采用AT91m40800與μC/OS-II系統(tǒng)對(duì)海底大地電磁數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行改進(jìn)

對(duì)現(xiàn)有海底大地電磁信號(hào)采集系統(tǒng)的主控模塊進(jìn)行了改進(jìn)。采用AT91m40800為主控單元，通過移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II進(jìn)行任務(wù)管理，并擴(kuò)展了ISA總線、串行接口和網(wǎng)絡(luò)接口。概要介紹了改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)思路、μC/OS-II的移植以及ARM對(duì)外圍器件的擴(kuò)展，并通過ISA總線仿真了系統(tǒng)時(shí)序效果。

1 、海底大地電磁儀的分析

海底大地電磁數(shù)據(jù)采集器是對(duì)海底大地電磁場(chǎng)和海底環(huán)境信息進(jìn)行自動(dòng)采集的智能化儀器，旨在建立具有我國(guó)特色的海底大地電磁探測(cè)技術(shù)，并使之實(shí)用化，為我國(guó)海域區(qū)域地質(zhì)調(diào)查提供新的技術(shù)支撐，為發(fā)展我國(guó)海洋電磁探測(cè)奠定基礎(chǔ)。儀器于2000年研制成功后，在我國(guó)東海大陸架進(jìn)行了成功試驗(yàn)。

整個(gè)數(shù)據(jù)采集器由電道前放板、磁道前放板、主放板、輔助通道板、時(shí)鐘板、數(shù)字板、標(biāo)定信號(hào)板和主控單元構(gòu)成層疊式電路結(jié)構(gòu)。整個(gè)電路板的整體何種為90%26;#215;96%26;#215;170mm3，重量約1kg。采集器使用+5V和%26;#177;12V三路電源，工作狀態(tài)下整機(jī)功耗為7W，正常工作的環(huán)境溫度為-50℃～+70℃。目前一期完成的海底大地電磁儀最長(zhǎng)記錄時(shí)間為7天，頻率范圍為0.0001Hz～100Hz。數(shù)據(jù)采集器配置容量為144MB的固態(tài)電子盤。從數(shù)據(jù)處理的邏輯次序看，整個(gè)系統(tǒng)分為八部分，包括前置放大、數(shù)字和模擬濾波、低通濾波、高通濾波、主放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、緩沖存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

一期建設(shè)中，海底大地電磁儀器整體效果還是令人滿意的。但也存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)功耗

目前系統(tǒng)正常工作下，功耗約為7W。其中主要包括磁場(chǎng)傳感器功耗290mW、傾斜傳感器功耗45mW、振動(dòng)傳感器功耗0.5W、主控電路功耗2W等。在電池電能一定的情況下，整個(gè)采集可以持續(xù)7天左右，采集時(shí)間長(zhǎng)度不夠。

（2）主控單元

目前采用286系列主控單元，在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到很高水平的今天，已不適應(yīng)高效率、高集成度的技術(shù)需要。

（3）采集穩(wěn)定性

海底大地電磁采集要求各采集點(diǎn)精確同步，所以系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求十分高。而目前系統(tǒng)采用單道大循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)系統(tǒng)任務(wù)。這樣不利于提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

2 、改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)思路

海底電磁數(shù)據(jù)采集需要的海上作業(yè)，采集成本大。為了達(dá)到效率最大化，就必須明顯降低原有系統(tǒng)的功耗，并提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。鑒于此，改進(jìn)方案如下：

（1）用ARM芯片取代286系列主控單元

ARM具有集成度高、能耗低等特點(diǎn)，通過使用ARM芯片取代目前的286系列主控單元將極大地降低系統(tǒng)的功耗，同時(shí)也可以縮減電路，進(jìn)而降低電路的復(fù)雜度，減小系統(tǒng)的體積。

