基于ARM 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

楊志杰，石驥碩，徐 寧，王財進

（中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京100081；2.北京交通大學理學院，北京100044）

工業(yè)現(xiàn)場設備通常都會長時間運行，為了對設備的運行狀況進行更好的監(jiān)控，可以利用信號采集系統(tǒng)對這些設備運行狀況以及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集，并發(fā)送給監(jiān)控計算機，運行在監(jiān)控計算機上的分析軟件通過對這些數(shù)據(jù)的分析處理，可以得出設備當前的運行狀況，從而可以針對當前的運行狀況采取相應的措施。目前，常用的信號采集裝置，在其系統(tǒng)軟件設計中多采用單片機、DSP或基于嵌入式計算機的架構(gòu)。然而基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 雖然處理速度快，但成本較高，實現(xiàn)通信接口較困難，過多的中斷會降低CPU 的效率，系統(tǒng)響應速度變差。而單片機的系統(tǒng)則由于單片機本身的局限性，運行速度低，無法執(zhí)行多任務操作。基于嵌入式Linux的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則很好地完成相應功能，彌補了上面兩種系統(tǒng)的缺陷。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的核心部分，完成對任務進行控制和調(diào)度，并且實現(xiàn)任務間通信與同步、對系統(tǒng)資源以及存儲的管理。

本文以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為平臺，以基于ARMv5te、XScale架構(gòu)的PXA270為處理器，設計和實現(xiàn)一種通用的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式設計，可以使用以太網(wǎng)、485/422串口、CAN總線等多種通信接口實現(xiàn)系統(tǒng)上位機與現(xiàn)場檢測下位機之間的通信。正常運行時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以用來完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)簡單處理、數(shù)據(jù)在文件中的存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N任務。系統(tǒng)有一定的自動檢測、自動校正能力，可以將檢測出的異常情況發(fā)送給上位機，方便對系統(tǒng)進行維護。為了適應各種自動檢測的需求，采用模塊化結(jié)構(gòu)對整個檢測系統(tǒng)進行設計，這樣可以方便地對模塊進行不同的組合，從而構(gòu)造出不同功能的應用系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用PXA270處理器作為整個系統(tǒng)的核心，其系統(tǒng)硬件組成如圖1。從傳感器等信號源接收的模擬信號經(jīng)過調(diào)理電路處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到PXA270中。根據(jù)不同的應用，在ARM中進行數(shù)字濾波和其它相應處理，通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，從而進行進一步的分析和處理。圖形界面利用QT技術，利用液晶屏顯示軟件界面以及調(diào)試信息，可以方便地通過圖形界面的提示，利用鼠標和鍵盤進行控制。

圖1 基于PXA270的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

1.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要是為了將信號分量調(diào)整到適當?shù)姆龋⒁种聘蓴_信號。采取的主要措施有：增加衰減器以調(diào)整較大信號電壓到合適ADC輸入的范圍，并增加與前端的傳感器或接收天線的匹配程度。調(diào)理電路中包括LC低通濾波器，濾去干擾信號。

1.3 模擬信號采樣

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用12 bit雙通道、采樣速率為65 Msp/s的AD9238。該芯片采用3.3 V供電，與單通道A/D轉(zhuǎn)換器相比，AD9238具有與A/D轉(zhuǎn)換器同樣優(yōu)異的動態(tài)性能，但是與兩個單通道A/D轉(zhuǎn)換器相比，AD9238可以實現(xiàn)比A/D轉(zhuǎn)換器更好的抗串擾性能。

1.4 外部設備

根據(jù)系統(tǒng)需求，外部可擴展相應大小的FLASH，供緩存數(shù)據(jù)和存貯程序。PXA270處理器集成了存儲單元控制器，其外部的存儲總線接口支持為：SDRAM、FLASH、ROM、SRAM、PC卡等。SDRAM具有單位空間存儲容量大和價格便宜的優(yōu)點，主要被用作程序的運行空間以及數(shù)據(jù)集堆棧區(qū)。系統(tǒng)上電啟動時，CPU首先會讀取地址0x0處的代碼，在這段代碼完成相應硬件初始化后，會將其他相應的程序代碼傳送到SDRAM中運行。系統(tǒng)設計中，使用4片HY57V561620FTP-H芯片構(gòu)成128 Mbit的大容量存儲空間。HY57V-561620是4 Mbit×4 banks×16 bit的SDRAM，單片容量為32 Mbit，這里，使用位擴展的方式擴展成32 bit的接口。

與上位機通信接口包括：以太網(wǎng)，帶光電隔離的3路422/485串口，CAN總線。

2 系統(tǒng)軟件設計

針對該系統(tǒng)的特點，將軟件平臺在嵌入式Linux上實現(xiàn)。

圖2 嵌入式Linux的分層體系結(jié)構(gòu)

