基于ARM的嵌入式多路信號數據采集系統

GPRS無線終端嵌入了TCP/IP協議和UDP協議(用戶可選)，本系統采用TCP/IP協議，實際上GPRSDTU上實現的協議棧是TCP/IPOverPPP。

圖1　GRPS無線數據采集終端

2　硬件組成

2.1　傳感器及放大器

理論上，該系統可以同時進行16路數據的采集，但在實際的調試中，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，獲取實時現場的溫度，另一路采用壓力傳感器，PPM241BY油井專用型壓力傳感器，此系統在油田油井中具有較好應用。

在前端信號處理單元，由于各種傳感器的輸出參數不同，輸出信號不僅電平低、內阻高，而且有共模電壓以及現場惡劣環境的影響，因此，在選用放大芯片時要綜合考慮以上因素。選取常用的MCP6S2X可編程增益放大器對原始信號進行放大，OP07CP做后續濾波芯片。

2.2　微處理器

微處理器是系統工作的核心，其性能的好壞直接決定了數據采集系統性能的優劣。基于本采集系統對數據實時性和精度的要求，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：

·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，指令執行速度快;

·指令長度固定;

·尋址方式靈活簡單，執行效率高

本系統采用PHILIPS公司的單片32位微控制器LPC2134，它是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI2STMCPU，含有128KB的FLASH，該存儲器用作代碼和數據的存儲。

LPC2134擁有兩個異步串行口UART0和UART1，本系統中將UART0與GPRS終端相連，實現數據傳輸。它采用16字節收發FIFO，內置波特率發生器，包含使能實現軟件控制的機制。

硬件SPI接口是一個同步、全雙工串行接口，最大數據位速率為時鐘速率的1/8，可配置為主機或從機。本系統中SPI接口作為主機，根據不同的中斷，控制多個從機，包括可編程增益放大器MCP6S2X，使用SPI總線訪問SD卡，以及控制開發板上的數碼管顯示。

A/D轉換器是2個8路10位逼近式模/數轉換器，測量范圍是0～313V，10位轉換時間大于或等于2144μS，一個或多個Burst轉換模式。

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模塊專為工業集成設計的，在溫度范圍、震動、電磁兼容性和接口多樣性等方面均采用特殊設計，保證了惡劣環境下的工作穩定性，基于GPRS公網的數據傳輸具有通信范圍廣，傳輸穩定可靠等特點。通過按鍵可以進行模塊參數設置或者進行網絡數據通信，串口波特率在300～115200bps可調，校驗位可選：無校驗，奇校驗，偶校驗。支持協議PPP、IP、TCP、UDP、DNS、PING的客戶端功能。另外，電源、工作狀態有LED指示，方便現場查看MODEM運行情況。

3　系統軟件實現

3.1　μC/OS2Ⅱ嵌入式操作系統

當需要進行多任務處理和調度時，一個嵌入式實時操作系統就必不可少。為此系統中采用源碼公開的μC/OS2Ⅱ操作系統，它具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良以及可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2K字節。

μC/OS2Ⅱ的移植需要滿足以下要求：

·處理器的C編譯器可以產生可重入代碼;

·可以使用C調用進入和退出臨界區代碼;

·處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源;

·處理器需要能夠容納一定數據的硬件堆棧;

·處理器需要有能夠在CPU寄存器與內核和堆棧交換數據的指令。

本系統使用的LPC2134ARM7處理器滿足以上所有條件，因此可以對其進行移植。根據μC/OS2Ⅱ的要求，移植μC/OS2Ⅱ到一個LPC2134ARM7體系結構上需要提供2個或3個文件：OSCPU.

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

數據采集任務中，采用C語言進行編程，但對于系統的初始化，仍然采用匯編來制作啟動代碼，它可以實現向量表定義、堆棧初始化、系統變量的初始化、中斷系統初始化、I/O初始化、外圍初始化、地址映射等操作。

芯片復位后，系統初始化流程如圖2所示。

圖2　系統初始化流程圖

3.2　接口程序及SD卡驅動的實現

在實時內核下，接口程序讀取A/D采樣數據的方法通常有三種：程序延時法、ADC轉換完畢時產生中斷法和程序循環等待的方法。其中循環等待的方法CPU開銷小，不需要中斷服務，比較適合嵌入式系統中采用。

循環等待A/D讀取數據的偽代碼如下：

之間通過串口相連，采集數據先通過開發板串口UART0發送到無線數據終端AYG285C的緩沖區，然后緩沖區將數據打成一個個數據包，通過GPRS網絡發送到遠程數據處理中心。因此，在μC/OS2Ⅱ下LPC2134的UART底層接口驅動顯得尤為重要。

UART0初始化函數片斷如下：

在本系統中，串口通信采用8位數據位，1位停止位，奇校驗，無流控制。在實際使用中為接收數據穩定波特率設置為9600bps效果較好。在測試系統中，測量到的數據范圍為10-6～101，有效數字為4位，所以在發送數據時采用每幀數據由3個字節組成，第1個字節為數據指數部分，高四位為0，低四位中的第四位表示指數符號，0表示正數，1表示負數;其余三位表示指數的數值部分。

后續兩個字節為數據底數部分，采用壓縮的BCD碼編碼方式，高位在前，低位在后，即一個字節表示兩位十進制數，則兩個字節表示四位十進制數。