嵌入式系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)

 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)滲透到雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、振動工程、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)借助于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和微處理器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的低功耗、大容量存儲的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置具有如下特點(diǎn)：多通道數(shù)據(jù)采集(包括8路模擬量采集通道)、16路開關(guān)量采集通道、海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示存儲、集成度高、攜帶方便。

嵌入式平臺的構(gòu)建

20世紀(jì)90年代后，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中確立了主導(dǎo)地位。典型產(chǎn)品如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、Lynx、WindowsCE、RTLinux、μC/OS-II等等。

μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)簡介

μC/OS-II的特點(diǎn)如下：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，被成功地移植到了許多不同架構(gòu)的處理器上。目前國內(nèi)對μC/OS-II的研究和應(yīng)用都很多。

MSP430系列單片機(jī)介紹

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司(TI)近幾年開發(fā)的新一代16位單片機(jī)，MSP430F169是其中一款，具有強(qiáng)大的處理能力，RISC結(jié)構(gòu)，125ns的指令周期，豐富的片內(nèi)外設(shè)，內(nèi)部具有2kB的RAM和60kB的FLASH，尋址空間達(dá)64k。

本設(shè)計(jì)中所用到的嵌入式處理器是TI公司的MSP430F169;操作系統(tǒng)是μC/OS-II。

μC/OS-II在MSP430F169上的移植

移植，指的是一個(gè)操作系統(tǒng)可以在某個(gè)微處理器或者微控制器上運(yùn)行。雖然μC/OS-II大部分源代碼是用C語言寫成的，但是仍然需要用匯編語言完成與處理器相關(guān)代碼的編寫。要使μC/OS-II能正常移植到處理器，處理器必須滿足以下要求：①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;②能用C語言打開或關(guān)閉中斷;③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷;④處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧;⑤處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧(或者內(nèi)存)的指令。

硬件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集裝置的硬件設(shè)計(jì)主要分三個(gè)模塊進(jìn)行：主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。主控單元主要完成了人機(jī)接口和存儲電路的設(shè)計(jì)，其中存儲電路選用USB接口電路作為數(shù)據(jù)存儲，對采集數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的存儲保護(hù)，數(shù)據(jù)采集單元主要是模擬量、開關(guān)量輸入通道設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘是由MSP430F1222實(shí)現(xiàn)的，其與專用的RTC器件相比還具有可擴(kuò)展性。

核心電路的設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

微處理器是整個(gè)電路的核心器件，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定著系統(tǒng)的功能指標(biāo)。

晶振電路作為時(shí)基發(fā)生器的時(shí)鐘振蕩電路，為整個(gè)單片機(jī)芯片內(nèi)部各個(gè)部分電路及單片機(jī)與其他數(shù)字系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時(shí)鐘信號。MSP430F169單片機(jī)有3個(gè)時(shí)鐘輸入源：低速晶體振蕩器(32k)、高速晶體振蕩器(450k～8M)和DCO振蕩器。無論系統(tǒng)上電或掉電都需要保證正常復(fù)位。復(fù)位電路本系統(tǒng)選用的CAT809微控制器監(jiān)控電路符合要求。

電源設(shè)計(jì)

電源模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響系統(tǒng)的精度和可靠性。輸出質(zhì)量高、穩(wěn)壓效果好、高效率和微功耗、可靠性強(qiáng)、微型化等是其設(shè)計(jì)原則。

數(shù)據(jù)存儲電路

完成采集數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的存儲保護(hù)是本系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，設(shè)計(jì)選用南京沁恒有限公司的純粹USB接口CH375，它的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適用于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)

主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化及任務(wù)的創(chuàng)建?；玖鞒倘鐖D2所示。主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤掃描任務(wù)，液晶顯示任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)、UART通信任務(wù)等。主要介紹數(shù)據(jù)存儲任務(wù)和UART通信任務(wù)。

數(shù)據(jù)存儲任務(wù)

采集數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的存儲保護(hù)是本采集裝置的一項(xiàng)重要任務(wù)，U盤的讀寫方式下，僅僅是將U盤當(dāng)作可移動的存儲器，所以讀寫方法與讀寫閃存差不多，操作簡單，速度快，只要幾十條語句就可以讀寫數(shù)據(jù)。但計(jì)算機(jī)不能直接讀取寫入的數(shù)據(jù)。

Voidx Write CH375 Cmd(UINT8mCmd)/*向CH375寫命令*/

{

P2DIR|=0x0F;/*設(shè)置P2口A0，CS，WR，RD為輸出控制信號*/

P4OUT=mCmd;/*向CH375的并口輸出數(shù)據(jù)*/

}

Void xReadCH375 Data(void) */從CH375讀數(shù)據(jù)*/

{

UINT8mData;

P4DIR=0;/*讀操作所以數(shù)據(jù)輸入*/

mData=P4IN;/*從CH375的并口輸入數(shù)據(jù)*/

P2OUT|=0x07;

/*輸出無效的控制信號，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);

}

UART通訊任務(wù)

數(shù)據(jù)采集單元的軟件設(shè)計(jì)包括8路模擬量的采集任務(wù)、16路開關(guān)量的采集任務(wù)和UART通訊任務(wù)的編寫，UART通訊任務(wù)主要是完成數(shù)據(jù)采集模塊和主控單元的數(shù)據(jù)交換。

本設(shè)計(jì)是結(jié)合先進(jìn)的嵌入式技術(shù)、微處理器技術(shù)及USB總線技術(shù)，基于低功耗、大容量存儲原則設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置;對其主要功能模塊進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)，部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該裝置適用于工業(yè)控制等較為復(fù)雜的測控場合。軟件設(shè)計(jì)上，μC/OS-II的應(yīng)用使數(shù)據(jù)采集具有更好的實(shí)時(shí)性。但是系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和通信方面還具有更深的研究空間。