基于ARM-μCOS-Ⅱ的核数据采集系统.pdf

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1、第 2 8 卷第 1 期 2 0 0 8 年1 月 核电子学与探测技术 Nu c l e a r E l e c t r o n i c s&D e t e c t i o n Te c h n o l o g y Vo L 2 8 No 1 J a n 2 0 0 8 基于 AR M一 c os 一 1 I 的核数 据采集 系统 王春生，马英杰，韩 锋，郝俊胜(成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都6 1 0 0 5 9)摘要：介绍了一种以 A R M-C O S-I I 为平台，集成 G P S 接收机的核数据采集系统，详细阐述 了多 道脉冲幅度分析器的关键技术，A R M 微控制

2、器 L P C 2 1 4 8 的外围接 口设计，基于 t C O S-的驱动程序 移植及应用程序设计方法。该系统可通过串口与 G P S OE M 板通信，实现 G P S信息和核信号的实时、同步接收，保存和显示，也可以通过 U S B 接口与上位机通信。嵌入式实时操作系统 I,C O S-I I 的引入增 强了系统的实时性、稳定性，提高了集成度。关键词：A RM I,C OS-l I；多道脉冲幅度分析器；GP S 中圈分类号：T L 8 2；T P 3 1 6。2 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 8 0 9 3 4(2 0 0 8)0 1 0 0 7 2-0 4 核地球物理勘探中，多

3、道能谱测量仪已被 广泛应用于找铀矿、地质填图、找金属矿和油气 田等地学领域 。传统的便携式核能谱测量仪 器的数据采集系统多以 8 1 6 位单片机构成控 制系统，其硬件电路较复杂、集成度较低、设计 和调试难度较大、不太方便系统升级。另一方 面，传统的前后 台式的软件设计方法限制了硬 件系统功能的充分发挥，影响了系统的实时性 与稳定性。随着电子技术 的快速发展，更多新型的低 功耗、高集成度器件现已被应用于核数据采集 系统当中。3 2 位 A R M 嵌入式处理器具有高 性能、低功耗的特性，并且提供了可编程性和可 操作性，软件的设计可以独立于硬件，已被广泛 应用于消费电子产品、无线通信和网络通信等

4、 领域。它的出现，也为核数据采集系统提高快 收稿 日期：2 0 0 7-0 4-2 4 基金项目：“基于 3 GS技术的便携式核地球物理数 据采集系统研究”，项 目 编号：2 0 0 4 0 6 1 6 0 1 4。作者简介：王春生(1 9 8 O 一)，男，山东阳信人，成都理 工大学核技术与自动化工程学院硕士研究生，研究 方向：智能核仪器 7 2 速数据处理能力和系统集成度、移植操作系统 进行多任务、实时处理提供了很好的解决方案。为 此，本 系统 以 基 于 A R M 核 的 微 控 制 器 L P C 2 1 4 8 为平台，移植 实时操作 系统 v C OS-及相应的文件系统，串 口驱

5、动，L C D驱动，并 集成G P S-O E M模块，构成能实时定位的核数 据采集系统。1 系统总体结构 基于 A R M-g C O S-1I 的核能谱数据采集 系统如图 1 所示。由能谱仪前端电路进来的脉 冲信号，经调理电路后变为 0 5 V的脉冲进入 多道脉冲幅度分析器进行甄别、保持。再经 1 2 位模数转换芯片 A D S 7 7 4 转换为数字信号，并 行送入 L P C 2 1 4 8 微控制器。微控制器对所得 能谱数据处理、保存和显示。为满足核地球物理勘探野外测量需要，微 控制器通过内置 UA R T()接口连接 G P S-C II 模块，检测核信号 的同时，读取 G P S

6、时间、位 置、星历等信息。另外为提高系统集成度及便 携式要求，微控制器外接 4 4 键盘，3 2 0 2 4 0 点阵式图形 L C D模块，具有良 好的人机交互能 力；通过内置 S P I 接口挂接 S D存储卡，可保存 维普资讯 http:/ 器 _ c D 妄 _ 二 一=三 ；王三兰三 三 三 i L a,R I T G U S Bi：5 篓 二 二 二 二 二 二 路i 盘 jI点 fI!A R 3,I T T D X S I。；f 制 电 路 ：f 一 西 商 图 1 基于 A RM-v C OS-1 I 的 核能谱数据采集系统框图 大量数据；通过 内置全速 US B 2 0设备接

