基于μc／OS-II和LPC2378微控制器汽車實驗數(shù)據(jù)海量存儲系統(tǒng)的設計

引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展．數(shù)據(jù)的存儲和傳輸在嵌入式系統(tǒng)有了越來越重要的地位。海量數(shù)據(jù)存儲是當前科技發(fā)展中的—個熱點領域．它的應用也變的日益廣泛。

設計嵌入式海量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)首先需要考慮的問題是軟硬件接口的設計。只有軟硬件接口定義清晰．協(xié)同工作順利。才能保證軟件與硬件組合為一個系統(tǒng)。軟硬件接口設計又分為2個具體的問題：一是硬件接口連線的定義是否合理；二是軟件上如何正確地收、發(fā)信息以及交換數(shù)據(jù)。必須選擇合理的CPU來解決這兩個問題。ARM核CPU以其高性能、小體積、低功耗和多供應源的出色結合而著名．它的另—個顯著優(yōu)點是易移植各種嵌人式實時操作系統(tǒng)．對于海量存儲系統(tǒng)，這是非常必要的。此外，SD卡存儲技術．目前設計成熟、應用廣泛目使用極為簡捷。

因此，本設計選擇基于ARM的嵌入式結構作為海量存儲的控制系統(tǒng)．使用高效便捷的CAN-BUS作為數(shù)據(jù)采集通道．采用SD卡作為存儲介質．同時也為以后進一步完善系統(tǒng)功能提供了良好的解決方案。下面將圍繞基于ARM的汽車實驗數(shù)據(jù)海量存儲系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計展開論述。

1 系統(tǒng)硬件設計

1．1 系統(tǒng)總體設計

通過分析系統(tǒng)的功能，根據(jù)模塊的實際需要，設計中選用了具有CAN-BUS以及SD／MMC卡管理功能的高性能ARM處理器：LPC2378。LPC2378是一款基于ARM7的微控制器，十分適用于需要串行通信的場合．且其內部包含CAN通道。所以需要考慮針對CAN總線的接口設計及其隔離電路的設計（詳述見下文）。在它的基礎上．再配上電源以及存儲器等芯片，就構成了一個完整的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1．2 SD存儲卡接口設計

本次方案選定的LPC2378微控制器內部帶有SD卡控制器，支持SD卡的SD總線模式．因此．我們可以直接使用該控制器來訪問卡。接口電路（如圖2所示）包括4個部分：

圖2 SD存儲卡接口電路

1．SD總線：如圖所示。微控制器的P0.22、P2.11、P2.12、P2.13、P0.20根據(jù)引腳功能．直接連接到卡座的相應接口。

2．SD卡ESD保護電路：如圖所示．在卡座的數(shù)據(jù)總線DAT0-DAT3、時鐘線CLK和命令線CMD上．使用了—個ESD保護器件PESD5VOL6U。這是—個專用于SD／MMC卡的ESD保護器件。它的作用是：當卡插人或拔出時，保護卡不受高壓靜電的損害。

3．卡供電控制：用可控方式給卡供電，這是為了防止SD卡進入不確定狀態(tài)時，可以通過重新上電給卡復位。可控電路采用P型MOS管2SJ355．由ARM的GPIO口 P0.25進行控制。當P0.25輸出高電平時。2SJ355斷開卡的電源；當P0.25輸出低電平時，2SJ355導通VCC3．3電源給卡供電。采用2sJ355的目的是當它開通時。管子上的壓降比較?。诒ＷCSD／MMC卡工作允許電壓的情況下。也可以使用其它P型的MOS管。

4．卡檢測電路：卡檢測電路包括兩部分．卡是否完全插入到卡座中和卡是否寫保護。檢測信號以兩個引腳的電平方式輸出。當卡插入到位時．卡座的CARD—INSERT腳由于卡座內部觸點連接到GND，輸出低電平：當卡拔出時．該引腳由于上掩電阻的存在而輸出高電平。該輸出由ARM的輸入引腳P2．5來檢測?？ㄊ欠駥懕Ｗo的檢測原理與此相同。

2 系統(tǒng)驅動程序設計

鑒于本系統(tǒng)的高實時性要求．在模塊軟件設計前首先在LPC2378上移植了μC／OS-II。μc／OS-II是一個高性能的嵌入式實時操作系統(tǒng)。能高效地實現(xiàn)任務切換、任務調度、任務問通信、同步、互斥、實時時鐘管理、中斷管理等功能。μC／OS-II也是—個移植性很強的操作系統(tǒng)．系統(tǒng)移植時只需要修改和硬件有關的源代碼即可。

