設計數據採集裝置

⑴ 數據採集卡的系統實例

在一些工業現場中，設備長時間運行容易出現故障，為了監控這些設備，通常利用數據採集裝置採集他們
數據採集
運行時的數據並送給PC機，通過運行在PC機上的特定軟體對這些數據進行分析，以此判斷當前運行設備的狀況，進而採取相應措施。當前常用的數據採集裝置，在其系統軟體設計中，多採用單任務順序機制。這樣就存在系統安全性差的問題。這對於穩定性、實時性要求很高的數據採集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統。下面以μC/OSII為操作系統平台，基於ARM7系列處理器，對一種高性能的數據採集系統開發進行探索。 嵌入式操作系統μC/OSII（Microcontroller Operating System）是專為微控制器系統和軟體開發而設計的公開源代碼的搶占式實時多任務操作系統內核，是一段微控制器啟動後首先執行的背景程序，作為整個系統的框架貫穿系統運行的始終。對於對實時性和穩定性要求很高的數據採集系統來說，引入μC/OSII無疑將大大改善其性能。
μC/OSII的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內核屬於搶占式，最多可以管理60個任務。μC/OSII自1992年的第一版（μC/OS）以來已經有好幾百個應用，是一個經實踐證明好用且穩定可靠的內核。對μC/OSII的研究和應用都很多。 該系統採用了Samsung公司的S3C4510B作為系統與上位機溝通的橋梁，S3C4510B是基於乙太網應用系統的高性價比16/32位RISC微控制器，他有如下幾個主要特點：
硬體方面內含一個由ARM公司設計的16/32位ARM7TDMIRISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用於對價格及功耗敏感的應用場合。S3C4510B通過在ARM7TDMI核內容基礎上擴展一系列完整地通用外圍器件。
片上資源包括2個帶緩沖描述符（bufferdescriptor）的HDLC通道；2個UART通道；2個GDMA通道；2個32位定時器；18個可編程的I/O口。還有中斷控制器；DRAM/SDRAM控制器；ROM/SRAM和FLASH控制器；系統管理器；1個內部32位系統匯流排仲裁器；1個外部存儲器控制器等片內的邏輯控制電路。
這些為μC/OSII的移植提供了優良的物理資源。
軟體支持方面他有配套的代碼編輯調試環境ADS12和JTAG在線調試功能，使S3C4510B晶元軟體可以直接用C編寫，這就使μC/OSII的植入成為可能。
12位高速A/D轉換電路採用AnalogDevices的AD574，該電路輸出具有三態鎖存功能。預處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路，他可以將信號轉換成與AD574相匹配的量值，供後續處理。通訊電路採用常用的乙太網介面與上位機相連，而232介面可作為備用，這樣該裝置既可作為攜帶型系統使用，也可通過網路來對設備實施實時監控。 軟體部分要分別編寫S3C4510B部分的程序和CPLD控製程序。前者可分為μC/OSII的移植和各個應用程序的編寫，後者用VHDL語言實現。
對於S3C4510B部分，根據整個裝置實現的功能和對他的要求進行系統任務分割，並根據實際需要為各個任務分配優先順序。系統大致可分為如下幾個任務：初始化CPLD控制參數；對FIFO的讀取；與上位機的TCP/IP通訊；與上位機的串口通訊。對應每個任務，需要編寫相應的應用程序，軟體設計部分的關鍵技術有：
（1）μC/OSII內核向S3C4510B中的移植，要根據處理器的特點合理地修改μC/OSII的3個與處理器相關的文件：OS_CPUH，OS_CPU_AASM，OS_CPU_C.C。主要是將文件中的匯編指令，改為ARM7的匯編指令，並根據CPU的特點對文件中寄存器的初值進行改寫。
（2）內存配置問題。對於存儲器容量的設計，要綜合考慮μC/OSII內核代碼和應用程序代碼的大小。每個任務是獨立運行的，必須給每個任務提供單獨的棧空間（RAM），RAM總量的計算公式為：
RAM總量=應用程序的RAM需求+內核數據區的RAM需求+各任務棧需求之總和+最多中斷嵌套所需堆棧。
（3）TCP/IP協議在μC/OSII中的實現。為了滿足嵌入式設備與Internet網路直接交換信息的要求，在μC/OSII中又移植了LwIP協議棧。
LwIP是瑞士計算機科學院（）的AdamDunkels等開發的一套用於嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP的含義是LightWeight(輕型)IP協議。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIPTCP/IP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的佔用，一般他只需要幾十k的RAM和40k左右的ROM就可以運行，這使LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。
LwIP的特性有：支持多網路介面下的IP轉發；支持ICMP協議；包括實驗性擴展的的UDP（用戶數據報協議）；包括阻塞控制、RTT估算、快速恢復和快速轉發的TCP（傳輸控制協議）；提供專門的內部回調介面（rawAPI）用於提高應用程序性能。
LwIP可以很容易地在μC/OSII的調度下，為系統增加網路通信和網路管理功能。LwIP協議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，他把所有與硬體，OS，編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OSII上的實現就是修改這個目錄下的文件，其他的文件一般不應該修改。在驅動中主要是根據S3C4510B內的乙太網控制特殊功能寄存器，編寫網路介面的處發送包、接收包函數，初始化以及用於乙太網控制器的外部中斷服務程序。