基于ARM的微伏信號在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集和顯示電路的核心器件采用32位ARM7內(nèi)核嵌入式處理器S3C44B0X。S3C44B0X內(nèi)置部件有8通道10位ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、8KB cache(高速緩存器)、內(nèi)置SDRAM(同步動態(tài)存儲器)、LCD控制器、2通道UART(通用異步收發(fā)器)、4通道DMA(直接存儲器存取)、71個通用I/O端口等。

　　本設(shè)計中使用S3C44B0X完成A/D數(shù)據(jù)采集、LCD控制液晶顯示器、鍵盤輸入和故障報警四個主要功能。經(jīng)前置放大電路處理完成之后的0~2.5V電壓電極性信號，由S3C44B0X的10位精度片上A/D采集到CPU中。S3C44B0自帶LCD控制器，利用DMA控制器從系統(tǒng)RAM中的顯示緩沖區(qū)讀取顯示數(shù)據(jù)，提供給LCD控制器刷新液晶顯示屏。鍵盤和報警電路利用S3C44B0通用I/O端口進(jìn)行控制。

　　3　　 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計基于μClinux操作系統(tǒng)和MicroWindows圖形用戶界面。μClinux操作系統(tǒng)是從Linux內(nèi)核派生而來，在標(biāo)準(zhǔn)的Linux基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，具有易配置、體積小、易移植的優(yōu)點。用MicroWindows圖形用戶界面實現(xiàn)類似桌面電腦的視窗效果，易于實現(xiàn)人機(jī)交互。

　　系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)自帶的設(shè)備驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、根據(jù)用戶需要自定義的設(shè)備驅(qū)動程序、封裝了底層驅(qū)動的中間層接口程序、高級應(yīng)用程序幾個部分。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計中，分別在驅(qū)動層和高級應(yīng)用層程序中實現(xiàn)，其中高級應(yīng)用層程序框圖如圖4所示。

　　圖4 高級應(yīng)用程序框圖

　　高級應(yīng)用程序的設(shè)計以控制算法為核心，多個任務(wù)為控制服務(wù)。系統(tǒng)內(nèi)核定時將測得的數(shù)據(jù)通過回調(diào)函數(shù)傳遞給高級應(yīng)用程序。高級應(yīng)用程序為每個被測通道分配一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是個含有10個無符號整型數(shù)的數(shù)組，GCC編譯器默認(rèn)無符號整型數(shù)長度為16位。測量電路中ADC為10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，緩沖區(qū)中的每個單元的低10位存儲數(shù)值，最高位為1表示該數(shù)據(jù)無效或者已經(jīng)被處理，為0表示該數(shù)據(jù)有效并等待處理，第10～14位表示數(shù)據(jù)編號，用以區(qū)分不同通道的數(shù)據(jù)。內(nèi)核驅(qū)動程序把測量數(shù)據(jù)按格式準(zhǔn)備好后，回調(diào)函數(shù)把數(shù)據(jù)傳送給高級應(yīng)用程序。應(yīng)用程序只要使用“與”、“或”操作就可以提取數(shù)據(jù)類型、實際數(shù)據(jù)等信息。

　　3.1　 自定義設(shè)備驅(qū)動

　　設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的接口，它主要完成對設(shè)備初始化、實現(xiàn)內(nèi)核和應(yīng)用程序與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換、檢測處理設(shè)備錯誤等功能。在μClinux操作系統(tǒng)使用設(shè)備文件的方式來進(jìn)行設(shè)備管理應(yīng)用，一個具體的物理設(shè)備被映射為一個設(shè)備文件，用戶程序可以像對其它文件一樣對此設(shè)備文件進(jìn)行打開、關(guān)閉、數(shù)據(jù)讀寫等操作。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計中的驅(qū)動層部分，除了使用μClinux操作系統(tǒng)自帶的設(shè)備驅(qū)動程序以外，需要對外部設(shè)備編寫自定義的設(shè)備驅(qū)動程序，以滿足操作系統(tǒng)的要求。以字符設(shè)備為ADC為例，主要對其編寫自定義的驅(qū)動程序。使用結(jié)構(gòu)體file_operations{}作為ADC字符設(shè)備的函數(shù)接口，內(nèi)核通過這個函數(shù)接口來操作設(shè)備。自定義后的file_operations{}結(jié)構(gòu)體如下：

　　struct file_operations ADC_fops = {

　　read:　　　　　　　　　　 ADC_read,　　 //從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)操作

　　poll:　　　　　　　 ADC_poll,　　　//查詢設(shè)備

　　ioctl:　　　　　　　ADC_ioctl,　　 //進(jìn)行讀、寫以外的IO控制操作

　　open:　　　　　　　ADC_open,　　 //打開設(shè)備

　　release:　　　　　 ADC_release, //關(guān)閉設(shè)備

　　……};

