基于ARM的DIS采集系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學(xué)實驗教學(xué)系統(tǒng)，是先進的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到實驗教學(xué)的產(chǎn)物，也是探究、創(chuàng)新的實驗教學(xué)新理念注入傳統(tǒng)實驗教學(xué)后的必然結(jié)果。2006年，教育部將DIS納入了中小學(xué)實驗儀器裝備標準，建議有條件的學(xué)校配備。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)有相應(yīng)的產(chǎn)品，但大多不夠成熟。而國外的類似產(chǎn)品雖然較為成熟，但價格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產(chǎn)品不能夠很好地與我國的實驗教材配合，難以開展教學(xué)。在此提出一種廉價、功能強大、基于ARM技術(shù)的DIS采集系統(tǒng)設(shè)計。它是DIS的一個重要組成部分，并已與江蘇教育家教學(xué)裝備有限公司合作形成了產(chǎn)品。

1 DIS的組成
    從物理結(jié)構(gòu)上看DIS，可以分成三個部分：傳感器端、采集器端和計算機端。三個部分既緊密聯(lián)系，又相對獨立。三部分之間定義標準的接口，為不同的傳感器裝置、采集器的使用方式和計算機處理分析軟件的組合提供極大的靈活性；而三者結(jié)合可以提供強大的實驗功能，供師生創(chuàng)新和探究。事實上，用于傳感器物理量轉(zhuǎn)換、采集器數(shù)字化、計算機數(shù)據(jù)分析的實驗分析模型，也都是當(dāng)今實驗科學(xué)研究的通用模型。
1．1 傳感器端
    傳感器，又叫換能器，是將物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件。測量不同的物理量，需要不同的傳感器。對于DIS來說，傳感器端并非單指傳感器，而是傳感器和實驗裝置的總稱。針對不同的實驗，如何將傳感器與實驗裝置很好的結(jié)合，以便容易、真實、準確地完成實驗，是DIS傳感器端設(shè)計的一個難點。
1．2 采集器端
    采集器的功能主要是通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器件，將傳感器端提供的電學(xué)模擬量數(shù)字化，以便作后續(xù)處理。對于DIS來說，采集器端是其主體，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它需要保證數(shù)據(jù)采集的實時性、準確性；它需要處理與傳感器端和計算機端的交互；考慮到易用性，它往往還要對采集的數(shù)據(jù)作一些初步的顯示和分析。
1．3 計算機端
    計算機端就是指基于通用計算機平臺的DIS相關(guān)軟件集合，其開發(fā)主要體現(xiàn)在軟件。這部分也非常重要，它提供了強大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。

2 DIS采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 總體設(shè)計
    該設(shè)計選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器為控制核心。AT91SAM7SE512微控制器內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設(shè)及接口，而且系統(tǒng)并行總線全數(shù)引出，擴展性強。AT91SAM7SE512性能優(yōu)越，配以320×240的TFT真彩屏和觸摸屏，可以對采集的數(shù)據(jù)作采集器端的簡單處理和顯示，以豐富DIS系統(tǒng)的使用方式，提高便攜性和易用性。
    模／數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)選用Analog Devices公司的AD7323。AD7323為4通道，雙極輸入，12位ADC，最高采樣率達500 KSPS。其精度高，性能強，對于音頻采樣亦是綽綽有余，完全滿足DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，并有潛力完成將來可能出現(xiàn)的高采樣率需求的新實驗。系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)擴展了大容量的SDRAM和DataFLASH，以滿足運行較大規(guī)模程序和大容量數(shù)據(jù)存儲的需求。E2PROMI通過TWI(基本與I2C兼容)總線連接，以存儲系統(tǒng)重要的非易失性信息。
2．2 傳感器端的設(shè)計
    如圖2所示，傳感器主要由傳感器前端、信號放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和單片機組成。對于模擬傳感器，信號放大電路的輸出直接接至采集器，由采集器的高精度A／D做模／數(shù)轉(zhuǎn)換，串口只負責(zé)提供傳感器ID號等信息。對于數(shù)字傳感器，單片機負責(zé)控制本地A／D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)讲杉?。?shù)字傳感器留有通用無線模塊的接口，可以加裝通用無線模塊，將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸。

