基于ARM的海底大地電磁信號采集系統(tǒng)主控模塊改進(jìn)

表1 部分ARM架構(gòu)功耗比較表

4 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植

盡管μC/OS-II是用標(biāo)準(zhǔn)C語言寫的，但當(dāng)應(yīng)用到某個(gè)具體的CPU上時(shí)，還需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼。改寫過程主要結(jié)合改進(jìn)系統(tǒng)所采用的新主CPU AT91m40800的一些具體參數(shù)，完成整個(gè)操作系統(tǒng)的移植。

μC/OS-II可以大致分為內(nèi)核、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信、與CPU的接口等五部分。內(nèi)核（OSCore.c）是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運(yùn)行、中斷處理、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度和事件處理等多任務(wù)。任務(wù)處理部分（OSTask.c）是與任務(wù)操作密切相關(guān)的，包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等。時(shí)鐘部分（OSTime.c）定義μC/OS-II的最小時(shí)鐘單位是Timetick(時(shí)鐘節(jié)拍)。任務(wù)同步和通信部分包括信號郵箱、郵箱隊(duì)列和時(shí)間 標(biāo)志等部分，主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。與CPU接口部分是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分，主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷和相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

μC/OS-II除了良好的穩(wěn)定性和安全性以外，很重要的特點(diǎn)就是對多任務(wù)管理的優(yōu)異表現(xiàn)。μC/OS-II可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)。除了8個(gè)μC/OS-II自用的任務(wù)以外，用戶的應(yīng)用程序最多可有56個(gè)任務(wù)。用戶可以通過系統(tǒng)提供的任務(wù)結(jié)構(gòu)來自行創(chuàng)立任務(wù)。改進(jìn)方案中需要管理的任務(wù)包括GPS校時(shí)、讀采集數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波和存數(shù)據(jù)，執(zhí)行框架如圖1。

在初始化時(shí)，進(jìn)行GPS校時(shí)。讀優(yōu)先級最高，采集器不停地讀數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中還沒填滿時(shí)，進(jìn)行濾波和寫存儲器的任務(wù)，一旦緩沖已滿就要繼續(xù)執(zhí)行讀操作。這里所說的讀操作實(shí)際上是系統(tǒng)從緩沖中讀的操作，并不是實(shí)際的采集器讀地磁信號操作。寫任務(wù)其次，必須連貫地完成一次寫任務(wù)，中途不能被打斷。所以只有在不進(jìn)行讀操作時(shí)，才可以進(jìn)行寫操作。濾波任務(wù)在讀任務(wù)完成后執(zhí)行，但是如果前一個(gè)寫任還沒有完成，就不能濾波，以防止新數(shù)據(jù)無法寫入。所以只有當(dāng)新的讀任務(wù)結(jié)束，且舊的寫任務(wù)完成后方可執(zhí)行新讀數(shù)據(jù)的濾波任務(wù)。通過μC/OS-II提供的信號量機(jī)制，可很好地實(shí)現(xiàn)任務(wù)進(jìn)程的互斥與并發(fā)。

5 ARM對外圍設(shè)備的擴(kuò)展

主控單元與前臺數(shù)據(jù)采集模塊間仍保留原有ISA總線接口標(biāo)準(zhǔn)，只是自行設(shè)計(jì)ARM主控單元的接口電路如圖2所示。符合原有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)后，改進(jìn)電路成功替代了原來的主控。

雖然串行接口速度較慢，但完全可以滿足與上位機(jī)之間的通信。改進(jìn)方案首先實(shí)現(xiàn)了ARM對于串口的擴(kuò)展，作為通信手段之一。使用ARM公司自行開發(fā)的的ARM調(diào)試專用環(huán)境ADS1.2測試串行接口的效果：擴(kuò)展程序所設(shè)計(jì)的輸出結(jié)果為AT9140800USART_CUGB，連接采集儀和PC機(jī)，使用Windows自帶的超級終端可以看到輸出結(jié)果與設(shè)計(jì)一致，表明擴(kuò)展是成功的。

各采集器間及采集器與上位機(jī)交互還可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)方案基于μC/OS-II移植IP協(xié)議棧后，通過擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口卡，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。由于網(wǎng)絡(luò)接口芯片本身也遵守ISA標(biāo)準(zhǔn)，所以擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)接口還可以用來仿真測試ISA總線。檢測總線時(shí)序情況就可測試主控模塊的功能情況。抓取ISA設(shè)備時(shí)序，即得出系統(tǒng)接總線是否符號ISA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。寫一次后，邏輯分析儀截出幾次時(shí)序，結(jié)果如圖3所示。圖3時(shí)序情況：/CS8019為網(wǎng)絡(luò)接口芯片片選信號，/WE為寫使能信號，/OE為輸出使能信號，A1～A5為低5位地址，D0～D7為8位數(shù)據(jù)位。圖3中顯示寫使能一次后，輸出多次，對應(yīng)地址循環(huán)（程序設(shè)定的輸出效果），數(shù)據(jù)位則是輸出8019的數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容沒有意義。如圖3虛線處，在C1時(shí)刻，開始進(jìn)行寫操作；C2時(shí)刻輸出，低5位地址為00000；C3時(shí)刻第二次輸出，地址為00001；C4時(shí)刻第三次輸出，地址為00010。依次類推，表明主控單元改進(jìn)滿足了ISA總線的要求，網(wǎng)絡(luò)接口擴(kuò)展也正常。基于此，通過與前臺數(shù)據(jù)采集模塊直接連接，即可進(jìn)行海底大地電磁數(shù)據(jù)的高效采集。

由于采用ARM芯片取代原有主控單元，僅此一項(xiàng)就降低功耗約25%，實(shí)現(xiàn)了功耗降低的要求。另外在采用了操作系統(tǒng)后，將使整個(gè)采集過程更穩(wěn)定有序，提高了整個(gè)采集過程的準(zhǔn)確性和安全性。