2．1 系統(tǒng)軟件流程

使用定時中斷方式采集CAN總線中的數(shù)據(jù)。在μC/OS-Ⅱ主函數(shù)中建立一個空閑任務TASK0．配置和初始化定時器0和實時時鐘，啟動多任務操作系統(tǒng)．并記錄其啟動時間。接著在TASK0任務中初始化ADC、定時器等系統(tǒng)硬件，創(chuàng)建控制、存儲采樣信息的信號量和消息郵箱．并創(chuàng)建SD卡文件寫入任務、采樣任務和FS文件管理系統(tǒng)任務。其中，文件管理任務的優(yōu)先級最高．SD卡寫入任務最低。而采樣任務是由中斷服務程序（ISR）控制的．定時器時間到后，觸發(fā)中斷，ISR即發(fā)送信號量給采樣任務，隨即開始一次硬件采樣。SD卡文件寫入任務和采樣任務的流程圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 SD卡文件寫入任務流程圖

圖4 采樣任務流程圖

在采樣中有兩個問題需要注意．首先是所有的采樣值都必須加上采樣時問的數(shù)據(jù)，方便后期的實驗結果分析．所以在硬件設計中使用到了LPC2378的實時時鐘功能（RTC）。第二個問題是FS文件系統(tǒng)管理任務在控制SD卡寫入任務時．是以ASCII碼的形式往SD卡中寫入數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)存儲前比較將A/D采樣結果轉換成ASCⅡ碼。

2．2 CAN總線初始化設計

CAN控制器的寄存器比較多．但其通信流程與常規(guī)通信接口UART大體是一致的．所以初始化CAN的過程，包括對CAN的時鐘頻率．CAN的引腳一級波特率的設置等。需要注意的是。所有設置必須要在CAN控制器處于復位模式下時進行。

初始化CAN控制器使用函數(shù)CAN_Init（）．它包括了兩路的CAN控制器的同時配置。

CAN總線的初始化程序關鍵代碼：

void CAN_Init（unsigned char Ch，unsigned long Baud）

{

unsigned long addr

/*配置CAN控制器引腳*/

PCONP |=0x01L《《13； /*打開CAN控制器電源*/

PINSEL0&=~（Ox03L《《0）; /*通道IRD*／

PINSEL0 |=（0xO1L《 PINSEL0＆=~（Ox03L《《2）； /*通道ITD*/

PINSEL0 |=（0x01L《《2）;

。。.

addr=（unsigned long）（&CAN1BTR）+Ch*CANOFFSET；

RGE（addr）=Baud； /*獲取CH路的CANIBTR寄存器地址．并設定波特率*/

。。.

}

2．3 SD/MMC接口的初始化設計

SD接口的初始化在TASK0任務中進行．其功能通過調用SDCammand函數(shù)實現(xiàn)。SDCammand函數(shù)包括底層SD驅動程序和操作系統(tǒng)上層接口程序。SDCammand函數(shù)的關鍵代碼如下：

uint16 SDCammand（uint8 Cammand，void * Parameter）

{

/*定義相關變量*/

switch（cammand）

{

case DISK_INIT： /*設備初始化*/

SD_Initialize（&sds）； /*完成SD卡的硬件初始化*/

case DISK_CLOSE： /*關閉驅動器．移除驅動程序*/

case DISK_READ_SECTOR：?/*讀扇區(qū)*/

case DISK_WRITE_SECTOR：?/*寫扇區(qū)*/

。。.

}

retum rt； /*rt負責返回各種底層驅動返回值*/

}

3 結語

詳細論述了基于ARM的汽車實驗數(shù)據(jù)海量存儲系統(tǒng)的軟件和硬件設計．該系統(tǒng)在以LPC2378微處理器和μC／OS一Ⅱ操作系統(tǒng)組成的平臺上完成了對汽車同步器實驗臺各項參數(shù)的采集、處理、存儲等功能。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、實時性強、設計簡單．在實際應用中已達到了預期的效果。文中所述海量存儲系統(tǒng)也可應用于其它需要大量數(shù)據(jù)處理的工控實驗場合．具有參考意義。

本文作者創(chuàng)新點：1、采用LPC2378為系統(tǒng)控制單元核心；2、采用便攜，成本低廉的SD卡作為海量存儲單元；3、經實踐測試．本系統(tǒng)完全可應用于各類汽車工控實驗數(shù)據(jù)的存儲，經濟效益可觀。

責任編輯：gt