如圖2，嵌入式Linux具有分層的體系結(jié)構(gòu)，每一層都屏蔽了它以下各層具體的實現(xiàn)細節(jié)，為上層提供相應的功能接口，上層模塊不需要知道下面各層的具體實現(xiàn)細節(jié)，只需要利用下層提供的接口來完成相應功能。正因分層的體系結(jié)構(gòu)，提高了嵌入式Linux的安全性、穩(wěn)定性以及便利性。

2.1 內(nèi)核的裁減編譯與啟動

由于基于PXA270的系統(tǒng)資源受限，真正標準的Linux操作系統(tǒng)是面向PC的，這就需要裁減Linux內(nèi)核，只保留所需要的功能使之適應受限的系統(tǒng)資源。對于一些可獨立加載或者可以卸載的功能塊，可以在配置內(nèi)核時僅保留嵌入式系統(tǒng)功能真正實現(xiàn)所需要的模塊，卸載那些不需要的功能模塊。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的實時性有一定要求，而內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存管理機制對實時性有所影響，可以將其屏蔽從而增強Linux的實時性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，PXA270屬于X86體系結(jié)構(gòu)，與一般PC使用的Linux操作系統(tǒng)兼容。因此，可以使用X86體系下Linux系統(tǒng)的gcc編譯器，對裁剪過的Linux 內(nèi)核源代碼進行編譯。本系統(tǒng)增加了對文件系統(tǒng)和GUI的支持，其中所實現(xiàn)的文件系統(tǒng)包括：基本文件的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，基本可執(zhí)行程序，配置文件，設備/dev/hd* 和/dev/tty*，程序運行所需的庫文件。GUI是實現(xiàn)軟件可視化設計需求所必需的，用其所實現(xiàn)的圖形界面也為將來的現(xiàn)場檢修維護提供便于操作的圖形界面。

2.2 啟動設備驅(qū)動程序

BootLoader是一段小程序，用于引導操作系統(tǒng)或者用戶應用程序。BootLoader用于對必要的硬件設備進行初始化、建立內(nèi)存映射，為最終內(nèi)核或用戶應用程序的啟用準備好正確的軟硬件環(huán)境。

為了完成系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)應用程序?qū)τ布目刂疲枰獙Υ谝约癐/O口編寫相應的設備驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序運行在內(nèi)核空間，是內(nèi)核的一部分，用于完成內(nèi)核與硬件之間的交互。設備驅(qū)動程序的主要功能包含：對設備初始化、設備使用完成后對設備以及其使用相關資源的釋放、驅(qū)動程序與硬件之間數(shù)據(jù)的交互、應用程序與驅(qū)動程序之間的數(shù)據(jù)交流、對設備出現(xiàn)的異常情況的監(jiān)測和處理。

設備驅(qū)動程序的功能主要通過對中斷處理實現(xiàn)。為了使系統(tǒng)更好地工作，完成中斷的功能，一般把中斷處理程序分為上半部和下半部。上半部也就是在關中斷方式先被硬件中斷觸發(fā)的一般意義上的中斷服務程序，所以要求運行時間應當盡可能短，處理盡可能快，否則影響系統(tǒng)性能；下半部適合處理占用時間較長，甚至有休眠的任務，可以在開中斷以及任務串行化的環(huán)境下運行。實時性很強的任務被驅(qū)動程序上半部處理完成后會調(diào)用queue_task函數(shù)，這樣就會把下半部處理函數(shù)掛入到立即隊列中，并激活立即隊列，再通過調(diào)用mark_bh函數(shù)，下半部就可以以最高最優(yōu)級被先執(zhí)行。

由于中斷信號線數(shù)目極其有限，當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面對多個數(shù)據(jù)源，如果對每個信號源都獨占一根中斷信號線時，顯然中斷信號線的數(shù)目無法滿足要求。為了解決上面的問題，使系統(tǒng)具有更好的靈活性，則應使用數(shù)據(jù)源共享某根中斷信號線的方式來實現(xiàn)中斷。中斷信號線共享的實現(xiàn)只需要在申請中斷信號線時把request_irq函數(shù)的flags參數(shù)設置為SA_SHIRQ即可。此時的中斷處理例程需要通過inb函數(shù)查看AD9238相應的寄存器來判斷中斷是否是這個芯片發(fā)出，如果不是則繼續(xù)查找中斷源。如果找到中斷源，則讀取相應的數(shù)據(jù)寄存器中的相關數(shù)據(jù)，放到驅(qū)動程序的緩存區(qū)AD_Data中，等待進程通過調(diào)用read函數(shù)來調(diào)用驅(qū)動程序中實現(xiàn)的read函數(shù)，并通過copy_to_user將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間中。

在接收中斷的過程中，為了防止由于丟失中斷導致驅(qū)動程序沒有讀取AD9238中的數(shù)據(jù)并對其進行設置，使其不能發(fā)送中斷導致整個驅(qū)動卡死的這種情況發(fā)生，這里需要使用內(nèi)核定時器，如果在100個時鐘滴答內(nèi)沒有收到中斷，會自行調(diào)動中斷處理例程，檢測是否芯片已經(jīng)發(fā)出了中斷卻沒有收到。

