基于ARM7内核和μC／OS-Ⅱ的数据采集装置设计

摘要：基于ARM7内核的LPC2144芯片，利用μC／0S-Ⅱ嵌入式实时操作系统的可裁剪性、可移植性和多任务等特点支持下的数据采集装置，研究了数据采集装置在工业控制系统中的应用，在生产过程中可对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录；数据采集是控制系统实现控制的基本条件，只有准确实时的获取对象的运行数据才能实施有效的控制。结果表明ARM7内核+嵌入式操作系统μC／0S-Ⅱ的移植数据采集装置，具有低成本、低功耗、微型化、精度高、运行稳定、性价比高等特点，不仅使其采集性能大幅度提高，而且抗干扰能力和实时性显著增
强，可以在各种工业场合中广泛应用。
关键词：数据采集；嵌入式系统；μC／OS-Ⅱ；LPC2144；RS485；USB

0 引言
数据采集技术是信息科学的一个重要分支。随着计算机科学技术的飞速发展和普及，数据采集技术己经渗透到雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域。数据采集装置是在工业控制系统中应用最广泛的一种设备，可实现对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录。
数据采集装置的发展方向为：实时性好、适用性广和可靠性高。因此采用嵌入式技术，开发一种基于嵌入式实时操作系统和ARM处理器的高精度、强实时性和广适用性的新型数据采集装置非常必要。
顺应市场需求设计的数据采集装置设计，采用了基于ARM7处理器为内核的飞利浦公司32位单片机LPC2144，其数据处理能力和丰富的片内资源满足了数据采集装置的功能和性能需要。同时可以使系统小型化，便于提高性能以及与各种外设连接扩展，降低了成本。μC／OS-Ⅱ作为一个源代码公开的操作系统，在具体应用中稳定可靠。ARM7+μC／OS-Ⅱ开发设计，利用嵌入式实时操作系统的可裁剪性、可移植性和多任务等特点，不仅使其采集性能大幅度提高，而且使抗干扰能力和实时性显著增强。可以在各种工业场合中广泛应用，达到了设计的初衷。

1 总体方案
设计在研究嵌入式实时操作系统、ARM处理器和数据采集技术基本原理的基础上，完成基于ARM处理器和嵌入式实时操作系统的数据采集装置的设计。装置具有USB接口、RS485接口，可以满足远程和近程数据采集的需要，同时还可以与各种传感器配合可实现对温度、压力、流量、液位等常用数据的采集。

2 数据采集装置的硬件设计
数据采集装置功能模块框图如图1所示。

2．1 系统器件的选择
2．1．1 微处理器的选型
作为数据采集系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。当今市场上流行的微处理器众多，在不同的应用领域，它们都发挥着各自的优势。一般的选型原则是：满足应用要求，简单易用，价格便宜，设计周期短。
LPC2144单片机是飞利浦公司生产的以ARM处理器为内核的微处理器，其处理速度快、应用广泛、价格低廉、并且ARM处理器的功耗是同档次其他嵌入式处理器中较低的。低成本、微电流供电的ARM处理器使电路设计更加便捷、可靠、节能。
2．1．2 嵌入式实时操作系统的选型
嵌入式实时操作系统种类很多，大体可以分为商用型和免费型。商用型实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持，但往往价格昂贵；免费型实时操作系统在价格方面具有优势，常用的主要有Linux和μC／OS-Ⅱ两种。
Linux可以移植到多个不同结构的CPU和硬件平台，具有很好的稳定性及升级能力，而且开发容易，对商用嵌入式操作系统带来了很大的冲击。
μC／OS-Ⅱ仅是一个实时内核，它不像其他实时操作系统那样提供给用户的一些API函数接口，很多工作需要自己去完成。把μC／OS-Ⅱ移植到目标硬件平台上只是系统设计工作的开始，还需要针对实际的应用需求对μC／OS-Ⅱ进行功能扩展，包括底层的硬件驱动、文件系统、用户图像接口(GUI)等，从而建立一个实用的RTOS。
综合考虑嵌入式操作系统的硬件支持；可移植性；开发工具的支持程度；能否满足应用需求；中文内核支持；标准兼容性；技术支持等等，决定选用嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ。
2．2 硬件设计方案
数据采集装置的硬件部分以飞利浦公司LPC2144为核心，其数据处理能力和丰富的片内资源满足了数据采集装置的功能和性能需要。配以模拟量采集电路、开关量采集电路、USB接口电路、RS485接口电路、液晶显示电路、键盘电路等组成。
LPC2144管脚配置图如图2所示。