基于嵌入式arm平台的远程io数据采集系统的研究和开发

基于嵌入式arm平台的远程io数据采集系统的研究和开发内容摘要：

loop queue data structure. As the signal of uC/OSII provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability. If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty. After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal. During the entire process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full. The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space. CONCLUSIONS With the rapid development of the field of industrial process control and the 苏州大学本科生毕业设计（论文） 11 wide range of applications of work, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system. Data acquisition system based on singlechip has been gradually eliminated because the problem of the poor realtime and reliability. With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to singlechip to realize data acquisition and control. The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum ption, and so on. In this paper, A kind of ARMbased embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32bit embedded ARM processor, and software platform use opensource RTOS uC/OSII core. The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on. And it is mainly used in the collection and monitoring of all kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process. Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ether interface. The system has the dual redundant work and long distance munication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the munication work. 苏州大学本科生毕业设计（论文） 12 基于嵌入式 ARM 平台的远程 I / O 数据采集系统的研究和开发 导言 随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。 近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式 ARM 处理器的迅速普及， ARM 处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。 嵌入式 ARM 系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。 在 本文中提出一种新型的基于 ARM 嵌入式平台的远程 I / O 数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。 那个测量数据可 以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用 Modbus / RTU 或的 Modbus / TCP 协议从 RS485或以太网网络传送到 DAS 或 DCS 远程监控系统。 该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。 基于高性能嵌入式 ARM 微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。 整个系统的结构设计 基于嵌入式 ARM 的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图 1中展示。 在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式 ARM 处理器来开发远程 I / O 数据采集模块。 该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。 转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的 Modbus / RTU或的 Modbus / TCP协议的 RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。 嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。 与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。 该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信 网络的干扰抑制能力和可靠性。 基于嵌入式 ARM 远程 I / O 数据采集系统的硬件平台使用 32位 ARM 嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代 UC / OS 核心。 实时操作系统 （ RTOS ） 使设计和应用的扩大变得非常容易，增加新的功能时也没多大变化。 通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 13 系统的硬件设计 基于嵌入式 ARM 平台的远程 I / O 数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备 24收购方式的 I / O 渠道且彼此孤立。 每个 I / O 通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。 在 0 75mV ,1 5V的 ,0 5V 范围的电压信号，在 0 10毫安和 4 20毫安范围的电流信号，热阻测量元件包括 Cu50 ， Cu100 ， Pt50 ， Pt100和热电偶测量元件包括 K ， E， S， T 等等。 嵌入式远程 I / O 数据采集系统的结构设计如图 2所示。 该系统配备了一些外围设备，如电源，键盘，复位， LCD 显示器，模拟数字转换器， RS485总线，以太网的 JTAG ， I2C 接口，串行 E2PROM 等等。 该 A / D 转换接口电路独立于有利于系统维护和升级的嵌入式系统。 那个系统有设置按钮和 128 * 64液晶显示器，这使得调试和修改参数变得容易。 使用通过 485或以太网通信接口的 Modbus / RTU或的 Modbus / TCP协议将收集的数据传送到远端嵌入式控制器或 DAS ， DCS 系统，然后经过进一步处理将它用于监测和控制。 ARM processorRS485系统具有双冗余网络和长途通信功能。 正如嵌入式以太网接口使应用的远程数据交流变得非常容易，系统可以通过跳投沟通主机电脑选择 485或以太网接口。 为了便于系统维护和升级以太网接口使用独立 ZNE 100TL 智能嵌入式以太网串口转换模块。 该 ZNE 100TL 模块具有一个自适应的有很多的工作模式如 TCP 服务器，客户端的 TCP ， UDP 连接，实时的 COM 10/100M 以太网接口，而且它可以最多可支持四个 连接。 图 3 表示信号预先处理线路图表。 热电偶如 K， E， S， T 等的信号和 0 500mV 的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的 INPx 正极和 INNx 负极。 4 20mA 电流信号和 1 5V 的电压信号必须用阻抗转换。 热电阻的电阻信号如 Cu50， Cu100， Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器 INPx 正极和 INNx 负极前连接一 1毫安的恒流源。 图 4显示了使用 16位 ADC 芯片 AD7715的 ADC 信号电路。 芯片与系统的连接非常简单，只需要 CS（芯片选择）， SLCK（系统时钟）， DIN（数据输入）， DOUT （数据输出）和 DRDY（数据准备） 5根线。 由于 ARM 微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。 为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使 用特殊的微处理器电源监测芯片 MAX708S。 图 5展示了该系统复位电路。 系统软件的设计与实现 苏州大学本科生毕业设计（论文） 14 基于嵌入式 ARM 平台的远程 I / O 数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代 UC / OS 核心。 RTOS 的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。 通过 API 服务职能核心使用这些功能。 该系统软件平台使用的是单一化的 uC/ OS 第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复 杂。 整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。 系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。 硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。 操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。 一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。 为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。 图 6显示系统软件的功能任务。 根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括 A / D 数 据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。 A / D 数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。 因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。 图 7显示的是 AD7715的数据转换流。 A / D 转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。 在 uS/ OS 的第二代实时操作系统的核心中， A / D 驱动程序的实现过程主要取决于 A / D 转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通道的数量，转换频率等等。 典型的 A / D 转换电路由模拟复用器（复用器） ，放大器和模拟到数字转换器 （ ADC ）组成。 图。