基于LPC2220微處理器和uC／OS—II實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄儀的設(shè)計(jì)

1 引言

數(shù)據(jù)采集記錄儀在工業(yè)控制領(lǐng)域中有著十分重要的意義。在許多工業(yè)場(chǎng)合。尤其是對(duì)于一些分散的、無人值守的現(xiàn)場(chǎng)．需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集以便及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的情況．并根據(jù)情況發(fā)送控制命令。以前這些系統(tǒng)大多采用普通的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)．其缺陷是明顯的．如系統(tǒng)資源短缺、指令不夠精簡(jiǎn)、CPU操作頻率低等，大大地限制了其使用場(chǎng)合?，F(xiàn)在廣泛使用的是ARM和PC機(jī)通過串行口構(gòu)成的多微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．但仍存在問題，比如多儀器問的精確同步。

本文提出了一種基于ARM和GPS（Global Positioning System）的數(shù)據(jù)采集記錄儀，并結(jié)合uC／OS—II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、多儀器間的精確同步性、人機(jī)交互性、穩(wěn)定性、高效性，很適合運(yùn)用于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、腐蝕測(cè)量工程等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集記錄儀主要包括兩大部分：數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸。本文主要介紹數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

該系統(tǒng)要求采集4路電壓通路．采集時(shí)間為100ms~255h．并連續(xù)記錄ON、OFF電位至少24小時(shí)（不需要記錄整個(gè)波形）：同時(shí)由于本數(shù)據(jù)采集記錄儀是一個(gè)多儀器系統(tǒng)，要求所有儀器都能夠精確同步。因此．該系統(tǒng)要求每分鐘，秒鐘記錄一次測(cè)試時(shí)間（GPS時(shí)間）。并將此時(shí)間與其它儀器記錄時(shí)間相比。其它儀器記錄時(shí)間用GPS同步。同時(shí)，該系統(tǒng)要求支持本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和u盤數(shù)據(jù)保存功能．且u盤數(shù)據(jù)保存的可存儲(chǔ)容量取決于u盤的整體容量：該系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)通訊功能。如Zigbee通訊、SPI總線接口通訊、I2C總線接口通訊、UART異步串行通訊。

圖1 數(shù)據(jù)采集記錄儀的功能模塊圖

結(jié)合圖1，可得整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案．如下：

1）與硬件平臺(tái)相關(guān)的軟件部分分析與實(shí)現(xiàn)，并編寫相應(yīng)的底層函數(shù)：

2）進(jìn)行uC／OS—II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在LPC2220微處理器的移植：

3）系統(tǒng)各功能模塊的分析與實(shí)現(xiàn)：

4）系統(tǒng)調(diào)試及改進(jìn)。

該系統(tǒng)采用uC／OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為中問件，并將與硬件平臺(tái)相關(guān)的部分與相應(yīng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)隔離開來，盡可能地實(shí)現(xiàn)硬件與軟件分開．這樣方便進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。uC／OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，其允許建立多達(dá)63個(gè)用戶任務(wù)．并根據(jù)程序建立和運(yùn)行的情況．決定在什么時(shí)候從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)。同時(shí)。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)也是uC／OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須得到的信息之一。具體的任務(wù)劃分如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)任務(wù)劃分圖

3 數(shù)據(jù)采集模塊原理與底層設(shè)計(jì)

3．1 采集信號(hào)分析

由于本數(shù)據(jù)采集記錄儀主要應(yīng)用于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)及腐蝕測(cè)量工程中．其對(duì)信號(hào)采集與記錄上有較高的要求．如下：

1） 3路直流0～±2．5V。14~16bit，分辨值0．1mV；

2） 1路交流0~±40v 14~16bit，分辨值0．1mV，自動(dòng)檔量程預(yù)選；

3） 4路通用10位AD．范圍0~5v（預(yù)留）。

信號(hào)的采集過程為：首先采集并存儲(chǔ)128個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)，計(jì)算并存儲(chǔ)此128個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)中8個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的“斜率”。8個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的“斜率”計(jì)算算法為：首先每2個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算一次斜率K1=（Y1-Y2）/（X1-X2）．一次循環(huán)后得到4個(gè)斜率．對(duì)4個(gè)斜率取平均值并將此作為8個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的“斜率”。然后對(duì)前后一段時(shí)間的斜率的大小與走勢(shì)進(jìn)行比較．并根據(jù)相應(yīng)的閾值來確定ON／OFF電位的位置。

