忠欣之基于S3C44BOX的数据采集系统设计

基于S3C44BOX的数据采集系统设计在对基于S3C44BOX的数据采集系统设计中，本文从系统硬件和系统软件两个方面进行设计，下面就从这两方面进行阐述。1数据采集系统的硬件设计硬件平台主要包括：CPU模块、存储系统模块、数据采集模块、人机接口模块以及串行通信模块，如图l所示。图1数据采集系统硬件总体结构图1.1CPU模块在硬件设计中，CPU的选择即ARM微处理器的选型，是整个硬件系统设计的核心，对于整个硬件系统的正常工作起着至关重要的作用。系统主要硬件组成如图1所示，其核心部分是微处理器S3C44BOX。S3C44BOX这是一款基于ARM7TDMI内核技术的16/32位RISC处理器，扩展了一系列完整的通用外围器件，使系统的费用降至最低，减低了硬件开发的难度。本嵌入式系统配置了2MB的FLASH存储器以及8MB的SDRM存储器。S3C44BOX是在国内广泛使用的Samsung公司的基于ARM7TDMI内核的SOC。该芯片功能强大，为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。它的低功耗和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。SAMSUNG公司推出的16、32位RISC处理器S3C44BOX为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降低成本，S3C44BOX提供了丰富的内置部件，包括8KBCache和内部SRAM,LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器）。带PWM功能的5通道定时器和一个内部定时器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，IIC_BUS接口，IIS_BUS接口，同步SIO接口和PLL倍频器。CPU模块除了嵌入式微处理器S3C44BOX外，还包括相应的电源、复位与时钟模块以及FLASH、PSRAM和LCD液晶显示屏等。S3C44BOX控制数据采集模块对的输入模拟量、开关量进行采集，将采集来的数据放在存储系统模块中。S3C44BOX可响应键盘命令输入和控制LCD液晶显示，将测量后的各种信号加以显示，同时还可以通过RS485串行接口将监测信息等传递给上位机，供系统进行实时信号采集与显示并适当控制。1.2数据采集模块数据采集模块的组成框图如图2所示。在被采集的多个模拟信号中，相互之间无严格时间关系的可逐个采集，相互之间在时间和相位上有严格要求的采用同步(同时)采集。此外，根据被采集的信号的变化率不同，使用不同输入通道。本设计将整个数据采集模块分为信号调理和采集两大功能模块。性质相近的信号通图2数据采集模块组成框图过多路开关至同一信号调理电路，调理电路的输出再经过多路选择、信号采集、AD转换。信号调理模块包括多路放大、信号调理(电流．电压、脉冲．电压转换等)电路；采集模块包括多路转换、程控放大、采样保持、A／D转换和数据存储等电路，这些都由S3C44BOX控制实现。数据采集部分把模拟电压信号输入到S3C44BOX的A／D转换通道；数据处理部分包括S3C44BOX、FLASH存储器、SDRAM，该部分主要是对采集到的数据进行平均滤波，然后进行相应转换，以便于实时显示；数据显示部分包括S3C44BOX的LCD控制器和LCD屏，主要是在LCD屏上实时显示采集到的数据。系统的数据采集功能是由S3C44BOX内部模／数转换器(ADC)来完成的，它是一个10位、逐次逼近型的ADC，有8路模拟信号输入，其内部结构中包括模拟输入多路复用器，自动调零比较器，时钟产生器，10位逐次逼近寄存器(SAR)，输出寄存器，如图3所示。这个ADC还提供可编程选择的睡眠模式，以节省功耗。S3C44BOX内部有图3S3C44BOX内部ADC结构图3个与A／D转换有关的寄存器：控制寄存器ADCCON、预分频寄存器ADCPSR、数据寄存器DCDAT，其中最复杂的是ADCCON，其功能描述如表1所示。表1ADCCON寄存器1.3存储系统模块存储系统采用4M的SDRAM、4M的FLASH。SDRAM（同时的DRAM，即同步DRAM），即与系统时钟同步工作的动态存储器。系统时钟除了控制CPU，还要控制SDRAM的速度。SDRAM采用Multiple-Memory-Banks设计，存取效率成倍提高，可以直接读取芯片内存储器的数据，速度比较快。应用程序可以直接在FLASH闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。本系统设计采用一款4M*16位的SDRAM(HY57V65160B)作为系统储存模块。系统设计如图4所示。图4系统储存模块图示1.4人机接口模块人机接口模块主要包括：键盘接口电路、液晶显示电路。键盘接口电路采用4*4矩阵键盘电路，此电路的优点是比较节省I／O口线，并且接口简单。进行键盘扫描时将行线逐行置成低电平，然后读取列线状态，直到列线中出现低电平，便可知哪一列是低电平。然后将列线与行线的状态装入键码寄存器，进行按键译码，得到按下按键的相应编码，从而完成按键扫描的过程。本文选用LM057QC1T01液晶模块，LM057QC1T01是夏普公司生产的图形点阵256色STN液晶模块，它的分辨率为320×240，由于它具有接口简单、工作稳定和便于操作等特点。人机接口模块与核心控制器的连接如图5所示。图5系统人机接口设计1.5串行通信模块通用异步收发器UART(即UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)是用硬件实现异步串行通信的接U电路。UART异步串行通信接口是嵌入式系统最常用的接口，可用来与上位机或其它外部设备进行数据通信。本设计采用RS485标准，该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接；RS-485的数据最高传输速率为10Mbps；RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。系统设计如图6所示。图6系统串口通信设计图示2数据采集系统的软件设计本文软件设计主要介绍总体、数据采集模块以及串行通信模块软件的设计。2.1总体软件软件总体结构如图3所示，包括驱动程序层、应用任务层和CPU图3数据采集系统总体软件结构图任务调度。系统首先执行驱动程序层，根据硬件系统的设计，对各部分硬件编写驱动程序，以便于被任务程序层调用，主要包括：I／O驱动、LCD驱动、ADC驱动和串口驱动等。最后是应用任务层，采用静态优先权，即各任务根据各自在创建时分配的优先级依次进入运行状态，运行完之后放弃CPU的使用权，进入等待状态。当有中断产生时，系统响虑中断，中断程序将占据CPU的使用权进行中断处理。程序各进程间的通信通过共享内存的机制来进行，主要完成数据采集和串行通信任务等。2.2数据采集模块任务软件数据采集的任务是采集外部系统各种周期信号、脉冲信号以及电压和电流信号，根据不同的需要进行相应的计算与处理，得到所需的数据。数据采集程序流程图如图4所示。图4数据采集程序流程图2.3串口通信模块任务设计本设计采用RS485标准，该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接；RS-485的数据最高传输速率为10Mbps；RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。在使用UART与上位机PC通信时需要进行电平转换，发送和接收数据都采用中断方式，串口通信任务示意图如图5所示。图5串口通信任务示意图