7、 口可 方便实现与上位机的数据传输。1 1 多道脉冲幅度分析器 多道脉冲幅度分析器是核能谱数据采集系 统的核心，包括甄别电路、控制电路、峰值保持 电路、模数转换电路和 A R M微控制器等部分 组成。一般前端放大器输出的核辐射脉冲宽度比 较窄，不能满足 A D转换 的时间要求，因此要 快速、准确地检测到脉冲峰值并保持一段时间，以保证A D模块准确采集到核脉冲的幅度(能 量)信息 2 。这部分电路常采用快速比较器构 成甄别电路，获得脉冲起始和峰顶时间信息，控 制峰值保持电路跟随、保持，并在到达峰顶时启 动 A D转换。本系统采用 ANAI O G DE VI C E S公司的 F E T输入，1

8、 4 5 MHz 带宽，极低偏置 输入电流的高性 能运算放大器 AD 8 0 6 5，选 择 合适的电容电阻，构成峰值保持 电路 ，跟踪速 度快，峰值保持稳定，其原理图如图2 所示。图 2 峰值保持 电路原理 图 综合对多道脉冲幅度分析器的 AD C芯片 的主要性能指示如转换速度、功耗、转换精度等 的考虑，本系统选 用 了 AD I公司 的 AD S 7 7 4。AD S 7 7 4 是 1 2位低 功耗逐次逼近式 A D C，带 有内部采样保持电路，转换时间为 t 8 5 s，最大功耗为 1 2 0 roW，工作电压为+5 V单 电源，使用了其内部参考电压。1 2 微控制器及其接口 I P

9、C 2 1 4 8 是基于一个支持实时仿真和嵌 入式跟踪 的 3 2 1 6位 AR M7 T D MI S C P U 的 微控制器，最大频率 6 0 MHz，内置了宽范围的 串行通 信接 口(US B 2 0 De v i c e、两个 UAR T，S P I，S S P，I 2 C总线接 口)，4 0 k片内 S RA M 和 5 1 2 k B的高速 F l a s h 存储器。微控制器 I P C 2 1 4 8 有丰富的外围接 口，与 其他模块的连接比较简单(如图 1所示)，这里 不再赘述。只是由于 I P C 2 1 4 8没有 L C D控制 器接 口和外部存储器接 口，本系统

10、采用内嵌控 制芯片 S E D 1 3 3 5 的液晶模块 MG I 3 2 o 2 4 o B，通过G P I O接口模拟总线时序对其控制；4 4 键盘，直接挂接在 L P C 2 1 4 8的快速 G P I O端 口 上，由程序扫描控制。1 3 GP S 模块 随着 GP S技术在各个领域 的普及和应用，G P S接收机的小型化 OE M 产品，因其体积小、性能良好、价格便宜、易于二次开发等特点，受 到用户的普遍欢迎。GP SOE M 板是 G P S接 收机的核心部件，G P S-O E M 板接收来自G P S 天线单元的卫星信号，通过变频、放大、滤波等 处理过程，产生大量的数据信息

11、：如星历信息(卫星状况等)、位置信息(经度、纬度、海拔等)、时间信息(日期、时间等)和速度信息等 。本系统选 用了 MO T OROI A公 司生产的 Vp On c o r e O E M 测量型单频接收机和浙江中 裕 Z Y C I V测量型单频 G P S天线。接收机所 有的参数设置，状态信息和数据输出均通过 L P C2 1 4 8的 UAR T 0接 口进行，预定波特率为 9 6 0 0或 4 8 0 0。接 收机 内建 Mo t o r o l a O n c o r e 系列接收机专用的二进制指令系统，数据编码 采用 MOTO R L A 二进制 格式 或 NME AO 8 1

12、3 标准格式。接收机硬件接 口，数据线 和电源引 线采用同一的双列 1 O针插座，n、L C MOS兼 容电平，故无需 电平 转换 即可 与 I P C 2 1 4 8的 UA RT接 口直接连接。2 软件系统 2 1 c o s-特点 t C OS 2 一 是美 国学 者 L a b r o s s e设 计 的 一个优秀的嵌入式实时操作系统。它是源码公 开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任 务操作系统。其内核提供任务调度与管理、时 7 3 维普资讯 http:/ 间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服 务等功能，最小可编译至 2 k B，具有执行效率 高、占用空间小、实时性能优