2．3 與傳感器端的連接
    傳感器分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。采集系統(tǒng)與傳感器端的連接分為有線和無線方式。在有線方式下，傳感器通過串口與采集器通信。數(shù)字傳感器的控制信號和數(shù)據(jù)都通過串口傳輸。為了獲得較高的數(shù)據(jù)精度，模擬傳感器的串口只傳輸控制信號，而將信號放大電路的輸出直接接至采集器端的高精度ADC，由采集器采樣處理。數(shù)字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變?yōu)闊o線數(shù)字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基于ZigBee將串口數(shù)據(jù)透傳。
    有線連接的接口加入了保護電路，支持熱插拔，以滿足實用需求。無線方式解除了某些實驗中由于連接電纜帶來的制約，并使得遠距離運動學(xué)實驗成為可能。目前，國內(nèi)外同類產(chǎn)品中均沒有類似的功能。
2．4 與計算機端的連接
    采集系統(tǒng)通過SD卡和USB電纜的方式與計算機端進行數(shù)據(jù)交換。SD卡體積小，容量大，價格便宜，既可以作為采集系統(tǒng)的擴展存儲，又可以作為采集系統(tǒng)與計算機端之間或者采集系統(tǒng)彼此之間交換數(shù)據(jù)的媒介。USB接口通用性強，數(shù)據(jù)傳輸率高，即插即用，是外設(shè)與計算機間通信的理想接口。

3 DIS采集系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 總體概述
    DIS采集器端的軟件以固件的形式固化在芯片內(nèi)部FLASH之中。主要功能包括：硬件外設(shè)的驅(qū)動、實驗數(shù)據(jù)的實時采集與處理、人機交互以及與傳感器端和計算機端之間的通信。系統(tǒng)總體的軟件架構(gòu)如圖3所示。DIS采集系統(tǒng)作為一個數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，首先要確保數(shù)據(jù)采樣的實時性和準確性；其次，系統(tǒng)還需要對數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)奶幚聿@示；另外，系統(tǒng)還必須適時地對用戶的觸摸操作和計算機端的指令做出響應(yīng)。軟件既要保證實時性，又要完成多項復(fù)雜的功能。小型嵌入式系統(tǒng)中常用的簡單的前后臺程序開發(fā)模型已不能滿足需要，于是引入了實時操作系統(tǒng)(RTOS)。它以多任務(wù)的模型管理程序功能，降低了程序開發(fā)的復(fù)雜度；搶占式的任務(wù)調(diào)度，保證了系統(tǒng)的實時性。[!--empirenews.page--]

