嵌入式
基本功能
在本设计中,数据的处理可以使用PC机的MATLAB等功能强大的软件,但是这类现有的数据处理软件并不能对特有的数据采集系统的下位机采集模块进行直接控制,因此需要针对特定的数据采集系统编写对应的上位机软件,上位机软件是针对上述目的而设计与编写的,是整个采集系统的控制前端和数据存储及处理中心。控制功能主要包括控制下位机采集的开始与终止,采集的频率等,数据处理功能主要包括绘制波形图,将数据显示于列表,将数据存储于文件,其中将数据存储于文件将便于使用现有的数据处理软件对数据进行一些数值算法处理,以达到科学研究,结论验证等目的。
开发环境
C++程序设计语言可以很好地实现面向对象的编程思想,采用C++编写上位机程序,可以将每一个功能模块封装成一个类,修改某个类的实现,增加类的功能不会影响整个程序的框架,这样就很容易维护和扩展功能;加之我们要实现的软件功能中需要调用大量的windows API函数库,所以采用VC++6.0作为上位机的开发环境。
程序功能模块划分
总的功能模块主要包括三个模块,即HID设备读写模块,数据采集模块,数据处理模块。

HID设备的查找与读写
(1)枚举
USB主机在检测到USB设备插入后,就要对设备进行枚举了。枚举就是从设备读取一些信息,知道设备是什么样的设备,如何进行通信,这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序。
(2)HID
人机接口设备(HID)是指直接和人进行互动的设备,如鼠标、键盘等. 在Windows 中,具有相似属性和提供相似服务的设备被归为一种设备类型,一种类型的设备可以使用一个通用的设备驱动程序. 在运行Windows 98 或更高版本的PC 机上,应用程序可以使用操作系统内置的HID 类驱动程序与HID 通信. 这样使得符合HID 类的USB 设备很容易开发与运行.
(3)HID设备的查找
在Windows操作系统中内置很多与HID有关的API函数,调用这些函数,就可以开始对指定的HID设备进行查找,查找HID设备的最终目的是获得该设备的路径名,设备的存取容量等信息,为以后对该设备进行读写做好准备。

(4)HID设备的读写
在取得了HID设备的路径全面后,即可开始对HID设备进行读写,对设备的读写也是通过调用相应的函数来实现的。
控制下位机进行数据采集
上位机向下位机发送命令,控制下位机进行数据采集,并从下位机获取数据,在这个过程中,要处理好两个线程的同步的问题,即数据采集线程和数据处理线程能够协调工作,保正系统能正确稳定的工作。具体的解决方法是实现对某些数据访问的原子操作,即一个线程在对公共数据进行访问时,另一个线程不能打扰,直到操作线程操作完成,放弃对数据的使用权,另一个线程才能够访问数据。
下位机获取了关于采集的有关参数后,即可开始采集,每隔一定时间采集一个数据,当采集数据数目达到限制值个数后,本次采集完成,此时下位机才开始将采集数据发送给上位机。

上位机对采集的数据的处理
上位机在将数据采集命令发送给下位机后,所要做的就是等待下位机采集完成并接收数据,因此上位机将循环查询下位机工作状态,一旦检测到下位机采集结束的标志,上位机就开始对数据进行处理。
数据处理分为三种:
(1)绘制波形图
绘制波形图的要求有两点:第一是不能频繁闪烁,影响观察;二是波形图是动态的,因为绘制区域有限,而所采集的数据是源源不断增加的,因此要求波形图能够动态的更新。
(2)添加到列表显示
可直观地查看目前所采集的所有数据。
(3)保存到文件
运用功能强大的数据处理软件对数据进行更深的处理。
界面显示
采集单极性正弦波工作界面

