基于ARM10和Windows CE.net的数据采集系统与方法

1．引言

目前,在高层建筑和桥梁等大型建筑的基础工程中，用大体积混凝土的整体钢筋混凝土箱型基础已成为较普通的结构形式。这种大体积混凝土硬化期间水泥水化热所产生的温度应力和收缩应力,便成为导致钢筋混凝土结构出现裂缝的主要因素。只有很好的监测出混凝土内外各点处的温度，才能为施工人员提供依据，及时采取相应措施。由于该系统测量点较多，传统的测温方法包括使用玻璃泡温度计、电子测温仪等设备及基于单片机的现场采集系统已逐渐不能满足应用的需要。随着微电子技术和计算机技术的发展，32位的高性能微处理器逐渐代替了传统的8位单任务单片机，并且采用多线程多任务的嵌入式操作系统成为发展趋势，远程监控和数据的网络化管理也越来越多的应用到当中。本文采用高性能的32位ARM处理器PXA255和实时性嵌入式操作系统，开发一种集数据采集，现场监控及基于 GPRS远程无线网络化数据处理的嵌入式数据采集系统，不仅可以降低费用，避免铺设线路的麻烦，而且可以实现24小时全天候无人实时监控，在远离施工现场，环境较好的实验室即可实现数据存储，分析处理和共享，实现现场监控管理；同时，将该数据库服务器通过Internet接入网络，则局域网内任何一个客户端都可以通过TCP/IP访问数据库，方便历史数据查询与分析。

2．系统原理框图

整个系统原理框图如图1：

3．嵌入式数据采集硬件设计

3.1 工作原理

应用时该系统置于监控的设备处，传感器信号通过模拟开关，先经过预处理，获取符合A/D转换芯片要求的信号，经过A/D转换，进入FIFO，然后由嵌入式微处理器读取和处理数据，通过串口上的GPRS模块，进行无线通信，将采集到的数据送到远程上位机。在A/D转换模块中，采用多路模拟开关，可完成大数量点的数据采集。FPGA是整个系统的控制中心，控制采集通道的切换，A/D转换芯片的启停，转换后的数据在FIFO中的存放以及向主处理器 PXA255产生中断请求读取FIFO中的数据。 整个嵌入式系统原理框图如图2：

3.2 硬件介绍                 

本系统核心板采用深圳亿道公司的XSBase255开发板，采用Intel 的32位微处理器XScale PXA255，采用32MB的Flash，64MB的SDRAM，LCD采用了LG TFT LCD 640*480。XSBase255是一款理想的PDA、手机等消费电子、信息家电、通讯和工业控制等应用的开发系统。成功开发的案例有车载系统、工业控制、电力信息网关、嵌入式监控系统、消费电子、多媒体等方面的应用。系统扩展了基于串口的GPRS无线通信模块。

XScale PXA255是ARM10系列的一员，采用Intel XScale 微结构体系框架，与ARM V.5TE兼容,其主要特点有：

1.高性能的32位核，主频200-400MHz。

2.丰富的外设接口，集成SDRAM控制器，支持多至6 个静态存储器器件（SRAM，Flash, ROM 或VLIO），集成LCD控制器，支持各种通信接口包括3个UART等。

3.工作电压是1．3V，而PXA250工作电压是1．5V，PXA255功耗更小，节约了电能。采用0．18μm制造工艺，是一块面积仅为17mm×l7mm、256脚的芯片。

4.支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

5.强大的MMU，支持各种嵌入式操作系统包括Windows CE.net操作系统。

基于PXA255以上特点，将其应用于实时的数据采集与监控系统是符合目前的发展要求的。[page]

扩展板采用FPGA控制的硬件电路 ，模拟开关采用AD公司的AD7506，可实现16通道数据采集。A/D转换芯片采用AD公司的AD574，单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。在本模块中采用FPGA来控制电路，可将原来由嵌入式软件执行的功能转移到硬件上，可降低嵌入式软件的复杂程度，减少软件的执行时间，增强系统的实时性能[2]。