    軟件分為三個層次：設(shè)備驅(qū)動層、實時操作系統(tǒng)層和用戶應(yīng)用層。
3．2 設(shè)備驅(qū)動層
    設(shè)備驅(qū)動層在實現(xiàn)總線驅(qū)動的基礎(chǔ)上進而實現(xiàn)外設(shè)驅(qū)動。如圖2所示，總線驅(qū)動包括SPI驅(qū)動、USART驅(qū)動等。外設(shè)驅(qū)動包括zigBee無線模塊驅(qū)動、LCD驅(qū)動、觸摸屏(Touch Screen，TS)驅(qū)動等。
3．3 實時操作系統(tǒng)層
    采用小型實時操作系統(tǒng)內(nèi)核μC／OS-Ⅱ，負責(zé)任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理、互斥訪問等。又移植了FAT文件系統(tǒng)和GUI圖形庫，共同形成實時操作系統(tǒng)的概念。
3．4 用戶應(yīng)用層
    具體針對DIS采集系統(tǒng)的需要，劃分任務(wù)，完成各項功能。共劃分了五個任務(wù)，并根據(jù)緊迫性要求設(shè)置了不同的優(yōu)先級。
    (1)采樣任務(wù)，負責(zé)與傳感器端的簡單通信及實時信號的采集。由于數(shù)據(jù)采樣的實時性和準確性是采集系統(tǒng)的第一重要任務(wù)，所以設(shè)置為最高優(yōu)先級。
    采樣任務(wù)由點擊圖形用戶界面的響應(yīng)功能發(fā)起，也可由計算機通過USB命令發(fā)起。采樣任務(wù)首先檢測在線的傳感器類型，獲取他們的ID號，然后設(shè)置采樣率，裝載采樣中斷，并打開傳感器，最后打開中斷進入等待狀態(tài)，響應(yīng)指令。采樣中斷根據(jù)采樣率定時采樣，如果是模擬傳感器，則讀取本地A／D，進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換；如果是數(shù)字傳感器，則讀取串口的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，獲得采樣數(shù)據(jù)。對于特殊的傳感器還要做濾波等特殊處理。當(dāng)采樣到足夠多的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給處理程序。若是本地發(fā)起的采樣任務(wù)，則發(fā)送給界面任務(wù)處理予以顯示；若是計算機通過USB發(fā)起的，則發(fā)送給USB任務(wù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計算機處理。大致流程圖如圖4所示。

    (2)觸摸屏輸入任務(wù)，負責(zé)實時探測用戶的觸摸操作，更新輸入坐標。
    (3)USB通信任務(wù)，負責(zé)響應(yīng)計算機端的指令，根據(jù)需要，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端。
    在初始化完成后，任務(wù)運行一個狀態(tài)機，進入空閑狀態(tài)。當(dāng)接到計算機的USB中斷請求后，轉(zhuǎn)換為不同的狀態(tài)，以完成任務(wù)。大致流程圖如圖5所示。

    (4)圖形用戶界面任務(wù)，負責(zé)與用戶的交互，完成相應(yīng)的操作，處理顯示數(shù)據(jù)等。
    在初始化完桌面、菜單等一些窗口后，界面任務(wù)進入等待狀態(tài)，等待采樣數(shù)據(jù)，并定時刷新界面。若有顯示的需求，界面任務(wù)在接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同的顯示方式作相應(yīng)的顯示。
    (5)系統(tǒng)空閑任務(wù)，負責(zé)收集系統(tǒng)信息，更新系統(tǒng)狀態(tài)，刷新屏幕內(nèi)容等。顧名思義，設(shè)置為最低優(yōu)先級。
    正如上面提及的順序，各任務(wù)優(yōu)先級從高到低排列為：采樣任務(wù)，觸摸屏輸入任務(wù)，USB通信任務(wù)，圖形用戶界面任務(wù)，系統(tǒng)空閑任務(wù)。

4 結(jié)語
    經(jīng)過測試，系統(tǒng)完成了設(shè)計功能，并且經(jīng)過大批量，長時間的采集，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏和出錯情況，能夠穩(wěn)定的運行。
    DIS是數(shù)字信息技術(shù)和嵌入式技術(shù)在教育領(lǐng)域的最新應(yīng)用。分析了DIS系統(tǒng)的整體模型，給出了其主體的一個具體實現(xiàn)。由于硬件上定義了統(tǒng)一的接口，軟件上引入了實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的擴展性極強。創(chuàng)新性地提出了傳感器的無線連接方式，以方便實驗。系統(tǒng)硬件上基于ARM7平臺，體積小，重量輕，功耗低，價格便宜；軟件上提供了圖形用戶界面，支持觸摸操作，使用方便，界面友好。系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集與分析顯示于一體，可獨立使用，又可以方便地與計算機通信，性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好?？梢灶A(yù)見，該設(shè)計在中小學(xué)實驗教學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。