转自:markmin214




单片机的特点:
(1) 受集成度限制,片内存储器容量较小,一般内ROM:8KB以下;
(2) 内RAM:256KB以内。
(3) 可靠性高
(4) 易扩展
(5) 控制功能强
(6) 易于开发
ARM的特点:
(1)自带廉价的程序存储器(FLASH)和非易失的数据存储器(EEPROM)。这些存储器可多次电擦写,使程序开发实验更加方便,工作更可靠。
(2)高速度,低功耗。在和M51单片机外接相同晶振条件下,AVR单片机的工作速度是M51单片机的30-40倍;并且增加了休眠功能及CMOS技术,使其功耗远低于M51单片机。
(3) 工业级产品。具有大电流输出可直接驱动SSR和继电器,有看门狗定时器,防止程序走飞,从而提高了产品的抗干扰能力。
(4) 超功能精简指令,具有32个通用工作寄存器,相当于M51单片机中32个累加器!从而克服了单一累加器工作的瓶颈效应。
(5)程序下载方便。AVR单片机即可并行下载也可串行下载,无需昂贵的编程器。此外,还可以在线下载!也就是说可以直接在电路板上进行程序修改和烧录。
(6) 具有模拟比较器、脉宽调制器、模数转换功能。使得工业控制中的模拟信号处理更为简单方便。
(7) 并行口、定时计数器、中断系统等单片机内部重要资源的功能进行了大幅度提升,使之更适合工业生产过程的实时控制。
(8) 其时钟频率既可外接也可使用单片机内部自带的振荡器,其频率可在1MHz-8MHz内设置,使得硬件开发制作更为简洁。
(9)强大的通讯功能,内置了同步串行接口SPI、通用串行接口UAST、两线串行总线接口TWI(I2C ),使网络控制、数据传送更为方便。
(10)超级保密功能,应用程序可采用多重保护锁功能。可低价快速完成厂家产品商品化等等。 除上述特点外“零外设”也是AVR嵌入式单片机的重要特征。由于该芯片已内置了程序存储器、晶振并增加了在线汇编功能。
所以AVR单片机芯片接上直流电源,下载个程序就可以独立工作。无需附加外部设备,无需使用昂贵的编程器和仿真装置。这给我们学习和开发带来了便利条件。
FPGA的特点:
(1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
(2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
(3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
(4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
(5)FPGA采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。
嵌入式系统的特点:
(1)系统内核小
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统,内核只有5K,而Windows的内核?简直没有可比性。
(2)专用性强
嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常 紧密,一般要针对硬件进行系统的移植,即使在同一品牌、同一系列的产品中也 需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务,往往需要 对系统进行较大更改,程序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的 “升级”是完全两个概念。
(3)系统精简
嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求 其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。
(4)高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。
(5)嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统
嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任 务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS (Real-Time Operating System)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。
(6)嵌入式系统开发需要开发工具和环境。
