作者：安徽工商职业学院 张春芳 康震群
数据收集体系是经过采样电路将输入的模拟信号转化成离散信号，并送入CPU、MCU或DSP进行处理。现在盛行的依据PCI总线规划的收集卡是数据收集体系的干流，其长处是能够运用PCI总线的研究成果快速的开发体系软件，全体运转速度快，能够完结实时收集实时处理。但在一些工业测控现场检测大型设备时，从现场到机房有必定的间隔，模拟信号传到安装在PC内的PCI数据收集卡会有不同程度的衰减，且易受工业环境的搅扰。而单纯用由微操控器（MCU）为中心的数据收集体系时，把数据收集器置于被监测的设备处，尽管能够防止模拟信号的衰减和被搅扰，但在这种数据收集体系中，A/D转化器的发动、读取数据并存入到存储器的整个进程由MCU来参加操控，因为受MCU履行指令时刻的约束，收集的速率较低，难以习惯高速信号收集的需求。本文运用ARM微处理器和CPLD器材组成的现场数据收集体系，然后经过以太网接口于上位机相连，就能够有用处理上述问题。
体系的规划方案
整个数据收集体系如图1所示。数据收集体系首要对收集的信号进行前端处理，如信号扩大、滤波等预处理。选用的CPLD器材完结整个体系的操控逻辑，它操控着收集通道的切换、A/D转化的起/停、转化后的数据存放在存储单元的地址发生器、发生中止请求以告诉ARM读取存放在存储器中的数据，由ARM微处理器进行快速的处理和传输。 
图1 数据收集体系框图
1 信号调度模块
在信号进行数模转化前，在确保被收集信号不失真的前提下，对输入的信号进行扩大、滤波等预处理。高速数据收集体系的输入信号一般为高频信号，需求进行阻抗匹配和前置扩大，能够选用高速低噪声信号前置扩大器和信号变压器。信号前置扩大器的优势是：扩大系数可变，信号输入的动态规模大，还能够装备成有源滤波器。但扩大器的最高作业频率和作业宽带有必要满意体系规划的需求，防止信号失真，一起应该考虑扩大器引进的噪声丢失，为防止对A/D转化器功用的晦气影响，前置扩大器的信噪比应远大于A/D转化器的信噪比。当频率远远大于100MHz时，尽可能选用信号变压器，其功用指标（如最高作业频率和作业带宽）优于信号扩大器，并且信号失真很小，但信号扩大系数固定，输入信号的起伏受到约束。该规划中选用前置扩大器,其前端的信号调度电路如图2所示。
2 A/D转化模块
将接连信号转化成离散信号从而转化成数字信号以适用于处理的重要芯片是A/D转化器。一般的逐次逼进型A/D转化芯片的转化速度最多在每秒钟几万次，不能满意高速采样的要求。该规划中挑选TI公司的TLC5540高速模数转化芯片，其具有8位分辨率，内置采样和坚持电路，该芯片选用一种改善的半闪结构、CMOS工艺制作，因而大大削减了器材中比较器的数量，并且在高速转化的一起，能够坚持低功耗，转化速率可达40Mb/s。
TLC5540以流水线的作业方法进行作业，在每一个CLK周期均发动一次采样，完结一次采样，每次发动采样是在CLK的下降沿进行，第n次采样的数据经过3个时钟周期的推迟之后，送到内部数据总线上，所以体系刚发动时读取的3个数据是无效数据，在软件规划时，有必要扔掉体系发动时读取的前3个数据。
3 CPLD模块
该规划中选用ALTERA公司的EPM7128S, 它完结整个体系的操控逻辑。主要有下面几个操控模块电路构成：
● 时钟操控电路，供给A/D转化器的时钟信号（ACLK）,该信号一起供给了给存储器的WR,以操控整个体系的采样频率。
● 地址发生电路，生成SRAM的地址操控信号，每写完一次SRAM, 地址主动加1。
● 地址总线切换电路，对内部地址发生器和LPC2214发生的两组地址进行切换，供给给存储器。当处于写存储器时，存储器的地址由内部地址发生器发生；当处于LPC2214读存储器时，存储器的地址由LPC2214的地址总线供给。
● 数据总线切换电路，对A/D的数据线和LPC2214的数据总线进行切换，当写数据时，使数据从A/D输出到存储器，读数据时，使数据从存储器读到LPC2214的数据总线。
● 地址译码及逻辑操控电路，完结对体系地址总线的译码，发生各种有必要的操控信号。 
图2 信号调度电路
4 MCU模块
该规划中选用Philips公司的LPC2214的微处理器，用它来对收集到的数据进行存储、显现、处理操作，并作为体系与上位机交流的桥梁。LPC2214是依据ARM7TDMI核的RISC微处理器，ARM7TDMI为低功耗、高功用的16/32位核，最适合对价格及功耗灵敏的场合。LPC2214在ARM7TDMI核的基础上扩展了一系列通用外围器材，使其特别适用于工业操控、医疗体系、拜访操控，因为内置了宽规模的串行通讯接口，使其也十分适用于通讯网关、协议转化器、嵌入式软MODEM以及其他类型的运用。
5 ARM与网卡芯片接口规划
为使收集到的数据或处理后的数据传送到上位机，需在体系中添加以太网接口，一般有两种办法：（1）ARM微处理器＋网络操控器，这种办法对处理器没有特别的要求，只要把以太网芯片衔接到处理器的总线上即可，此办法的通用性较强，不受处理器的约束；（2）选用带以太网接口的ARM微处理器，但一般这种处理器往往是面向网络运用而规划的，不是特别适用于工业范畴。故该规划中选用榜首种办法。
