基于LPC2220微處理器和uC／OS—II實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄儀的設計

1 引言

數(shù)據(jù)采集記錄儀在工業(yè)控制領域中有著十分重要的意義。在許多工業(yè)場合。尤其是對于一些分散的、無人值守的現(xiàn)場．需要對數(shù)據(jù)進行定時采集以便及時了解現(xiàn)場的情況．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來實現(xiàn)．其缺陷是明顯的．如系統(tǒng)資源短缺、指令不夠精簡、CPU操作頻率低等，大大地限制了其使用場合。現(xiàn)在廣泛使用的是ARM和PC機通過串行口構成的多微機監(jiān)測系統(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，并結合uC／OS—II嵌入式實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有良好的環(huán)境適應性、多儀器間的精確同步性、人機交互性、穩(wěn)定性、高效性，很適合運用于電化學實驗、腐蝕測量工程等領域。

2 系統(tǒng)總體結構設計

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)存儲傳輸。本文主要介紹數(shù)據(jù)采集模塊的設計與實現(xiàn)。整個系統(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．采集時間為100ms~255h．并連續(xù)記錄ON、OFF電位至少24小時（不需要記錄整個波形）：同時由于本數(shù)據(jù)采集記錄儀是一個多儀器系統(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，秒鐘記錄一次測試時間（GPS時間）。并將此時間與其它儀器記錄時間相比。其它儀器記錄時間用GPS同步。同時，該系統(tǒng)要求支持本地數(shù)據(jù)存儲和u盤數(shù)據(jù)保存功能．且u盤數(shù)據(jù)保存的可存儲容量取決于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

結合圖1，可得整個系統(tǒng)的實現(xiàn)方案．如下：

1）與硬件平臺相關的軟件部分分析與實現(xiàn)，并編寫相應的底層函數(shù)：

2）進行uC／OS—II嵌入式實時操作系統(tǒng)在LPC2220微處理器的移植：

3）系統(tǒng)各功能模塊的分析與實現(xiàn)：

4）系統(tǒng)調試及改進。

該系統(tǒng)采用uC／OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)作為中問件，并將與硬件平臺相關的部分與相應功能模塊的實現(xiàn)隔離開來，盡可能地實現(xiàn)硬件與軟件分開．這樣方便進行系統(tǒng)設計。uC／OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)是一個多任務的實時內核，其允許建立多達63個用戶任務．并根據(jù)程序建立和運行的情況．決定在什么時候從一個任務切換到另一個任務。同時。任務的優(yōu)先級也是uC／OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)必須得到的信息之一。具體的任務劃分如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)任務劃分圖

3 數(shù)據(jù)采集模塊原理與底層設計

3．1 采集信號分析

由于本數(shù)據(jù)采集記錄儀主要應用于電化學實驗及腐蝕測量工程中．其對信號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，自動檔量程預選；

3） 4路通用10位AD．范圍0~5v（預留）。

信號的采集過程為：首先采集并存儲128個信號采樣點，計算并存儲此128個信號采樣點中8個連續(xù)數(shù)據(jù)點的“斜率”。8個連續(xù)數(shù)據(jù)點的“斜率”計算算法為：首先每2個連續(xù)數(shù)據(jù)點計算一次斜率K1=（Y1-Y2）/（X1-X2）．一次循環(huán)后得到4個斜率．對4個斜率取平均值并將此作為8個連續(xù)數(shù)據(jù)點的“斜率”。然后對前后一段時間的斜率的大小與走勢進行比較．并根據(jù)相應的閾值來確定ON／OFF電位的位置。

3．2 數(shù)據(jù)采集

由于LPC2220內部提供一個8路10位A／D轉換器．且轉換時間低至2．44us捕足該系統(tǒng)對信號采集的基本要求。因此在進行數(shù)據(jù)采集的時候．就直接利用其內部提供的A／D轉換器。LPC2220擁有一個10位8路A／D轉換器．A／D轉換器的基本時鐘由VPB時鐘提供．每個轉換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調整至逐次逼迫轉換所需的4．5MHz（最大）。完全滿足精度要求的轉換需要11個轉換時鐘。

此MD轉換器的主要特性如下：

* 1個10位逐次逼近式模數(shù)轉換器：

* 具有掉電模式：

* 10位轉換時間小于2．44μs；

* 一個或多個輸入的Burst轉換模式：

啟動A／D轉換器的方式非常靈活．既可以單路軟件啟動，也可以設置為BURST模式對幾路信號逐個循環(huán)采樣。與其他LPC2000系列單片機相比．LPC2220增加了獨立的基準電壓源引腳．這對提高轉換精度很有利。

由于被采集信號相對較復雜，且在ON／OFF電位處可能有較大的紋波，而實驗證明最大程度的硬件濾波也無法達到非常理想的要求，因此必須使用軟件濾波來減少紋波對信號采樣的影響．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／算術平均濾波法、消抖，消抖平均濾波法、加權遞推，加權遞推平均濾波法等。該系統(tǒng)主要采用中值平均濾波法與算術平均濾波法相結合的方法。

與數(shù)據(jù)采集有關的函數(shù)調用如下：

void ADInit（uint8 channel） //ADC初始化

uint32 ADRead（uint8 channel） //切換到ADC的任何一個通道并讀取轉換數(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)采集模塊測試

將系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊輸入端連接到現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)輸出端．并結合ADSI．2中的AXD調試環(huán)境針對用戶的相應操作對整個系統(tǒng)進行調試。測試結果如下：

1） 單通道數(shù)據(jù)采集測試結果及分析：單通道數(shù)據(jù)采集結果1如圖4（a），ON電位為-0559.0mV，OFF電位為-0594.OmV，測量長度為00000000.4 S。數(shù)據(jù)采集結果2如圖4（b）。上一次ON電位為-0589.0mV．OFF電位為-0584.0mv：當前ON電位為-0492.2mV．OFF電位為-0492.4mV．測量長度為00013467.8m。測試結果符合信號要求。

2） 四通道數(shù)據(jù)采集測試結果及分析：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測量長度為147879221m。四個通道數(shù)據(jù)都正常．偏離實際信號數(shù)據(jù)在誤差范圍內。

圖4 單通道數(shù)據(jù)采集結果

圖5 四通道數(shù)據(jù)采集結果

4 結束語

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．結合uC／OS一Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)和GPS全球定位系統(tǒng)實現(xiàn)對工業(yè)信號進行采集、記錄、傳輸（無線與有線）、顯示等功能。并具有以下創(chuàng)新點：

1）結合uCOS嵌入式實時操作系統(tǒng)進行系統(tǒng)設計．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)技術輔助系統(tǒng)功能設計．可以實現(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)存儲與轉存接口；

4）提供Zigbee無線通訊，可以多系統(tǒng)組網，相互協(xié)調運作。

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

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