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。

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矗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