用戶進程是通過/dev目錄下的相關設備文件來與硬件打交道的，通過調(diào)用對設備文件相關操作的系統(tǒng)調(diào)用從而對設備或接口進行操作。需要使用file_operations結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)設備驅(qū)動程序要實現(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)用，file_operations結(jié)構(gòu)中每一個成員都對應著一個系統(tǒng)調(diào)用。用戶進程通過對/dev下設備文件的操作找到相應設備驅(qū)動程序的相關調(diào)用，通過讀取這個設備對應file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針，最終把控制權(quán)交給該函數(shù)。對設備驅(qū)動程序的編寫主要是要實現(xiàn)與該設備相關的系統(tǒng)調(diào)用，也就是填充file_operations的各個域并編寫相對應的函數(shù)。

設備驅(qū)動程序可以以模塊的方式加入內(nèi)核。init_module函數(shù)首先要檢測設備是否存在；然后對系統(tǒng)中未使用的空閑中斷進行申請；設備驅(qū)動申請輸入輸出緩存隊列空間對提高系統(tǒng)的性能有很大幫助，可以通過調(diào)用kmalloc函數(shù)進行申請；以上工作完成后，對 register_chrdev函數(shù)進行調(diào)用就可以完成系統(tǒng)對設備驅(qū)動程序的加載。在clearup_module時，先通過調(diào)用free_irq函數(shù)釋放掉申請到的中斷資源，然后調(diào)用kfree函數(shù)釋放初始化時申請到的內(nèi)存空間，最后通過調(diào)用unregister_chrdev函數(shù)來完成對這個已經(jīng)注冊的字符設備驅(qū)動程序的釋放。

2.3 應用程序設計

系統(tǒng)的應用程序由多個功能模塊構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信等模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊通過對I/O接口的操作，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)中利用inb、inb_p、outb、outb_p這4個函數(shù)實現(xiàn)設備中數(shù)據(jù)的讀取和寫入。inb_p、outb_p相對于inb、outb，需要在存取I/O時有等待（pause），可適應響應較慢的I/O設備。Linux內(nèi)核提供對端口使用狀況的控制及查詢功能，合理利用這些功能就可以防止I/O讀寫時發(fā)生沖突。端口使用之前，檢查相應的I/O端口是否正在被使用，如果當前狀態(tài)為空閑，就把相應端口標記為正在使用，在使用完后進行釋放。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波以及其它處理功能，并將數(shù)據(jù)導出存到相應文件中。最終要將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過適當接口傳到上位機。

（3）數(shù)據(jù)通信模塊負責從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給上位機。

應用程序的工作流程如圖3。

圖3 應用程序工作流程圖

從圖3可以看出，應用程序完成了以下工作：（1）初始化操作，開辟一塊共享緩沖區(qū)，并為該緩沖區(qū)加一個互斥鎖。（2）創(chuàng)建3個線程，分別對應3種數(shù)據(jù)通信方式：socket網(wǎng)絡通信，485串口通信，CAN總線通信。這3種數(shù)據(jù)通信方式負責把數(shù)據(jù)傳送給上位機。

在主線程中，打開驅(qū)動程序設備文件，并從這個設備中讀取數(shù)據(jù)。由于設備read()函數(shù)是阻塞函數(shù)，所以使用了select()函數(shù)設置了一個等待時間，使得讀取操作為非阻塞操作。當有數(shù)據(jù)可讀時，就調(diào)用read()函數(shù)，把驅(qū)動程序處于內(nèi)核區(qū)的數(shù)據(jù)傳遞給用戶區(qū)的數(shù)據(jù)緩存，也就是主線程把數(shù)據(jù)寫入了共享緩沖區(qū)中。

在socket網(wǎng)絡通信線程中，先要創(chuàng)建一個用于通信的socket文件描述符，并使用bind()函數(shù)綁定本地的網(wǎng)絡地址（IP）、端口號（Port）；然后循環(huán)檢測緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)可讀，如果有，就讀取出來并調(diào)用sendTo()函數(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送給對方。

在485通信線程中，先要打開串口設備，并設置串口的相關數(shù)據(jù)，如波特率，數(shù)據(jù)位，停止位等，然后也是到共享緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并通過write函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

在CAN總線通信線程中，首先打開CAN總線設備文件，進行一系列的初始化操作，然后判斷共享緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是否可以讀取，如果可以就讀取下來，通過CAN總線給上位機傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本文設計了一種通用的高性能信號采集系統(tǒng)，可以通過加載不同的應用程序使用在不同的應用場合，具有集成度高、低成本、高性能、多用途的特點。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試非常方便，可靠性高，擴展方便，組合容易，可以根據(jù)現(xiàn)場提供的通信條件如422/485串口、以太網(wǎng)，或者CAN總線與上位機通信，便于將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)可靠地上傳。本系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)應用于400 km/h高速綜合檢測列車上應答器的數(shù)據(jù)采集，高速列車上多處現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集設備也采用了本系統(tǒng)。

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