（2）用μC/OS-II取代目前的單道程序

μC/OS-II取得了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）對(duì)于商用飛機(jī)的、符合RTCA DO-178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，表明μC/OS-II具有足夠的安全性和穩(wěn)定性。使用操作系統(tǒng)管理多任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)和同步。通過這種方式取代目前的單道大循環(huán)程序，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 、改進(jìn)主控單元的硬件組成

ARM架構(gòu)在推出后獲得了成功，各種ARM核心版本以及不同系統(tǒng)方案種類繁多。使用ARM本身已經(jīng)比原有主控電路功耗降低，在滿足實(shí)際需要的情況下，還可以在ARM各架構(gòu)中選擇功耗較低的。最終選擇了ARM7TDMI結(jié)構(gòu)，部分架構(gòu)功耗比較見表1。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前臺(tái)采集部分和后臺(tái)主控部分使用ISA總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接，在ARM7TDMI架構(gòu)的ARM芯片中，選擇了ATMEL公司支持ISA總線擴(kuò)展的AT91M40800。為完成系統(tǒng)所需任務(wù)，根據(jù)ATMEL公司發(fā)布的EB40開發(fā)板電路設(shè)計(jì)主控單元。片內(nèi)SRAM 8KB，外部Flash2MB，另有外部器件如串行接口和網(wǎng)絡(luò)接口等。AT91m40800共有37個(gè)寄存器，其中包括31個(gè)32位通用寄存器（含程序計(jì)數(shù)器PC在內(nèi)）、6個(gè)32位狀態(tài)寄存器（但目前只使用其中的12位）。運(yùn)行時(shí)的任意時(shí)刻，可見寄存器包括15個(gè)通用寄存器（R0～R14），一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器及程序計(jì)數(shù)器PC，其他寄存器多用于備份。經(jīng)測(cè)試證明：所購(gòu)芯片功耗測(cè)量均值小于0.25mW，較之原有主控單元2W的功耗，顯著降低。

表1 部分ARM架構(gòu)功耗比較表

4 、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植

盡管μC/OS-II是用標(biāo)準(zhǔn)C語言寫的，但當(dāng)應(yīng)用到某個(gè)具體的CPU上時(shí)，還需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼。改寫過程主要結(jié)合改進(jìn)系統(tǒng)所采用的新主CPU AT91m40800的一些具體參數(shù)，完成整個(gè)操作系統(tǒng)的移植。

μC/OS-II可以大致分為內(nèi)核、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信、與CPU的接口等五部分。內(nèi)核（OSCore.c）是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運(yùn)行、中斷處理、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度和事件處理等多任務(wù)。任務(wù)處理部分（OSTask.c）是與任務(wù)操作密切相關(guān)的，包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等。時(shí)鐘部分（OSTime.c）定義μC/OS-II的最小時(shí)鐘單位是Timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)同步和通信部分包括信號(hào)郵箱、郵箱隊(duì)列和時(shí)間 標(biāo)志等部分，主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問。與CPU接口部分是指μC/OS-II針對(duì)所使用的CPU的移植部分，主要包括中斷級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷和相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

μC/OS-II除了良好的穩(wěn)定性和安全性以外，很重要的特點(diǎn)就是對(duì)多任務(wù)管理的優(yōu)異表現(xiàn)。μC/OS-II可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)。除了8個(gè)μC/OS-II自用的任務(wù)以外，用戶的應(yīng)用程序最多可有56個(gè)任務(wù)。用戶可以通過系統(tǒng)提供的任務(wù)結(jié)構(gòu)來自行創(chuàng)立任務(wù)。改進(jìn)方案中需要管理的任務(wù)包括GPS校時(shí)、讀采集數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波和存數(shù)據(jù)，執(zhí)行框架如圖1。

