的实时性 但是 系统功能的扩展和通信方面还具有更深的研究空间 参