采用μC/OS-Ⅱ的數據采集系統設計與應用

?? 摘要：通用串行總線因 (USB)具有傳輸速度快、即插即用、易于擴展、占用系統資源少等優點；嵌入式實時操作系統 (RTOS)中的 ?C/OS-Ⅱ則具有代碼效率高、占用空間小、良好的實時性和可靠性等特點。本文通過構建嵌入式軟件開發環境、移植 ?C/OS-Ⅱ、編寫固化到 ATmega16單片機的引導程序 (即固件程序)，實現系統的數據采集、數碼顯示以及與 PC機通信等設備端任務。

1引言

?? 隨著科學技術的不斷發展，人們對數據采集的性能指標要求越來越高，傳統的數據采集方式已經不能滿足需要。通用串行總線因 (USB)具有傳輸速度快、即插即用、易于擴展、占用系統資源少等優點；嵌入式實時操作系統 (RTOS)中的 ?C/OS-Ⅱ則具有代碼效率高、占用空間小、良好的實時性和可靠性等特點。本文將二者與傳統的數據采集技術相結合，設計實現了一種基于 USB通信和 ?C/OS-Ⅱ的集數據采集、分析、顯示為一體的數據采集系統。

2 系統體系結構

?? 基于 USB通信的數據采集系統的體系結構如圖 1所示。系統的工作過程就是一個數據采集的過程，其中的每一步都需要不同組的支持。首先，溫度和壓力參數經傳感器轉換成模擬信號，模擬信號經過 A/D轉換變單片機可識別的數字信號。單片機將數字信號進行處理之后，就可以送往 LED顯示或者發送給 USB接口芯片。USB接口芯片在主機需要的時候，把接收到的數據經 USB總發送給主機進行處理和顯示。主機和 USB接口的通信則需要設備固件程序、USB設驅動程序和 USB主機應用程序的支持。

3 USB數據采集系統的硬件電路設計

??? USB數據采集系統的硬件電路結構主要包括以下幾個部分：USB通信電路部分、數據采集電路部分、數碼顯示電路部分和固件程序下載電路部分。這些模塊的功能都是在以 ATmega16為核心的硬件平臺上實現的。

3.1 USB通信電路的設計

??? USB通信電路的功能是實現數據采集系統設備端和主機端之間的通信，這一功能主要是由核心微控制器 ATmega16和 USB控制器件 PDIUSBD12實現的。其中， PDIUSBD12是符合 USB1.1協議的芯片，在 USB通信電路中起著聯系設備和主機的橋梁的作用。微控制器 ATmegal6和 USB控制器 PDIUSBD12之間通過 8位并行總線進行通信， 8位并行總線在 ATmegal6端需要連接 8個 I/O口。PDIUSBD12片內集成了時鐘乘法 PLL，晶振電路使用 6MHZ的晶振和兩個 2pF到 68pF的電容。 PDIUSBD12的信號輸出端 D+/D一上要各串接一個 18歐的匹配電阻。通信電路如圖 2所示。

3.2? 數據采集電路的設計數據采集電路的功能就是將現場的溫度、壓力以及應力等數據轉換成合適的模擬信號，再把模擬信號傳送給 A/D轉換電路。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分。

?? 由于 ATmegal6片內集成了可調增益的差分放大電路和 A/D轉換通道，所以溫度采集電路僅由一個用于測溫的電橋組成。具體做法是根據熱電阻阻值隨溫度變化的特性，將銅熱電阻作為電橋的一臂，當溫度改變時，電橋輸出電壓也隨之發生變化。將電橋輸出電壓送至 ATmegal6內部的采樣保持電路，然后進行放大、 A/D轉換，再經過固件程序的換算就可以得到測量溫度了。
在本系統中，測量壓力采用的器件是廣州森納士儀器有限公司生產的壓力變送器，其量程是 0.0lMPa，輸出信號是 4~20mA的電流。當壓力改變時，輸出電流也隨之發生變化，所以在信號輸出端接一個精密電阻，然后對電阻兩端的電壓進行采樣和轉換，再經過固件程序的換算就可以得到測量壓力了。

