基于ARM7-μCLinux并采用超級(jí)終端監(jiān)測(cè)兩路電壓參數(shù)

丘宏烈，楊燕祥，羅曉雪，付元柄，袁鵬飛

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039）

在工業(yè)電力傳動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，常常需要監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。通過監(jiān)測(cè)采集設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)了解、跟蹤設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而分析和診斷設(shè)備。

ARM技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的重要技術(shù)。在眾多嵌入式系統(tǒng)廠家參與下，基于ARM系列處理器的應(yīng)用技術(shù)在眾多領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

ARM技術(shù)中的數(shù)據(jù)采集正向著強(qiáng)實(shí)時(shí)、高精度等方向發(fā)展；數(shù)據(jù)傳輸部分向多通信方式、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。使用ARM處理器對(duì)工業(yè)電力傳動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的電力參數(shù)進(jìn)行采集是基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高速度、強(qiáng)實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。

本文采用μCLinux嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)建ARM7硬件平臺(tái)，并對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)采集、傳輸以及顯示進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能圖

系統(tǒng)采集兩路電壓參數(shù)的功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)功能圖Fig.1 Functional block diagram of system power parameters monitor

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以ARM7-TDMI為核心處理器，通過A/D轉(zhuǎn)換電路把連續(xù)的電壓參數(shù)轉(zhuǎn)換為處理器所識(shí)別的數(shù)字量，并通過串口超級(jí)終端實(shí)時(shí)地顯示所采集到的電壓參數(shù)值。選用ARM7處理器，避免了使用單片機(jī)不能有效、實(shí)時(shí)、精確地監(jiān)測(cè)電壓的缺點(diǎn)，也避免使用ARM9（包含MMU）使得整個(gè)內(nèi)核龐大、消耗內(nèi)存、程序運(yùn)行速率降低的缺點(diǎn)影響監(jiān)測(cè)電壓的實(shí)時(shí)性。選用次開發(fā)板與RS-232串口通信不需要通信間的電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)供電電壓與次串口通信電壓都是3.3 V。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換電路中的核心部分就是A/D轉(zhuǎn)換模塊，如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)換模塊外圍電路如圖3所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換模塊的寄存器功能框圖Fig.2 Functional block diagram of A/D converter module registers

圖3 A/D轉(zhuǎn)換模塊外圍電路圖Fig.3 Peripheral circuit diagram of A/D converter module

因?yàn)橐蟊O(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)可變電壓具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，所以選用可變電阻來(lái)改變電壓值。兩路電壓線連接芯片的兩個(gè)引腳 P0_27和 P0_28，然后連接進(jìn) AIN0～AIN1，由 A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3中使用了AIN0～AIN1兩個(gè)引腳作為監(jiān)測(cè)兩路電力參數(shù)的功能引腳，電壓的測(cè)量范圍為0～3.3 V。ADCR寄存器設(shè)置 A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式 （21 bit），A/D轉(zhuǎn)換通道（7:0 bit），轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（CLKDIV 時(shí)鐘分頻值）（15:8 bit），并啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換（26:24 bit）。ADDR寄存器保存了轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制編碼值（15:6 bit），A/D轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)該位置位（31 bit）。

A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘分頻值計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)adclk為所要設(shè)置的A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘，其值不能大于4.5 MHz[1]。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換器的主要類型

目前，世界上有多種類型的A/D轉(zhuǎn)換器，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型A/D轉(zhuǎn)換器，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的∑-Δ型和流水線型A/D轉(zhuǎn)換器，多種類型的A/D轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向。

這里采用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、比較寄存器SAR、時(shí)鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號(hào)與已知電壓不斷進(jìn)行比較，然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。該轉(zhuǎn)換器分辨率低于12位時(shí)，價(jià)格較低，采樣速率可達(dá)1 Ms/s；與其他A/D轉(zhuǎn)換器相比，功耗相當(dāng)?shù)?。?jù)此滿足本系統(tǒng)10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度要求。但在高于14位分辨率情況下，價(jià)格較高；傳感器產(chǎn)生的信號(hào)在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級(jí)和濾波，這樣會(huì)明顯增加成本[2]。

2 嵌入式μCLinux平臺(tái)的建立

2.1 μCLinux的特點(diǎn)及移植

μCLinux的開發(fā)模式和編程接口與Linux類似。因此μCLinux除了在內(nèi)存管理方面與Linux差異較大而表現(xiàn)出自己的特點(diǎn)以外，其他很多特點(diǎn)與Linux相同[3]。

μCLinux能夠很好地兼容Linux，在一定的條件下，幾乎所有的Linux API函數(shù)都能夠在μCLinux操作系統(tǒng)中使用，這極大地便利了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)[4]。