由于其本身不具备自举开发能力, 即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套 开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬 件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的 概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。
转自:小丑l
在uCOS-II实时内核下,对外设的访问接口没有统一完善,有很多工作需要用户自己去完成。串口通信是单片机测控系统的重要组成部分,异步串行口是一个比较简单又很具代表性的中断驱动外设。本文以单片机中的串口为例,介绍uCOS—II下编写中断服务程序以及外设驱动程序的一般思路。
1、uCOS-II的中断处理及51系列单片机中断系统分析
uCOS-II中断服务程序(ISR)一般用汇编语言编写。以下是中断服务程序的步骤。
保存全部CPU寄存器;调用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局变量)直接加1; 执行用户代码做中断服务; 调用OSIntExit(); 恢复所有CPU寄存器; 执行中断返回指令。
uCOS-II提供两个ISR与内核接口函数;OSIntEnter()和OSIntExit()。OSIntEnter()通知uCOS-II核,中断服务程序开始了。事实上,此函数做的工作是把一个全局变量OSIntNesting加1,此中断嵌套计数器可以确保所有中断处理完成后再做任务调度。另一个接口函数OSIntExit()则通知内核,中断服务已结束。根据相应情况,退回被中断点(可能是一个任务或者是被嵌套的中断服务程序)或由内核作任务调度。
用户编写的ISR必须被安装到某一位置,以便中断发生后,CPU根据相应的中断号运行准确的服务程序。许多实时操作系统都提供了安装和卸载中断服务程序的 API接口函数,但uCOS-II内核没有提供类似的接口函数,需要用户在对CPU的移植中自己实现。这些接口函数与具体的硬件环境有关,接下来以51单片机下的中断处理对此详细说明。
51单片机的中断基本过程如下:CPU在每个机器周期的S5P2时刻采样中断标志,而在下一指令周期将对采样的中断进行查询。如果有中断请求,则按照优先级高低的原则进行处理。响应中断时,先置相应的优先级激活触发器于相应位,封锁同级或低级中断,然后根据中断源类别,在硬件控制下,将中断地址压入堆栈,并转向相应的中断向量入口单元。通常在入口单元处放一跳转指令,转向执行中断服务程序.当执行中断返回指令RETI时,把响应中断时所置位的优先级激活触发器清零后,从堆栈中弹出被保护的断点地址,装入程序计数器PC,CPU返回原来被中断处继续执行程序。
在移植的过程中,采用Keil C51作为编译环境。Keil C5l集成C编译和汇编器。中断子程序用汇编语言编写,放到移植uCOS-II后的OS_CPU_A.ASM汇编文件中。下面是以串行口中断为例的移植中断服务子程序代码。
CSEGAT0023H ;串口中断响应入口地址
LJMPSerialISR;转移到串口中断子程序入口地址
RSEG?PR?SeriallSR?OS_CPU_A
SerialISR:
USINGO
CLR EA ;先关中断,以防中断嵌套
PUSHALL ;已定义的压栈宏,用于将CPU寄存器的值压入堆栈
LCALL_?OSIntEnter ;监视中断嵌套
LCALL_?Serial ;串口中断服务程序
LCALL_?OSintExlt
SETBEA
POPALL;已定义的出栈宏,将CPU寄存器的值出栈
RETI
2、串口驱动程序
笔者已在5l单片机上成功移植了uCOS-II内核,移植过程在此不再讨论。这里重点分析uC0S—II内核下串口驱动程序编写。
由于串行设备存在外设处理速度和CPU速度不匹配的问题,所以需要一个缓冲区.向串口发送数据时,只要把数据写到缓冲区中,然后由串口逐个取出往外发。从串口接收数据时,往往等收到若干个字节后才需要CPU进行处理,所以这些预收的数据可以先存于缓冲区中。实际上,单片机的异步串口中只有两个相互独立、地址相同的接收、发送缓冲寄存器SBUF。在实际应用中,需要从内存中开辟两个缓冲区,分别为接收缓冲区和发送缓冲区。这里把缓冲区定义为环形队列的数据结构。
uCOS-II内核提供了信号量作为通信和同步的机制,引入数据接收信号量、数据发送信号量分别对缓冲区两端的操作进行同步。串口的操作模式如下:用户任务想写,但缓冲区满时,在信号量上睡眠,让CPU运行别的任务,待ISR从缓冲区读走数据后唤醒此睡眠的任务;同样,用户任务想读,但缓冲区空时,也可以在信号量上睡眠,待外部设备有数据来了再唤醒。由于uCOS-II的信号量提供了超时等待机制,串口当然也具有超时读写能力。
图1是带缓冲区和信号量的串口接收示意图。数据接收信号量初始化为0,表示在环形缓冲区中无数据。