3.3 固件程序下載電路

? 固件程序下載電路的功能就是將編譯好的程序代碼下載到 ATmegal6單片機的 Flash中去。 ATmega16支持多種編程模式，其中比較簡單也比較方便的一種就是 ISP(In-system-programming，在系統編程)模式，即通過串行 SPI(serial peripheral Interface，串行外設接口)總線將在 windows中調試、編譯好的程序代碼下載到 ATmegal6的存儲器。 Flash程序存儲器、 EEPROM數據存儲器、熔絲位和加密鎖定位都可以在這種模式下編程。固件程序下載電路如圖 3所示。

3.4 LED顯示部分設計

?? 如圖 4所示，系統的顯示是使用 MAX7219實現的 8位穩定靜態顯示，MAX7219是串行共陰極數碼管動態掃描顯示驅動芯片，僅使用 3線串行接口傳送數據，可直接與單片機接口，用戶還可以方便地修改其內部參數以實現多位 LED顯示，因此可以方便地使用單片機的串口送出顯示數據，并且其占用的時間少，方便編程及對信號的檢測。

4 USB數據采集系統的軟件開發

?? USB數據采集系統是一個多任務系統，而且程序結構也比較復雜，為了提高開發率，增強系統的穩定性，降低開發和維護成本，就需要一個嵌入式操作系統作為系統發和運行的平臺。?C/OS-Ⅱ作為一個源碼公開的免費型嵌入式實時操作系統，其穩定性好、可靠性高，而且 ?C/OS-Ⅱ還具有移植性好、可固化、可裁剪等特點，非常適合作為 USB數據采集系統的開發平臺。

?USB數據采集系統的軟件由三個部分組成：USB設備固件程序、主機 PC上的 USB設備驅動程序和主機上的客戶應用程序。系統軟件的組成及各部分之間的關系如圖 5所示。

??? 固件程序按功能可以劃分為 USB通信程序、A/D轉換程序和 LED顯示程序，其中 USB通信程序是整個固件程序的主要部分，其功能是實現 USB設備枚舉和數據傳輸。USB設備枚舉是 USB設備插上之后，主機與設備交換信息并自動配置的過程，枚舉成功后， USB接口與主機就可以進行通信了。

?? 設備驅動程序是連接設備和主機應用程序的紐帶，它向上提供應用程序的訪問接口 (API)，向下則實現對具體設備的訪問和管理功能。驅動程序與設備硬件和上層用戶程序密切相關，在 USB體系的中間起到信息轉換和傳遞的中介作用。在開發 USB設備時，設備驅動程序的設計是一個非常重要的環節，直接影響到整個設備系統的性能。

??? 本系統采用 Driverworks開發 WDM型 USB設備驅動程序應用程序的主要功能是在設備驅動程序中查找設備，與設備交換數據，并將設備發送來的數據進行處理和顯示。應用程序和驅動程序的通信是通過訪問應用程序接口 (API)函數實現的，所以應用程序的開發必須在能訪問 API函數的平臺上進行。 Microsoft公司提供的visualC++6.0是一種功能強大的支持 API函數的編程工具，本設計的主機應用程序就是以VC為平臺進行開發的，其功能主要包括查找 USB設備，與 USB設備交換數據和動態顯示數據曲線。

5 總結

?? 本文的創新點在于完成的基于 USB接口和 ?C/OS-Ⅱ的數據采集系統，采樣頻率可達 15KSPS(每秒采樣次數)，數據傳輸錯誤恢復率大于 99%，即插即用、使用方便且具有很低的開發成本，可以為數據采集特別是電池供電移動或手持采集設備提供一種有效的解決方案和方便使用、高效傳輸的設備形式；其次，而在 PC端引入微軟新近的 WDM驅動程序模型，在其基礎上開發了數據采集系統的設備驅動程序，可以成功地對設備進行識別、配置，并提供了同設備進行數據交換的應用程序接口，基于這些接口，編制了具有查詢設備、與設備交換數據并將數據繪制成動態曲線等功能的 PC端應用程序。