13、良和可扩展性强等 特点，非常适合用于小型控制系统。2 2 嵌入式实时操作系统搭建 o 提供的仅仅是一个任务调度的 内核，要想实现一个相对完整、实用的嵌入式实 时多任务操作系统，还需要相当多的扩展性的 工作 引，主要包括：建立文件系统(本系统以S D 存储卡为存储介质，建立文件和目录6 )、为外 部设备建立驱动程序并规范相应的 A P I 函数、创建图形用户接口(G UI)函数、建立其他实用 的应用程序接口(A P I)函数等。本系统中基于 ,c O s-l I 内核的R T O S软件系统总体框图如 图 3所示。应用程序 AP I 函数 驱动程序 硬 件 用 户界面、任 务及任 务间通信系统任

14、 务 j e j e 绘图、文件读 内核 模 块：信 号 写及控制、系 量、消息、任 务调 统控制等函数 度、时间管理等 j e j e US B、S D卡、LCD、键 盘 等 uC 0s I I 内核 驱动程序 j e 【u s B、s D 卡、L c D、键 盘 等 接口 l L P C 2 1 4 8 图 3 基 于 t C O S-I I 内核的 R T OS软件系统框图 2 3 应用程序设计,C O S-是占先式内核，总是运行就绪条 件下优先级最高的任务，它最多可以管理 6 4 个 任务，其中保留8 个给系统，应用程序最多可以 有 5 6 个任务。一般一个任务对应于一段独立 的主程序

15、，它可能调用各种子程序，并使用各种 系统资源如中断、外设等，以完成某种选定的功 能，且允许多个任务并行。另外，C 0 中 提供了三种用于数据共享和任务通信的方法：信号量、消息邮箱和消息队列。嵌人式实时多任务软件的设计关键是软件 实时性的保证，其中包括了任务的划分及任务 优先级的设置、任务问通信机制的选择和中断 处理程序等的编写。优越的技术性能，有利于 系统的实时响应，能够促进系统整体性能的提 升，提高系统的可靠性，同时也使调试程序变得 7 4 容易。核信号具有随机性，峰值信号的时间间隔 不可预料，A D转换以及读数过程中，新的信 号可能被忽略，造成死时间问题。为保证实时 性，把 A D数据的接

16、受和处理程序，设为中断。同时，G P S 信号也通过串口中断的形式进行接 受。为保证G P S 信息的完整性，G P S信号读取 中断优先级高于核信号读取中断。另外几个模 块都被单独分配为一个任务，任务定义与优先 级设置如下：系统任务#d e f i n e Ma i n _ Ta s k _ P r i o 4 OSS TK M a i nTa s kS t k Ma i n S t k S i z e-；v o i d Ma i l 乙_Ta s k(v o i d*p d a t a)；数据采集任务#d e f i n e Gp s _ Ta s k _ P r i o 5 O S S

17、T K G p s T a s k S t k G s T a s k S i z e-；v o i d Gp s-Ta s k(v o i d*p d a t a)；L C D刷新任务#d e f i n e I c d _ F r e s l x _ Ta s k P r i o 7 0 S _ S T K L c d F r e s h S t k L c d F r e s h S t k S i z e-；v o i d Lc d_F r e s h_Ta s k(v o i d*p d a t a)；键盘扫描任务#d e f i n e Ke y _ S c a n _ Ta s

18、k _ P r i o 6 oS _ S T K Ke y _ S c a n _ S t k Ke y Sca n _ S t k _ S i z e ；v o i d Ke y _ S c a n _ Ta s k(v o i d p d a t a)；S D卡读写任务#d e f i n e S D _ R W_ Ta s k _ P r i o 8 O S S T K S D R W S t k S D R W S t k S i z e ；v o i d a s k(v o i d p d a t a)系统任务利用消息循环处理上位机命令或 键盘命令，消息处理函数，根据命令的不同，通