　　編寫自定義的驅(qū)動程序完成后，內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即對ADC設(shè)備文件進(jìn)行open、ioctl等具體操作。

　　3.2　 圖形用戶界面設(shè)計

　　圖形用戶界面(GUI)把圖形視窗引入到嵌入式平臺上，其友好的界面為大多數(shù)用戶所接受，也得到越來越廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用MicroWindows來實現(xiàn)圖形界面，以窗口形式顯示測量數(shù)據(jù)及其它參數(shù)。MicroWindows是一個較早出現(xiàn)的、開放源碼的嵌入式圖形用戶界面軟件，它提供了比較完整的圖形功能，支持多種外部設(shè)備輸入，具有占用空間小、可移植性好的優(yōu)點。在μClinux操作系統(tǒng)上使用MicroWindows易于圖形程序的開發(fā)。

　　MicroWindows采用了層次化結(jié)構(gòu)：在底層提供設(shè)備的驅(qū)動，在中間層通過一個可移植圖形引擎實現(xiàn)繪制多邊形、區(qū)域填充、使用顏色等，在頂層實現(xiàn)多種API以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。MicroWindows API 之間采用消息傳遞的基本通信機(jī)制。消息被儲存在應(yīng)用程序的消息隊列中，不同消息對應(yīng)不同的事件，核心的API通過傳遞對應(yīng)相應(yīng)事件的消息來實現(xiàn)各種功能，如窗口的創(chuàng)建、繪制、移動等等。

　　在本設(shè)計中，編寫基于Microwindows的應(yīng)用程序，基本結(jié)構(gòu)為初始化、創(chuàng)建窗口與資源、進(jìn)入消息循環(huán)三部分。主程序中相關(guān)部分如下所示：

　　int WINAPI WinMain()

　　{MwRegisterEditControl(NULL);　 // 申明不使用控件

　　wndclass.style= CS_DBLCLKS | CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;

　　wndclass.lpszClassName = szAppName;　　// 創(chuàng)建窗口屬性的結(jié)構(gòu)體變量

　　RegisterClass(wndclass);

　　hwnd=CreateWindowEx();　 //創(chuàng)建窗口

　　while (1)

　　{if(PeekMessage(msg,NULL,0,0,PM_REMOVE))　　//消息查詢

　　{TranslateMessage(msg);DispatchMessage(msg);}　 //傳遞消息至窗口處理程序

　　ScanKey_function();　 //掃描鍵盤

　　RxKeyvalue(hedit_Param);

　　……}}

　　在調(diào)用窗口創(chuàng)建函數(shù)CreateWindowEx()后，系統(tǒng)在內(nèi)存中創(chuàng)建了一個虛擬的窗口，之后調(diào)用窗口顯示函數(shù)ShowWindow()就可將虛擬窗口顯示為可視窗口，成為Windows風(fēng)格的視窗界面。在本設(shè)計中，主程序運(yùn)行時不斷調(diào)用提取消息函數(shù)PeekMessage()，查看消息隊列是否收到任務(wù)信息，當(dāng)有信息產(chǎn)生時，就執(zhí)行對應(yīng)的消息處理函數(shù)。同時，在消息循環(huán)里也反復(fù)調(diào)用鍵盤緩沖區(qū)查詢函數(shù)RxKeyvalue ()，查看是否有鍵盤輸入，以便隨時響應(yīng)。

　　4.　抗干擾措施

　　在本設(shè)計中，采用低溫漂的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源為前置放大電路供電，并且在每個元件的電源管腳處加去耦電容。元器件選用高精度、漂移小的精密運(yùn)算放大器;選用高精度、低溫漂的精密電阻;信號線采用雙絞線或屏蔽線。印刷板布線時，盡量縮短前置放大電路的信號線，并確保了電路接地、屏蔽良好。

　　5　 結(jié)語

　　本文創(chuàng)新點在于設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于ARM的微伏信號在線監(jiān)測系統(tǒng)，以差動放大方式消除外界對測量信號的干擾，利用S3C44B0X微處理器和μClinux操作系統(tǒng)實現(xiàn)液晶屏顯示數(shù)據(jù)、人機(jī)交互和故障自動報警功能，為實現(xiàn)微伏信號在線監(jiān)測提供了一種體積小、功耗低、操作靈活的解決方案。本設(shè)計已投入使用，長時間工作穩(wěn)定。