基于ARM和CPLD的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采樣頻率高，用CPLD將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到兩路同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）中。CPLD先把采集到的數(shù)據(jù)以DMA的方式存儲(chǔ)到A路SDRAM中。 等數(shù)據(jù)寫(xiě)滿A路SDRAM后，由CPLD器件引起LPC2214外部中斷，LPC2214進(jìn)入中斷處理程序，讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，同時(shí)CPLD將接下來(lái)采集到的數(shù)據(jù)以DMA的方式存儲(chǔ)到B路SDRAM中, 等存儲(chǔ)器B數(shù)據(jù)裝滿后，CPLD器件引起LPC2214外部中斷，LPC2214進(jìn)入中斷處理程序，讀取B路SDRAM中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，如此循環(huán)下去，完成數(shù)據(jù)的接收和傳輸并行。
可以看到ARM微處理器只控制數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)和對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和傳輸，在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，ARM微處理器不對(duì)采集通道進(jìn)行任何控制，完全由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集的目的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件部分要分別編寫(xiě)LPC2214的處理模塊程序和CPLD的控制模塊程序，LPC2214的程序包括嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和各應(yīng)用程序的編寫(xiě)，CPLD控制模塊程序用VHDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在編寫(xiě)處理器的處理程序時(shí)，如采用單任務(wù)順序機(jī)制，系統(tǒng)的安全性差，這對(duì)于穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不允許的，因此根據(jù)整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)的功能和對(duì)它的要求進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)的分割，并分配優(yōu)先級(jí)，由操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理調(diào)度。本設(shè)計(jì)選用μC/OS-II操作系統(tǒng)，μC/OS-II V2.52已通過(guò)美國(guó)航空航天管理局（FAA）的安全認(rèn)證，其采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法完成任務(wù)間的調(diào)度，支持搶占式調(diào)度，具有執(zhí)行效率高、占有空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，其內(nèi)核還提供信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等系統(tǒng)服務(wù)。程序架構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序架構(gòu)圖

根據(jù)應(yīng)用，本系統(tǒng)分為以下幾個(gè)任務(wù)：軟復(fù)位任務(wù)（程序?qū)ο到y(tǒng)初始狀態(tài)進(jìn)行重新設(shè)定），對(duì)SDRAM的讀取、與上位機(jī)的TCP/IP通信、顯示任務(wù)、鍵盤(pán)管理任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，任務(wù)間的通信通過(guò)消息隊(duì)列來(lái)完成。系統(tǒng)中的每個(gè)任務(wù)包括應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊三部分。任務(wù)控制塊是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時(shí)，μC/OS-II用它來(lái)保存該任務(wù)的狀態(tài)，當(dāng)任務(wù)重新獲得CPU的使用權(quán)時(shí)，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從被中斷的那一點(diǎn)執(zhí)行下去，操作系統(tǒng)可以通過(guò)查詢?nèi)蝿?wù)控制塊的內(nèi)容從而對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理。

在用μC/OS-II作為內(nèi)核來(lái)編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件之前，必須完成μC/OS-II在微處理器的移植工作，由于μC/OS-II在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了在不同處理器上的移植問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)把與處理器相關(guān)的部分分離出來(lái)，因此在任何處理器上的移植 μC/OS-II都只需要關(guān)心三個(gè)文件：頭文件OS_CPU.H、文件OS_CPU_C.C和匯編文件OS_CPU_A.ASM。

為了滿足系統(tǒng)與以太網(wǎng)直接交換信息的需要，本設(shè)計(jì)在μC/OS-II中移植了LWIP（Light Weight IP輕型IP協(xié)議）協(xié)議棧。LWIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LWIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下運(yùn)行，LWIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，一般它只需要幾十字節(jié)的RAM和40Kb左右的ROM就可以了。
LWIP可以很容易地在μC/OS-II的調(diào)度下，為系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理功能。LWIP把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來(lái)，放在/src/arch目錄下，因此LWIP在 μC/OS-II上的移植修改這個(gè)目錄下的文件即可。

結(jié)論
在ARM微處理器中移入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性得到保證，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將應(yīng)用分解成多任務(wù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)；采用CPLD器件集成了電路的全部控制功能，擺脫了單純用由微控制器為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)的速度瓶頸，極大提高了數(shù)據(jù)采集速度。整個(gè)系統(tǒng)具有速度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。