19、知数据采集任务进行信号采集，或是通知 S D 卡读写任务传送数据到上位机，命令参数通过 消息邮箱传递。数据采集任务，主要完成多道 能谱仪的控制和 G P S 接收机的初始化和命令 发送工作，数据采集之前，该任务先读取 G P S 时间，对准内部实时时钟，等待测量时间到，立 刻开启核数据采集控制门，并向G P S接收机发 维普资讯 http:/ 命令，依次获取各通道数据信息，当前被捕获的 卫星星历及基本卫星距离和距离变化信息等，待测量时间到。关闭多道能谱仪和 G P S接收 机，还可通知 S D卡读写任 务保存数据。I C D 刷新任务通过 GUI 和匦图函数，在数据采集的 同时，在屏幕上显示所

20、得谱线和 GP S坐标。3 结束语 利用 G P S 技术对便携式核测量仪器进行 实时定位，有集 成度高、功耗低、能够随时对核 测量仪器和野外工作人员实时定位，为及时获 取核素的测量地点、测量时间等更多核素信息 提供 了科学依据。同时，为野外工作人员的安 全提供了保障。将 u c o s-I1 实时嵌入式操作系统引入到 核数据采集系统 中，很 好地解决了传统数据采 集设备多任务软件系统实时性不强 的问题，并 且使得软件系统模块化，可方便地进行系统的 升级扩展。另外 A R M核的微控制器也使之较 传统的系统在可靠性、体积、功耗、性价 比等方 面都具有明显的优势。参考文献：】方方，等 地学应用中

21、的便携式微机多道能谱仪 E J 核电子学与探测技术，1 9 9 9，1 9(4)：2 8 3 E 2 马英杰 基于掌上型电脑的便携式 X荧光测量系 统I-J 核电子学与探测技术，2 0 0 4，2 4(6)：6 2 6 3 美 塞尔吉欧 佛朗哥，等 基于运算放大器和模 拟集成电路的电路设计(第三版)M 西安：西安 交通大学出版社，2 0 0 5 E 4 张文军 G P S与嵌人系统软硬件接口及导航信息 提取软件E J-计算机工程，2 0 0 5 3 1(1 8)：2 1 0 5 王田苗 嵌入式系统设计与实例开发一 基于 A R M 微处理器与 C O S-I I 实时操作系统I-M 北京：清

22、华大学出版社，2 0 0 2 E 6 3周 立功深入 浅 出 AR M7 一 L P C 2 1 3 x 2 l 4 x(下)M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 6 T h e n u c l e a r d a t a c o l l e c t i n g s y s t e m d e s i g n e d w i t h ARM a n d c os-I I WANG C h u n-s h e n g，MA Yi n g-j i e，HAN F e n g (C o l l e g e o f Ap p l i e d Nu c l e a r a n d Au t o

23、ma ti o n En g i n e e r i n g，Ch e n g d u Un i v o f Te c h n o l o g y，Ch e n g d u o f S i c h u a n Pr 0 v 6 1 0 0 5 9，Ch i n a)A b s t r a c t：I n t r o d u c e a k i n d o f n u c l e a r d a t a c o l l e c t i n g s y s t e m r e g a r d i n g A R v C OS-1 1 a s t h e p l a t f o I T I 1。g

24、a t he r i ng t h e GPS r e c e i v e r i n i t I t Wa S d e t a i l e d t o e x p a t i a t e d t h e k e y t e c h n i q u e s o f t h e mult i-c ha n n e 1 p u l s e a mp l i t u d e a n a l y z e r，t h e i n t e r f a c e d e s i g n o f LP C2 1 4 8，a c o n t r o l l e r i n ARM，a n d h o W t o

25、e x p a nd t he RT OS a n d d e s i g n a p p l i c a t i o n s o n u C OST h i s s y s t e m c a n commu n i c a t e wi t h t h e GP OEM mo d u l e b y t h e UART i n t e r f a c e，c o l l e c t i n g t h e GP S i n f o r ma t i o n s y n c h r o no us l y a s we l 1 a s n u c l e a r d a t a And t

26、 h e n s a v e and d i s p l a y t h e m o r p a s s t h e m t o t h e h o s t comp u t e r b y t h e US B i n t e rfa c e Th e e mb e d d e d an d Re a l Ti me s y s t e m，u C OS-b u i l d u p t h e r e a l t i me a n d s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m a n d a d v anc e t h e i n t e g r a t i o n Ke y wo r d s：ARM；u C OI I；mu l t i c h a i l i l e 1 p u l s e am p l i t u d e ana l y z e r；GP S 7 5 维普资讯 http:/