在初始化時(shí)，進(jìn)行GPS校時(shí)。讀優(yōu)先級(jí)最高，采集器不停地讀數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中還沒填滿時(shí)，進(jìn)行濾波和寫存儲(chǔ)器的任務(wù)，一旦緩沖已滿就要繼續(xù)執(zhí)行讀操作。這里所說的讀操作實(shí)際上是系統(tǒng)從緩沖中讀的操作，并不是實(shí)際的采集器讀地磁信號(hào)操作。寫任務(wù)其次，必須連貫地完成一次寫任務(wù)，中途不能被打斷。所以只有在不進(jìn)行讀操作時(shí)，才可以進(jìn)行寫操作。濾波任務(wù)在讀任務(wù)完成后執(zhí)行，但是如果前一個(gè)寫任還沒有完成，就不能濾波，以防止新數(shù)據(jù)無法寫入。所以只有當(dāng)新的讀任務(wù)結(jié)束，且舊的寫任務(wù)完成后方可執(zhí)行新讀數(shù)據(jù)的濾波任務(wù)。通過μC/OS-II提供的信號(hào)量機(jī)制，可很好地實(shí)現(xiàn)任務(wù)進(jìn)程的互斥與并發(fā)。

5 、ARM對(duì)外圍設(shè)備的擴(kuò)展

主控單元與前臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊間仍保留原有ISA總線接口標(biāo)準(zhǔn)，只是自行設(shè)計(jì)ARM主控單元的接口電路如圖2所示。符合原有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)后，改進(jìn)電路成功替代了原來的主控。

雖然串行接口速度較慢，但完全可以滿足與上位機(jī)之間的通信。改進(jìn)方案首先實(shí)現(xiàn)了ARM對(duì)于串口的擴(kuò)展，作為通信手段之一。使用ARM公司自行開發(fā)的的ARM調(diào)試專用環(huán)境ADS1.2測(cè)試串行接口的效果：擴(kuò)展程序所設(shè)計(jì)的輸出結(jié)果為AT9140800USART_CUGB，連接采集儀和PC機(jī)，使用Windows自帶的超級(jí)終端可以看到輸出結(jié)果與設(shè)計(jì)一致，表明擴(kuò)展是成功的。

各采集器間及采集器與上位機(jī)交互還可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)方案基于μC/OS-II移植IP協(xié)議棧后，通過擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口卡，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。由于網(wǎng)絡(luò)接口芯片本身也遵守ISA標(biāo)準(zhǔn)，所以擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)接口還可以用來仿真測(cè)試ISA總線。檢測(cè)總線時(shí)序情況就可測(cè)試主控模塊的功能情況。抓取ISA設(shè)備時(shí)序，即得出系統(tǒng)接總線是否符號(hào)ISA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。寫一次后，邏輯分析儀截出幾次時(shí)序，結(jié)果如圖3所示。圖3時(shí)序情況：/CS8019為網(wǎng)絡(luò)接口芯片片選信號(hào)，/WE為寫使能信號(hào)，/OE為輸出使能信號(hào)，A1～A5為低5位地址，D0～D7為8位數(shù)據(jù)位。圖3中顯示寫使能一次后，輸出多次，對(duì)應(yīng)地址循環(huán)（程序設(shè)定的輸出效果），數(shù)據(jù)位則是輸出8019的數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容沒有意義。如圖3虛線處，在C1時(shí)刻，開始進(jìn)行寫操作；C2時(shí)刻輸出，低5位地址為00000；C3時(shí)刻第二次輸出，地址為00001；C4時(shí)刻第三次輸出，地址為00010。依次類推，表明主控單元改進(jìn)滿足了ISA總線的要求，網(wǎng)絡(luò)接口擴(kuò)展也正常?；诖?，通過與前臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊直接連接，即可進(jìn)行海底大地電磁數(shù)據(jù)的高效采集。

由于采用ARM芯片取代原有主控單元，僅此一項(xiàng)就降低功耗約25%，實(shí)現(xiàn)了功耗降低的要求。另外在采用了操作系統(tǒng)后，將使整個(gè)采集過程更穩(wěn)定有序，提高了整個(gè)采集過程的準(zhǔn)確性和安全性。