网路操控器RTL8019AS是现在比较常用的10Mb/s嵌入式以太网操控芯片，在芯片内部集成了DMA操控器，ISA总线操控器和16KB SRAM，网路PHY收发器。用户能够经过DMA方法把需求发送的数据写入片内SRAM中，让芯片主动将数据发送出去；而芯片在接受到数据后，用户也能够经过DMA方法将其读出。
体系根本作业原理
数据收集器置于被监控的设备处，对传送过来的模拟信号进行信号调度，LPC2214发动体系数据收集，CPLD操控器输出一个脉冲给A/D转化器的CLK端，使其开端第n次A/D转化，一起将CPLD内部地址发生电路发生的地址信号经地址挑选器直接送到存储器，A/D转化器所收集到的第n-3次的数据经数据总线直接输入到存储器中保存。
因为采样频率高，用CPLD将采样数据存储到两路同步动态存储器（SDRAM）中。CPLD先把收集到的数据以DMA的方法存储到A路SDRAM中。 等数据写满A路SDRAM后，由CPLD器材引起LPC2214外部中止，LPC2214进入中止处理程序，读取SDRAM中的数据，并进行处理，一起CPLD将接下来收集到的数据以DMA的方法存储到B路SDRAM中, 等存储器B数据装满后，CPLD器材引起LPC2214外部中止，LPC2214进入中止处理程序，读取B路SDRAM中的数据，并进行处理，如此循环下去，完结数据的接纳和传输并行。
能够看到ARM微处理器只操控数据收集的发动和对收集到的数据进行快速处理和传输，在数据收集的进程中，ARM微处理器不对收集通道进行任何操控，完全由硬件主动完结数据收集的全进程，完结了高速数据收集的意图。
体系软件规划
软件部分要别离编写LPC2214的处理模块程序和CPLD的操控模块程序，LPC2214的程序包含嵌入式操作体系μC/OS-II和各运用程序的编写，CPLD操控模块程序用VHDL言语来完结。
在编写处理器的处理程序时，如选用单使命次序机制，体系的安全性差，这关于稳定性、实时性要求高的数据收集体系是不允许的，因而依据整个设备完结的功用和对它的要求进行体系使命的切割，并分配优先级，由操作体系来进行办理调度。本规划选用μC/OS-II操作体系，μC/OS-II V2.52已经过美国航空航天办理局（FAA）的安全认证，其选用优先级调度算法完结使命间的调度，支撑抢占式调度，具有履行效率高、占有空间小、实时功用优秀和扩展性强等特色，其内核还供给信号量、音讯邮箱、音讯行列、内存办理等体系服务。程序架构如图3所示。
图3 程序架构图
依据运用，本体系分为以下几个使命：软复位使命（程序对体系初始状况进行从头设定），对SDRAM的读取、与上位机的TCP/IP通讯、显现使命、键盘办理使命和数据处理使命，使命间的通讯经过音讯行列来完结。体系中的每个使命包含运用程序、使命仓库和使命操控块三部分。使命操控块是一个数据结构，当使命的CPU运用权被掠夺时，μC/OS-II用它来保存该使命的状况，当使命从头取得CPU的运用权时，使命操控块能确保使命从被中止的那一点履行下去，操作体系能够经过查询使命操控块的内容从而对使命进行调度办理。
在用μC/OS-II作为内核来编写数据收集体系体系的运用软件之前，有必要完结μC/OS-II在微处理器的移植作业，因为μC/OS-II在规划之初就充分考虑了在不同处理器上的移植问题，其结构化规划把与处理器相关的部分分离出来，因而在任何处理器上的移植 μC/OS-II都只需求关怀三个文件：头文件OS_CPU.H、文件OS_CPU_C.C和汇编文件OS_CPU_A.ASM。
为了满意体系与以太网直接交流信息的需求，本规划在μC/OS-II中移植了LWIP（Light Weight IP轻型IP协议）协议栈。LWIP是瑞士计算机科学院Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式体系的开放源代码TCP/IP协议栈。LWIP能够移植到操作体系上，也能够在无操作体系的情况下运转，LWIP完结的重点是在坚持TCP协议主要功用的基础上削减对RAM的占用，一般它只需求几十字节的RAM和40Kb左右的ROM就能够了。
LWIP能够很容易地在μC/OS-II的调度下，为体系添加网络通讯和网络办理功用。LWIP把一切与硬件、操作体系、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下，因而LWIP在 μC/OS-II上的移植修正这个目录下的文件即可。
定论
在ARM微处理器中移入嵌入式实时操作体系μC/OS-II，使体系的稳定性、实时性得到确保，实时操作体系将运用分解成多使命，简化了运用体系软件的规划；选用CPLD器材集成了电路的悉数操控功用，摆脱了单纯用由微操控器为中心的数据收集体系时的速度瓶颈，极大提高了数据收集速度。整个体系具有速度高、实时性好、抗搅扰能力强、性价比高级特色。
