??? 摘 要： 介紹一種飛行數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)基于LPC2138 ARM7和USOS II嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有實時、高頻率的飛行數(shù)據(jù)采集功能；提供的USB HST接口，可使用普通U盤讀取數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)提供了仿DOS的人機接口" title="人機接口">人機接口命令，方便用戶對系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的管理。該系統(tǒng)為小型無人機建模提供了技術(shù)支持。
??? 關(guān)鍵詞： LPC2138? USOS II? 無人機

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??? 近年來，無人機的發(fā)展已經(jīng)突破了軍用限制，開始向民用化發(fā)展。小型、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的無人機市場極為廣大。
無人機氣動布局的參數(shù)通常采用風洞試驗獲得。為降低成本，在小型無人機的設(shè)計中，采用實際遙控飛行并記錄飛行參數(shù)進而推算獲得飛機氣動布局。為此，設(shè)計了基于PhilipARM7以及RTOS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
??? 根據(jù)實際設(shè)計情況，提出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要需求為：
??? (1)采集模擬格式的高度表、航向數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、飛行速度等信號；
??? (2)采集脈沖模式的油門控制信號；
??? (3)采集串行數(shù)據(jù)的GPS定位信號；
??? (4)具有存儲30分鐘飛行數(shù)據(jù)的能力；
??? (5)可快速通過U盤將飛行數(shù)據(jù)導出，并立刻進行第二次記錄飛行數(shù)據(jù)的能力；
??? (6)用戶可使用PC查看數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲" title="數(shù)據(jù)存儲">數(shù)據(jù)存儲情況；
??? (7)體積小、重量輕、便于安裝、可靠性強、抗震及抗抖動性能強、抗干擾能力較強、接口可靠。
??? 綜合考慮以上所列的設(shè)計需求，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)以PhilipARM7系列的LPC2138^[1]為核心，完成了所要求的數(shù)種格式的飛行信號數(shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葐栴}，外擴了USB－HST控制器芯片，具備了通過插入U盤并配合按鍵快速將飛行數(shù)據(jù)讀出的功能。

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2 硬件設(shè)計
2.1 LPC2138簡介
??? LPC2138是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STM CPU微控制器，并帶有512KB的嵌入高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。其具有如下特性：
??? (1)小型LQFP64封裝的16/32位ARM7TDMI-S微控制器，32KB片內(nèi)靜態(tài)RAM。
??? (2)2個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，共包含16個模擬輸入，每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至2.44μs。
??? (3)2個32位定時器/計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗。
??? (4)實時時鐘具有獨立的電源和時鐘源，在節(jié)電模式下極大地降低了功耗。
??? (5)多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C接口（400 kbps）、SPITM和SSP（具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長度可變）。
??? (6)多達47個5V的通用I/O口（LQFP64封裝）。
??? (7)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。
??? (8)通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率，PLL的穩(wěn)定時間為100μs。
2.2 數(shù)據(jù)存儲擴展
??? 大容量數(shù)據(jù)存儲是單片機應用系統(tǒng)的瓶頸，受到容量、功耗、尋址方式的約束。突破容量限制，可以在很大程度上擴展和提高應用系統(tǒng)的總體功能。Sumsung公司的NAND結(jié)構(gòu)Flash存儲器件是一款性價比很高的超大容量數(shù)據(jù)存儲器件，在MP3、U盤、數(shù)碼相機和PDA中有廣泛應用，且市場占有份額逐年加大。將該器件作為各種單片機尤其是嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器，可以完美地解決容量限制，實現(xiàn)靈活操作，勢必成為數(shù)據(jù)存儲的主流方向。
??? 按照50Hz的采樣速率，每秒有800×8bit的數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)要求至少存儲30分鐘的飛行數(shù)據(jù)。使用K9F2808擴展16M×8bit的外部存儲空間，用來存儲從發(fā)動機控制器中傳來的發(fā)動機數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算其至少可以存儲500分鐘的數(shù)據(jù)，能夠滿足無人機飛行數(shù)據(jù)的要求。
??? K9F2808電源電壓1.7～3.6V，體積小，功耗低，容量最大可達1GB，按頁進行讀寫，按塊擦除，通過I/O口分時復用作為命令/地址/數(shù)據(jù)。為防止啟動或復位時電壓不穩(wěn)的誤擦除操作，K9F2808的WP接了10kΩ的上拉電阻，同時與地之間連接濾波電容。其余控制引腳直接與ARM的普通I/O口相連。
2.3 擴展USB Host
??? USB技術(shù)規(guī)范將使用USB進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方劃分為Host和Slave，并且規(guī)定，數(shù)據(jù)傳輸只能發(fā)生在Host和Slave之間。目前，絕大多數(shù)Host功能角色被集成在各種類型的PC機上，如筆記本電腦、臺式機、Mac機及服務器等；而各種各樣的基本USB移動設(shè)備都集成了USB Slave功能角色，例如U盤、帶USB接口的數(shù)碼相機等。這樣，就導致這些作為USB Slave的USB接口的數(shù)字設(shè)備中的數(shù)據(jù)離開PC機將無法讀寫。解決這一問題的根本辦法就是在需要使用USB設(shè)備的系統(tǒng)中集成USB Host功能模塊，使之具有與USB Slave設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?BR>??? 本設(shè)計利用SL811HS和8位單片機實現(xiàn)的系統(tǒng)完成了USB Host功能，并且提供了USB總線的接口方式。將其作為一個數(shù)據(jù)接口模塊集成到嵌入式系統(tǒng)中，使得用戶系統(tǒng)能夠讀/寫作為Slave的USB移動存儲器，從而完成數(shù)據(jù)存儲和交換功能，其硬件原理如圖2所示。

