這篇系統(tǒng)工程師論文發(fā)表了μCOSII嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析，利用操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，大大提高?shù)據(jù)傳輸?shù)牡吐蕟栴}，USB總線起到數(shù)據(jù)輸送通道的作用，具有很多優(yōu)勢(shì)，不但安裝方便，不受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且在擴(kuò)展性、傳輸速度、連接距離等方面完全可以滿足要求。

　　關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程師論文,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),軟件程序設(shè)計(jì)

　　引言

　　電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高速、大容量數(shù)據(jù)流和實(shí)時(shí)處理的能力提出了更高要求。其特點(diǎn)在于系統(tǒng)的輸入、處理和輸出等處理階段都具有絕對(duì)的時(shí)間限制，這就對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)傳輸速度提出了更高的要求。采用μCOSII嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，可以避免傳統(tǒng)的單片機(jī)前后臺(tái)系統(tǒng)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的不足。采用USB總線作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)輸送通道。

　　1硬件設(shè)計(jì)

　　LPC2142是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件。整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理單元、AD轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、LCD顯示單元組成。其中信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理，使其符合LPC2142的內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器的要求。AD轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)變，同時(shí)產(chǎn)生10位精度的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過LPC2142處理后以曲線的形式顯示在液晶顯示器上，同時(shí)數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)傳輸單元傳送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步的處理。其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。1.1信號(hào)處理單元由于傳感器輸出的信號(hào)沒有進(jìn)行放大和濾波，模擬信號(hào)不符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的要求。因此在AD轉(zhuǎn)換之前必須得進(jìn)行信號(hào)的處理。該信號(hào)處理模塊采用選頻網(wǎng)絡(luò)的方法把信號(hào)進(jìn)行放大濾波，并且把帶寬調(diào)整到符合AD轉(zhuǎn)換器的頻率范圍。

　　為中心頻率為300MHZ的選頻帶通電路。1.2LPC2142處理芯片本系統(tǒng)的處理器選用LPC2142芯片做控制核心。其128位寬度接口加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率。芯片內(nèi)置的USB2.0全速設(shè)備控制器具有2kB的終端RAM，支持Softconnect特性，并完全兼容USB2.0全速規(guī)范。LPC2142還擁有1個(gè)10位AD轉(zhuǎn)換器，提供總共6路模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us，支持一個(gè)或多個(gè)輸入的突發(fā)轉(zhuǎn)換模式，可以選擇由輸入跳變或定時(shí)器匹配信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換[1]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換單元利用了LPC2142芯片內(nèi)集成的AD轉(zhuǎn)換器。這樣不僅降低了這個(gè)系統(tǒng)的成本，并且也省去了外接AD轉(zhuǎn)換器時(shí)復(fù)雜的引線連接，從而避免了連接缺陷造成的數(shù)字信號(hào)的異常。

　　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸單元也利用了LPC2142內(nèi)置的USB2.0控制器，與其它USB設(shè)備控制器相比，LPC2142USB設(shè)備控制器內(nèi)嵌于CPU芯片內(nèi)部。這種集成的形式不僅使USB設(shè)備控制器與CPU之間的數(shù)據(jù)交換可以穩(wěn)定地達(dá)到很高的速度，而且提高了芯片的性價(jià)比。USB接口電路如圖3所示。1.3LCD顯示單元該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的顯示器使用240×128的點(diǎn)陣LCD顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線的顯示，這樣可以給用戶提供友好的人機(jī)交互界面，使操作更加方便。通過LPC2142處理器的通用I/O口與顯示器接口連接，實(shí)現(xiàn)LPC2142處理器對(duì)LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)與控制，并將處理后的數(shù)據(jù)通傳送給LCD顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線的顯示。

　　2軟件程序設(shè)計(jì)

　　以往的單片機(jī)編程采用前后臺(tái)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在功能較復(fù)雜、程序規(guī)模大，特別是系統(tǒng)中并發(fā)模塊很多的時(shí)候，就顯得力不從心，很難確?？刂?、測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并且程序編寫困難也不便于增加功能。μCOSII是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定和安全性。μCOSII是一個(gè)完整的、可剪裁、容易移植、可固化的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，內(nèi)核大部分以ANSIC為編程語(yǔ)言，廣泛的適合于不同架構(gòu)的微處理器。μCOSII具有源碼公開、移植性好、可剪裁、多任務(wù)、穩(wěn)定和可靠等特點(diǎn)[2]。本程序在μCOSII操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行編程。整個(gè)軟件程序分為4個(gè)任務(wù)：AD控制任務(wù)、LCD控制任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、USB數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。4個(gè)任務(wù)的關(guān)系如圖4。

　　圖4程序任務(wù)圖AD轉(zhuǎn)換任務(wù)控制著LPC2142內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行，它初始化AD轉(zhuǎn)換器并控制采樣的通道選擇和采樣的時(shí)間間隔。當(dāng)它完成一次轉(zhuǎn)換后自動(dòng)向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換消息隊(duì)列發(fā)送10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。而后程序回到程序開始處執(zhí)行下一次的AD轉(zhuǎn)換。LCD控制任務(wù)控制著240×128點(diǎn)陣液晶屏的顯示。在任務(wù)中它首先初始化LCD，然后進(jìn)入死循環(huán)等待數(shù)據(jù)處理消息隊(duì)列的消息，一旦有消息它就把消息取出來(lái)并發(fā)送到LCD上進(jìn)行顯示。

　　之后任務(wù)重新等待消息隊(duì)列中的消息。直到消息隊(duì)列中有了消息程序才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理任務(wù)從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換消息隊(duì)列中取出消息，消息中的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸消息隊(duì)列中。然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理使之能夠在LCD上以曲線的形式進(jìn)行顯示，而后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理消息隊(duì)列中。最后任務(wù)重新回到開始，等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換消息隊(duì)列消息的到來(lái)。USB數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)控制著數(shù)據(jù)的傳輸。它從數(shù)據(jù)傳輸消息隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的處理。該任務(wù)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的部分。為了使軟件易維護(hù)并綜合考慮USB協(xié)議、LPC2142USB的硬件條件后，采用了分層的方法編寫USB程序。USB分層結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　　3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　利用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理特定的模擬信號(hào)，分析出了整個(gè)系統(tǒng)的誤差。從測(cè)試的結(jié)果上看，該系統(tǒng)達(dá)到了±0.4%的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。測(cè)試分析的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

　　4結(jié)論

　　采用高性能的ARM微處理器LPC2142替代了傳統(tǒng)的8位或16位單片機(jī)，使得系統(tǒng)具有了豐富的功能和高效的實(shí)時(shí)處理能力。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOSII，簡(jiǎn)化了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加了模塊化程度，同時(shí)使得功能擴(kuò)展更加容易。LCD液晶提供了友好的顯示界面，增強(qiáng)了人機(jī)交互能力。大量事實(shí)表明用上述方式設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠測(cè)量較寬范圍的模擬信號(hào)，并具有很高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。該系統(tǒng)可以與昂貴的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相媲美，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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　　作者：晏明軍 單位：遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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