基于ARM的海底大地電磁信號采集系統主控模塊改進

表1 部分ARM架構功耗比較表

4 嵌入式實時操作系統μC/OS-II的移植

盡管μC/OS-II是用標準C語言寫的，但當應用到某個具體的CPU上時，還需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關的代碼。改寫過程主要結合改進系統所采用的新主CPU AT91m40800的一些具體參數，完成整個操作系統的移植。

μC/OS-II可以大致分為內核、任務處理、時間處理、任務同步與通信、與CPU的接口等五部分。內核（OSCore.c）是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、系統運行、中斷處理、時鐘節拍、任務調度和事件處理等多任務。任務處理部分（OSTask.c）是與任務操作密切相關的，包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等。時鐘部分（OSTime.c）定義μC/OS-II的最小時鐘單位是Timetick(時鐘節拍)。任務同步和通信部分包括信號郵箱、郵箱隊列和時間 標志等部分，主要用于任務間的互相聯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切換的底層實現、任務級任務切換的底層實現、時鐘節拍的產生和處理、中斷和相關處理部分等內容。

μC/OS-II除了良好的穩定性和安全性以外，很重要的特點就是對多任務管理的優異表現。μC/OS-II可以管理多達64個任務。除了8個μC/OS-II自用的任務以外，用戶的應用程序最多可有56個任務。用戶可以通過系統提供的任務結構來自行創立任務。改進方案中需要管理的任務包括GPS校時、讀采集數據、數字濾波和存數據，執行框架如圖1。

在初始化時，進行GPS校時。讀優先級最高，采集器不停地讀數據。當數據在緩沖區中還沒填滿時，進行濾波和寫存儲器的任務，一旦緩沖已滿就要繼續執行讀操作。這里所說的讀操作實際上是系統從緩沖中讀的操作，并不是實際的采集器讀地磁信號操作。寫任務其次，必須連貫地完成一次寫任務，中途不能被打斷。所以只有在不進行讀操作時，才可以進行寫操作。濾波任務在讀任務完成后執行，但是如果前一個寫任還沒有完成，就不能濾波，以防止新數據無法寫入。所以只有當新的讀任務結束，且舊的寫任務完成后方可執行新讀數據的濾波任務。通過μC/OS-II提供的信號量機制，可很好地實現任務進程的互斥與并發。

5 ARM對外圍設備的擴展

主控單元與前臺數據采集模塊間仍保留原有ISA總線接口標準，只是自行設計ARM主控單元的接口電路如圖2所示。符合原有協議標準后，改進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之間的通信。改進方案首先實現了ARM對于串口的擴展，作為通信手段之一。使用ARM公司自行開發的的ARM調試專用環境ADS1.2測試串行接口的效果：擴展程序所設計的輸出結果為AT9140800USART_CUGB，連接采集儀和PC機，使用Windows自帶的超級終端可以看到輸出結果與設計一致，表明擴展是成功的。

各采集器間及采集器與上位機交互還可通過網絡實現。改進方案基于μC/OS-II移植IP協議棧后，通過擴展網絡接口卡，可實現網絡功能。由于網絡接口芯片本身也遵守ISA標準，所以擴展的網絡接口還可以用來仿真測試ISA總線。檢測總線時序情況就可測試主控模塊的功能情況。抓取ISA設備時序，即得出系統接總線是否符號ISA協議標準。寫一次后，邏輯分析儀截出幾次時序，結果如圖3所示。圖3時序情況：/CS8019為網絡接口芯片片選信號，/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位數據位。圖3中顯示寫使能一次后，輸出多次，對應地址循環（程序設定的輸出效果），數據位則是輸出8019的數據，具體內容沒有意義。如圖3虛線處，在C1時刻，開始進行寫操作；C2時刻輸出，低5位地址為00000；C3時刻第二次輸出，地址為00001；C4時刻第三次輸出，地址為00010。依次類推，表明主控單元改進滿足了ISA總線的要求，網絡接口擴展也正常。基于此，通過與前臺數據采集模塊直接連接，即可進行海底大地電磁數據的高效采集。

由于采用ARM芯片取代原有主控單元，僅此一項就降低功耗約25%，實現了功耗降低的要求。另外在采用了操作系統后，將使整個采集過程更穩定有序，提高了整個采集過程的準確性和安全性。