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??? SL811HST的主從選擇M/S接低電平，用來選擇USB的主模式；其中斷輸出INT_U經(jīng)下拉接ARM的外部中斷。SL811HST外接12MHz的有源晶振，同時將CM接高電平激活內(nèi)部的時鐘4倍頻，既可以使芯片內(nèi)部時鐘頻率達到48MΩ，又可以降低外部線路頻率，提高電路的抗干擾能力。
2.4 復位電路
??? ARM系統(tǒng)需要兩個復位源，其中一個RST是系統(tǒng)復位源，TRST是JTAG接口的調(diào)試復位源。如果兩個復位源都使用MAX811的輸出，則可能驅(qū)動能力不夠。因此使用一片高速CMOS三態(tài)緩沖器74HC125，以增強輸出能力，其原理如圖3所示。

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3 軟件設(shè)計
??? 為確保程序的可靠及編程的簡便，本方案中采用了嵌入式操作系統(tǒng)USOS II^[2]。USOS II是針對中低檔單片機而設(shè)計的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，同時支持按時間片輪轉(zhuǎn)、按優(yōu)先級搶占、二者結(jié)合共三種調(diào)度策略。其具有完善的任務管理功能，提供定時、延時服務，支持消息、信號(signal)通訊機制，支持臨界代碼段保護，提供二進制、計數(shù)型信號量(semaphore)同步對象等，支持Bottom-half中斷管理機制^[3]。
??? 本設(shè)計創(chuàng)建了人機接口、數(shù)據(jù)采集二個任務。人機接口主要完成通過串口" title="串口">串口與計算機相連接時對存儲在Nand Flash中的數(shù)據(jù)的整理、備份、刪除等功能，數(shù)據(jù)存儲任務負責將各次采樣獲得的數(shù)據(jù)打包后存儲進入Nand Flash。AD采樣中斷完成對高度、速度、航向、姿態(tài)、舵機位置的數(shù)據(jù)采集；比較器中斷完成對油門控制信號的數(shù)據(jù)采集；Uart中斷完成對GPS定位信號的數(shù)據(jù)采集。其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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3.1 主程序設(shè)計
??? 主程序主要完成硬件的初始化、操作系統(tǒng)的初始化以及文件系統(tǒng)的初始化。由于USOS II已經(jīng)提供了比較完善的文件系統(tǒng)管理，因此可采用類似于PC機DOS系統(tǒng)對文件的管理模式。本設(shè)計中，將Nand Flash存儲設(shè)定為C盤，而將臨時插入用來讀取當次飛行數(shù)據(jù)的U盤設(shè)定為D盤。在Flash初始化成功后，將以Flash為存儲媒介的C盤添加到文件系統(tǒng)，并創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲和人機接口任務。如果Flash未初始化成功，則系統(tǒng)報錯，并只創(chuàng)建人機接口任務，使用者可以通過PC機對系統(tǒng)進行狀態(tài)查詢。主程序的軟件流程如圖5(a)所示。