μCLinux的移植分為3個(gè)層次級(jí)，即處理器體系級(jí)、芯片級(jí)和目標(biāo)板級(jí)移植。

1）處理器體系的源文件在arch目錄下。處理器結(jié)構(gòu)文件目錄主要包括：kernel內(nèi)核源代碼，mm-內(nèi)存管理源代碼，lib處理器特定的內(nèi)部庫(kù)函數(shù)，bootloader包含壓縮內(nèi)核的代碼，也是內(nèi)核文件最后編譯生成的地方，tools包含自動(dòng)產(chǎn)生文件的腳本。μCLinux-dist-20040408在處理器結(jié)構(gòu)上對(duì)ARM7TDMI核已經(jīng)支持，只需修改μCLinux-dist/Makefile。在其中定義處理器架構(gòu)ARCH:=armnommu和交叉編譯器的設(shè)置：CROSS_COMPILE=arm-elf-。

2）芯片級(jí)移植指當(dāng)待移植處理器是某種已支持體系的分支處理器，進(jìn)行芯片層次的移植，需要在該處理器體系結(jié)構(gòu)目錄下增加修改部分目錄和代碼。同處理器體系級(jí)移植相比較，芯片級(jí)移植不用為μCLinux重新構(gòu)造一個(gè)處理器結(jié)構(gòu)，只需要在該處理器體系某個(gè)已存在的芯片基礎(chǔ)上，根據(jù)二者之間的不同進(jìn)行修改調(diào)試，達(dá)到芯片移植的目的。

3）板級(jí)移植。當(dāng)使用處理器已經(jīng)被μCLinux支持時(shí)，主要的工作就是針對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行板級(jí)移植。板級(jí)移植的主要內(nèi)容是由目標(biāo)板相關(guān)地址與時(shí)鐘頻率設(shè)置，也可能會(huì)涉及部分驅(qū)動(dòng)程序的編寫[5-6]。

2.2 基于μCLinux的A/D設(shè)備驅(qū)動(dòng)的建立

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是介于硬件和Linux內(nèi)核之間的軟件接口，是一種低級(jí)的、專用與某一硬件的軟件組件。本文采用內(nèi)核模塊的方式安裝驅(qū)動(dòng)程序，使得系統(tǒng)內(nèi)核更加精簡(jiǎn)，加快應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。

程序中所用到的函數(shù)主要有：

1）訪問 I/O 端口方法函數(shù)：static int adc_open（struct inode*inode,struct file*filp），用于打開A/D轉(zhuǎn)換通道以及通道的使用計(jì)數(shù)器遞增。這里應(yīng)用程序用到兩次打開函數(shù)，分別打開通道1和通道2。

2）read（）方法：static ssize_t adc_read（struct file*filp,char*buf,size_t count,loff_t*f_pos），用于讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。根據(jù)設(shè)定的A/D精度的不同，可支持1和2字節(jié)數(shù)據(jù)。

3）ioctl （） 方法：static int adc_ioctl （struct inode*inode,struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）， 這里要區(qū)分ioctl（）（輸入/輸出控制），后者是針對(duì)設(shè)備的。一般情況下，程序正確地調(diào)用函數(shù)ioctl（）時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)某個(gè)驅(qū)動(dòng)程序ioctl（）方法的調(diào)用。ioctl（）函數(shù)的第 2 個(gè)參數(shù)會(huì)傳遞給 ioctl（）方法的第3個(gè)參數(shù)，ioctl（）函數(shù)的第3個(gè)參數(shù)會(huì)傳遞給ioctl（）方法的第4個(gè)參數(shù)。

在arm-elf-tools編譯環(huán)境中，編譯其生成可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，然后采用命令mknod建立設(shè)備文件。最后用insmod命令安裝此驅(qū)動(dòng)程序供應(yīng)用程序使用[7]。

2.3 監(jiān)測(cè)電壓參數(shù)的應(yīng)用程序的建立

應(yīng)用程序應(yīng)用于讀取兩路A/D轉(zhuǎn)換電壓參數(shù)，程序框圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)用程序流程圖Fig.4 Flow chart of application program

建立交叉編譯環(huán)境，把應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行二進(jìn)制文件，并通過NFS掛載到開發(fā)板上，測(cè)試成功后下載到開發(fā)板。在底層結(jié)構(gòu)建立完成后，如何讀取兩路電壓成為關(guān)鍵的問題，此處采用輪流讀取兩路電壓的方法，兩路讀取間隔為1 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過超級(jí)終端監(jiān)測(cè)兩路電壓參數(shù)的結(jié)果如圖5所示。據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)改變VIN2的可變電阻時(shí)，電壓值VIN2迅速改變；隨后改變VIN1的可變電阻時(shí)，電壓值VIN1也迅速隨之改變。其精確度比8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換高9.7 mV，其監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)超過單片機(jī)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)建立在ARM7硬件平臺(tái)及μCLinux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，解決了監(jiān)測(cè)兩路電壓參數(shù)與兩路通道傳輸?shù)膯栴}。通過此監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，所得結(jié)果滿足測(cè)量的實(shí)時(shí)性，有效性和精確度。硬件的設(shè)計(jì)本著低成本、低功耗、小體積和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)思想，采用了IPC2200微處理器，實(shí)現(xiàn)了兩路電壓參數(shù)測(cè)量，并完成了兩路通信接口的傳輸。

圖5 監(jiān)測(cè)結(jié)果圖Fig.5 The measuring results

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