3．2 數(shù)據(jù)采集

由于LPC2220內(nèi)部提供一個(gè)8路10位A／D轉(zhuǎn)換器．且轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2．44us捕足該系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集的基本要求。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候．就直接利用其內(nèi)部提供的A／D轉(zhuǎn)換器。LPC2220擁有一個(gè)10位8路A／D轉(zhuǎn)換器．A／D轉(zhuǎn)換器的基本時(shí)鐘由VPB時(shí)鐘提供．每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)可編程分頻器，可將時(shí)鐘調(diào)整至逐次逼迫轉(zhuǎn)換所需的4．5MHz（最大）。完全滿足精度要求的轉(zhuǎn)換需要11個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。

此MD轉(zhuǎn)換器的主要特性如下：

* 1個(gè)10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器：

* 具有掉電模式：

* 10位轉(zhuǎn)換時(shí)間小于2．44μs；

* 一個(gè)或多個(gè)輸入的Burst轉(zhuǎn)換模式：

啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器的方式非常靈活．既可以單路軟件啟動(dòng)，也可以設(shè)置為BURST模式對(duì)幾路信號(hào)逐個(gè)循環(huán)采樣。與其他LPC2000系列單片機(jī)相比．LPC2220增加了獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓源引腳．這對(duì)提高轉(zhuǎn)換精度很有利。

由于被采集信號(hào)相對(duì)較復(fù)雜，且在ON／OFF電位處可能有較大的紋波，而實(shí)驗(yàn)證明最大程度的硬件濾波也無法達(dá)到非常理想的要求，因此必須使用軟件濾波來減少紋波對(duì)信號(hào)采樣的影響．具體濾波方法主要有中值／中值平均濾波法、限幅，限幅平均濾波法、算術(shù)／算術(shù)平均濾波法、消抖，消抖平均濾波法、加權(quán)遞推，加權(quán)遞推平均濾波法等。該系統(tǒng)主要采用中值平均濾波法與算術(shù)平均濾波法相結(jié)合的方法。

與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的函數(shù)調(diào)用如下：

void ADInit（uint8 channel） //ADC初始化

uint32 ADRead（uint8 channel） //切換到ADC的任何一個(gè)通道并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

void ADProcessfuint8*data） //數(shù)據(jù)處理與ON／OFF電位確定

數(shù)據(jù)采集模塊基本流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊基本流秤圖

3．3 數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)試

將系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊輸入端連接到現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)輸出端．并結(jié)合ADSI．2中的AXD調(diào)試環(huán)境針對(duì)用戶的相應(yīng)操作對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。測(cè)試結(jié)果如下：

1） 單通道數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果及分析：?jiǎn)瓮ǖ罃?shù)據(jù)采集結(jié)果1如圖4（a），ON電位為-0559.0mV，OFF電位為-0594.OmV，測(cè)量長(zhǎng)度為00000000.4 S。數(shù)據(jù)采集結(jié)果2如圖4（b）。上一次ON電位為-0589.0mV．OFF電位為-0584.0mv：當(dāng)前ON電位為-0492.2mV．OFF電位為-0492.4mV．測(cè)量長(zhǎng)度為00013467.8m。測(cè)試結(jié)果符合信號(hào)要求。

2） 四通道數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果及分析：四通道數(shù)據(jù)采集如圖5所示通道1數(shù)據(jù)為--0848inV．通道2數(shù)據(jù)為--0726mV，通道3數(shù)據(jù)-0023mV．通道4數(shù)據(jù)為-0152mv測(cè)量長(zhǎng)度為147879221m。四個(gè)通道數(shù)據(jù)都正常．偏離實(shí)際信號(hào)數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)。

圖4 單通道數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖5 四通道數(shù)據(jù)采集結(jié)果

4 結(jié)束語

本數(shù)據(jù)采集記錄儀在LPC2220微控制器的硬件系統(tǒng)支持下．結(jié)合uC／OS一Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和GPS全球定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)信號(hào)進(jìn)行采集、記錄、傳輸（無線與有線）、顯示等功能。并具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）結(jié)合uCOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)．可以更大程度地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性、智能性及降低系統(tǒng)開發(fā)的難度：

2）采用GPS全球定位系統(tǒng)技術(shù)輔助系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)．可以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的精確同步，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3）提供多種形式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)存接口；

4）提供Zigbee無線通訊，可以多系統(tǒng)組網(wǎng)，相互協(xié)調(diào)運(yùn)作。

本文重點(diǎn)介紹的數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀的重要組成部分，具有高效性、高速性、實(shí)時(shí)性、智能性，精確同步性等特點(diǎn)。

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