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3.2 數(shù)據(jù)采集任務設(shè)計
??? 數(shù)據(jù)采集任務主要用來將AD中斷、Uart中斷、比較器中斷采集到的各種飛行數(shù)據(jù)計算、打包。為提高寫Nand Flash的效率，在內(nèi)存中開辟了兩個與Flash頁面大小相同、長度為512bit的緩沖區(qū)，打包完畢的數(shù)據(jù)先存入其中一個緩沖區(qū)內(nèi)。當緩沖區(qū)存滿后，將緩沖區(qū)滿標志置位，并向人機接口任務發(fā)送消息；人機接口任務接收到緩沖區(qū)滿的消息后，會將對應的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入Flash，并將緩沖區(qū)滿的標志清空。
??? 人機接口任務在向Flash中寫數(shù)據(jù)的同時，數(shù)據(jù)采集任務仍實時采集飛行數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)存入另外一個緩沖區(qū)，由于采用了操作系統(tǒng)的雙任務設(shè)計，保證了采集到的數(shù)據(jù)不會丟失，并提高了采樣頻率。數(shù)據(jù)采集任務流程如圖5(b)所示。
3.3 人機接口任務設(shè)計
??? 人機接口任務主要用來管理U盤的插拔以及響應用戶輸入的類DOS命令。如判斷出U盤插入，并枚舉成功，則在文件系統(tǒng)中添加D盤；如判斷出U盤被拔出，則在文件系統(tǒng)中刪除D盤。人機接口任務流程如圖5(c)所示。
3.4 Nand Flash驅(qū)動程序設(shè)計
??? 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲期間選用K9F2808，其存儲結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。該器件由1K個塊(block)組成，每個塊有32頁，每頁有528B，這528B分成A、B、C三個區(qū)。對每一頁的尋址需要通過I/O口送出三個地址，第二、三行地址（A9～A23）指明尋址到某一頁，第一列地址指明尋址到頁的指定區(qū)中某一字節(jié)。對頁的分區(qū)命令如表1所列。

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??? 由表1可以看出，00H、01H、50H只是選區(qū)指針。選定區(qū)的內(nèi)部尋址是由第一個列地址完成的，A0～A7可以最大尋址256B。

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??? Flash的驅(qū)動程序按照結(jié)構(gòu)化層次設(shè)計方法設(shè)計。將Flash的總線數(shù)據(jù)讀寫、對控制總線的操作及延時操作封裝成底層函數(shù)，中層函數(shù)由對Flash讀、寫、擦除、查空等函數(shù)組成，頂層函數(shù)由USOS II中的文件系統(tǒng)組成，其示意圖如圖7所示。

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3.5 USB HOST驅(qū)動程序設(shè)計
??? 本設(shè)計主要使用USOS II操作系統(tǒng)中可選配的USB HST驅(qū)動軟件包，只要將控制SL811HS的I/O口在軟件包的底層進行相應定義^[4]，則對U盤的操作即可實現(xiàn)對用戶透明。用戶只需調(diào)用軟件包中的頂層fWrite( )和fRead( )等函數(shù)，即可實現(xiàn)USB主口對存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)讀寫操作。
??? 與Nand Flash相似，SL811HST的驅(qū)動程序設(shè)計也遵循了結(jié)構(gòu)化層次設(shè)計，底層是對SL811HST數(shù)據(jù)及控制線的操作，中層是對SL811HST的讀、寫以及緩沖區(qū)讀、寫等函數(shù)，頂層為文件系統(tǒng)。
3.6 串口驅(qū)動程序設(shè)計
??? 設(shè)計中采用LPC2138中的兩個標準Uart口，其中一個串口用來接收發(fā)動機控制器傳送的發(fā)動機參數(shù)，另外一個串口用來與通用PC連接，進行人機交互。
??? 串口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)都采用中斷方式。為了方便程序使用，為每個串口都劃分了專門的接收、發(fā)送緩沖區(qū)。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲在對應串口的發(fā)送緩沖區(qū)中，并置位串口發(fā)送中斷標志位，啟動發(fā)送過程。接收數(shù)據(jù)時，中斷程序自動將接收來的數(shù)據(jù)存放在對應的串口接收緩沖區(qū)內(nèi)，用戶可以通過查詢接收緩沖區(qū)的頭尾指針來判斷該串口是否接收到數(shù)據(jù)。
??? 為方便程序調(diào)用，仿照C語言中屏幕顯示函數(shù)，構(gòu)造了Putch()、Puts()、Getch()、Gets()等函數(shù)，通過串口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。
4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)?
??? 實際使用中，每次飛行結(jié)束后，直接使用普通U盤插入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，按下組合鍵后，可自動將上次記錄的飛行數(shù)據(jù)傳送到U盤中。待數(shù)次飛行以后，可將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過串口與PC機相連接，使用串口調(diào)試助手與采集系統(tǒng)中的仿DOS的指令軟件Shell進行通訊。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行人機交互的界面如圖8所示^[5]。

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??? 上面的操作步驟為：查閱C盤（片上Flash）內(nèi)容→刪除C上一個文件→插入U盤→顯示U盤目錄→將C盤上數(shù)據(jù)記錄文件拷貝到D盤→顯示D盤文件，文件已經(jīng)拷貝成功。
??? 通過測試可以看出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有良好的用戶界面，可以通過防DOS命令進行數(shù)據(jù)讀取。
??? 目前該飛行系統(tǒng)已經(jīng)安裝到試驗的小型無人機上進行多次試飛。經(jīng)過檢測，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，采集數(shù)據(jù)沒有錯誤現(xiàn)象，使用U盤讀取數(shù)據(jù)，以及使用PC機進行交互時方便快捷。系統(tǒng)為小型無人機的建模提供了極大的技術(shù)支持。
參考文獻
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