接收中断到来后,ISR从UART的接收缓冲器SBUF中读入接收的字节(②),放入接收缓冲区(③),然后通过接收信号量唤醒用户任务端的读操作(④、 ①)。在整个过程中,可以查询记录缓冲区中当前字节数的变量值,此变量表明接收缓冲区是否已满。UART收到数据并触发了接收中断,但如果此时缓冲区是满的,那么放弃收到的字符。缓冲区的大小应合理设置,降低数据丢失的可能性,又要避免存储空间的浪费。

图2为带环形缓冲区和超时信号量的串口发送示意图。发送信号量初始值设为发送缓冲区的大小,表示缓冲区已空,并且关闭发送中断。发送数据时,用户任务在信号量上等待(①)。如果发送缓冲区未满,用户任务向发送缓冲区中写入数据(②)。如果写入的是发送缓冲区中的第一个字节,则允许发送中断(②)。然后,发送ISR从发送缓冲区中取出最早写入的字节输出至UART(④),这个操作又触发了下一次的发送中断,如此循环直到发送缓冲区中最后一个字节被取走,重新关闭发送中断。在ISR向UART输出的同时,给信号量发信号(⑤),发送任务据此信号量计数值来了解发送缓冲区中是否有空间。
3、串口通信模块的设计
每个串行端口有两个环状队列缓冲区,同时有两个信号量:一个用来指示接收字节,另一个用来指示发送字节。每个环状缓冲区有以下四个要素:
存储数据(INT8U数组); 包含环状缓冲区字节数的计数器; 环状缓冲区中指向将被放置的下一字节的指针; 环状缓冲区中指向被取出的下一字节的指针。

图3是接收数据软件模块的流程图。SerialGetehar()用来获取接收到的数据,如果缓冲区已空时将任务挂起,接收到字节时,任务将被唤醒,同时从串行口接收字节。SerialPutRxChar()用来将接收的字节放到缓冲区中,如果接收缓冲区已满,则该字节被丢弃。当字节插入到缓冲区中,SerialPutRxChar()通知数据接收信号量,使之将数据己到的消息传达给所有等待的任务。为防止挂起应用任务,可以通过调用 SceiallsEmPty()去发现环状队列中是否有字节。

图4是发送数据模块的流程图。当需要发送数据给串行端口时,SerialPurChar()等待信号量在初始化发送信号量时应该初始为缓冲区的大小。因此,当缓冲区中没有更多空间时,SerialPutChar()就挂起任务,只要UART再次发送字节,挂起任务就将恢复。 SerialGctChar()被中断服务程序调用,如果发送缓冲区至少还有一个字节,Seri-a1GetChar()就返回一个从缓冲区发送的字节。如果缓冲区己空,则SerialGetChar()返回Null,这将使调用停止进一步的发送中断,一直到有数据发送为止。
4、异步串行通信的接口函数
应用任务可以通过如下的几个函数来控制和访问UART:SerialCfgPort()、SerialGetChar()、SerialInit()、SerialIsEmpty()、SerialIsFull()和SerialPutChar()。
SerialCfgPort()用于建立串行端口的特征,在为指定端口调用其他服务前,必须先调用该函数,包括确定波特率、比特数、奇偶校验和停止位等。
SerialGetChar()使应用程序从接收数据的环状缓冲区中取出数据。
SerialInit()用于初始化整个串口软件模块,且必须在该模块提供的其他任何服务前调用。SeriallInit()将环状缓冲区计数器的字节数清零,并初始化每个环状缓冲区的IN和OUT指针,指向数据存储区的开始处。数据接收信号量初始化为0,表示在环状缓冲区无数据。用传送缓冲区大小初始化数据传送信号量,表示缓冲区已空。
SerialIsEmpty()允许应用程序确定是否有字节从串口接收进来。本函数允许在无数据时避免将任务挂起。
SerialIsFull()允许应用程序确定传送环状缓冲区的状态,本函数可以在缓冲区已满时避免将任务挂起。
SerialPutChar()允许应用程序向一个串行端口发送数据。
5、结语
该串口通信模块充分利用了实时内核的任务调度功能和信号量机制,系统软件模块化,可读性增强,便于修改和移植,其设计思路和方法可以很好的应用在多种情况下的测控系统中,系统的扩展方便,具有一定的借鉴作用。该串口通信模块已作为某铁路供水远程控制终端的一部分,运行稳定,提高了整个系统的运行效率和实时性。
转自:畅学电子网




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