4．软件

软件部分分为FPGA控制程序和PXA255 两部分，FPGA用VHDL来设计，基于PXA255的软件设计主要任务有数据采集的驱动程序，操作系统的移植以及界面显示与上位机的通信。

4．1 嵌入式操作系统

4.1.1 Windows CE.net 简介

Windows CE是微软公司推出的一个面向嵌入式应用的通用操作系统。Windows CE.net的出现，极大改善了它的实时性能和通信能力， 为其进入工业控制领域奠定了基础。Windows CE.net 具备多任务、实时性、模块化及可伸缩性、强大的通信能力等特点。在实时能力上，它的设计目标可以满足95%的硬实时系统的要求。1ms定时周期的误差约为 100µs，在200MHz的X86系统下可达50µs[1]。实时能力的另一个重要指标是中断延时，在Windows CE.net中，采用ISR处理延时较短，IST延时较长，但仍能保证不超过100µs。另外由于Windows的传统优势，多数人熟悉windows系统，使用户可以更容易的操作基于Windows CE的产品，同时，对于熟悉windows编程的产品软件开发人员也比较容易进行应用开发。

4.1.2  Windows CE.net 平台创建

     Windows CE.net为开发人员提供了一个不错的集成开发环境：Platform Builder，开发人员可以使用它根据提示完成操作系统镜像的定制、编译与调试工作，并可在此环境中进行应用软件、驱动程序的开发。在目标设备上创建 Windows CE.net平台，首先根据目标设备的硬件配置及需要，对Windows CE.net进行基本定制，开发并安装驱动程序，增加必要的特性，生成镜像文件，通过JTAG将bootloader写入flash后，通过网卡将镜像文件下载到目标设备中，进行调试。同时要导出SDK，以备后面用EVC开发应用程序。

4.2数据采集驱动程序

在数据采集中，主要是对外部I//O口的访问， Wince的BSP一般都实现了WRITE_PORT_UCHAR和READ_PORT_UCHAR 函数。访问方式采用中断方式。WinCE把中断处理分为两部分中断服务例行程序ISR和中断服务线程，用户的中断处理主要在IST中完成。这里采用基于中断方式的非标准驱动，要实现两个步骤：编写中断服务线程IST和注册中断服务线程。中断信号由FIFO经FPGA不断产生，每发生一次中断，运行在核心态的中断服务例行程序就调用一次IST。

5.结语

目前，在高层建筑和桥梁等大体积混凝土应用场合，温度测量还受单片机性能的限制。本文作者创新点是采用高性能PXA255处理器与FPGA相结合，运行多线程多任务Windows ce.net操作系统，应用于大体积混凝土的温度监测中，改善了应用单片机存在的不足，提高了实时性，提高了施工的安全性。利用移动通信公司的GPRS网络作为通信通道，具有高速、可靠、运营费用低、维护费用少等优点，实现远程监控和网络化管理。随着计算机技术和网络技术的发展，嵌入式微处理器的性能的提高，嵌入式系统将在工业控制领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 周毓林，宁杨，陆贵强，付林林. Windows CE.net 内核定制及应用开发.电子工业出版社：2005.2，3~19。

[2] F. Thomas, M.M. Nayak, S. Udupa, J.K. Kishore, V.K. Agrawal. A hardware/software codesign for improved data acquisition in a processor based embedded system. Microprocessors and Microsystems: 24 (2000) 129~134.

[3].深圳亿道电子有限公司. XSBase255 WINCE使用手册V2.1

[4].Intel. http://www.intel.com/design/pca/prodbref/252780.htm[EB/OL]

[5].邓成中，黄维公，万松峰.基于嵌入式ARM & WinCE的小型监控系统的设计.微计算机信息，21（8-2）：47~49.