基于ARM7-μCLinux并采用超級終端監測兩路電壓參數

丘宏烈，楊燕祥，羅曉雪，付元柄，袁鵬飛

（西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039）

在工業電力傳動現場的實際應用過程中，常常需要監測現場設備。通過監測采集設備的運行參數實時了解、跟蹤設備的運行狀態，進而分析和診斷設備。

ARM技術是嵌入式系統的重要技術。在眾多嵌入式系統廠家參與下，基于ARM系列處理器的應用技術在眾多領域取得突破性進展。

ARM技術中的數據采集正向著強實時、高精度等方向發展；數據傳輸部分向多通信方式、遠距離數據傳輸的方向發展。使用ARM處理器對工業電力傳動現場的電力參數進行采集是基于ARM的數據采集系統具有高精度、高速度、強實時等特點。

本文采用μCLinux嵌入式操作系統構建ARM7硬件平臺，并對實時性要求較高的數據采集、傳輸以及顯示進行了研究設計和實現。

1 系統總體功能架構

1.1 系統功能圖

系統采集兩路電壓參數的功能如圖1所示。

圖1 系統電力參數監測功能圖Fig.1 Functional block diagram of system power parameters monitor

整個監測系統以ARM7-TDMI為核心處理器，通過A/D轉換電路把連續的電壓參數轉換為處理器所識別的數字量，并通過串口超級終端實時地顯示所采集到的電壓參數值。選用ARM7處理器，避免了使用單片機不能有效、實時、精確地監測電壓的缺點，也避免使用ARM9（包含MMU）使得整個內核龐大、消耗內存、程序運行速率降低的缺點影響監測電壓的實時性。選用次開發板與RS-232串口通信不需要通信間的電平轉換，系統供電電壓與次串口通信電壓都是3.3 V。

1.2 A/D轉換器

A/D轉換電路中的核心部分就是A/D轉換模塊，如圖2所示。A/D轉換模塊外圍電路如圖3所示。

圖2 A/D轉換模塊的寄存器功能框圖Fig.2 Functional block diagram of A/D converter module registers

圖3 A/D轉換模塊外圍電路圖Fig.3 Peripheral circuit diagram of A/D converter module

因為要求監測系統對可變電壓具有實時監測能力，所以選用可變電阻來改變電壓值。兩路電壓線連接芯片的兩個引腳 P0_27和 P0_28，然后連接進 AIN0～AIN1，由 A/D轉換模塊進行模數轉換。

圖3中使用了AIN0～AIN1兩個引腳作為監測兩路電力參數的功能引腳，電壓的測量范圍為0～3.3 V。ADCR寄存器設置 A/D轉換器的工作模式 （21 bit），A/D轉換通道（7:0 bit），轉換時鐘（CLKDIV 時鐘分頻值）（15:8 bit），并啟動 A/D轉換（26:24 bit）。ADDR寄存器保存了轉換后的二進制編碼值（15:6 bit），A/D轉換完成標志位，當A/D轉換結束時該位置位（31 bit）。

A/D轉換時鐘分頻值計算公式如下：

式中，Fadclk為所要設置的A/D轉換器的時鐘，其值不能大于4.5 MHz[1]。

1.3 A/D轉換器的主要類型

目前，世界上有多種類型的A/D轉換器，有傳統的并行、逐次逼近型、積分型A/D轉換器，也有近年來新發展起來的∑-Δ型和流水線型A/D轉換器，多種類型的A/D轉換器各有其優缺點并能滿足不同的具體應用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的A/D轉換器的發展方向。

這里采用逐次逼近型A/D轉換器，它由比較器、D/A轉換器、比較寄存器SAR、時鐘發生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，然后轉換成二進制數。該轉換器分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率可達1 Ms/s；與其他A/D轉換器相比，功耗相當低。據此滿足本系統10位的模數轉換精度要求。但在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行A/D轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本[2]。

2 嵌入式μCLinux平臺的建立

2.1 μCLinux的特點及移植

μCLinux的開發模式和編程接口與Linux類似。因此μCLinux除了在內存管理方面與Linux差異較大而表現出自己的特點以外，其他很多特點與Linux相同[3]。

μCLinux能夠很好地兼容Linux，在一定的條件下，幾乎所有的Linux API函數都能夠在μCLinux操作系統中使用，這極大地便利了嵌入式系統的開發[4]。

μCLinux的移植分為3個層次級，即處理器體系級、芯片級和目標板級移植。

1）處理器體系的源文件在arch目錄下。處理器結構文件目錄主要包括：kernel內核源代碼，mm-內存管理源代碼，lib處理器特定的內部庫函數，bootloader包含壓縮內核的代碼，也是內核文件最后編譯生成的地方，tools包含自動產生文件的腳本。μCLinux-dist-20040408在處理器結構上對ARM7TDMI核已經支持，只需修改μCLinux-dist/Makefile。在其中定義處理器架構ARCH:=armnommu和交叉編譯器的設置：CROSS_COMPILE=arm-elf-。

2）芯片級移植指當待移植處理器是某種已支持體系的分支處理器，進行芯片層次的移植，需要在該處理器體系結構目錄下增加修改部分目錄和代碼。同處理器體系級移植相比較，芯片級移植不用為μCLinux重新構造一個處理器結構，只需要在該處理器體系某個已存在的芯片基礎上，根據二者之間的不同進行修改調試，達到芯片移植的目的。

3）板級移植。當使用處理器已經被μCLinux支持時，主要的工作就是針對目標板進行板級移植。板級移植的主要內容是由目標板相關地址與時鐘頻率設置，也可能會涉及部分驅動程序的編寫[5-6]。

2.2 基于μCLinux的A/D設備驅動的建立

設備驅動程序是介于硬件和Linux內核之間的軟件接口，是一種低級的、專用與某一硬件的軟件組件。本文采用內核模塊的方式安裝驅動程序，使得系統內核更加精簡，加快應用程序的運行速度。

程序中所用到的函數主要有：

1）訪問 I/O 端口方法函數：static int adc_open（struct inode*inode,struct file*filp），用于打開A/D轉換通道以及通道的使用計數器遞增。這里應用程序用到兩次打開函數，分別打開通道1和通道2。

2）read（）方法：static ssize_t adc_read（struct file*filp,char*buf,size_t count,loff_t*f_pos），用于讀取A/D轉換的結果。根據設定的A/D精度的不同，可支持1和2字節數據。

3）ioctl （） 方法：static int adc_ioctl （struct inode*inode,struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）， 這里要區分ioctl（）（輸入/輸出控制），后者是針對設備的。一般情況下，程序正確地調用函數ioctl（）時會導致對某個驅動程序ioctl（）方法的調用。ioctl（）函數的第 2 個參數會傳遞給 ioctl（）方法的第3個參數，ioctl（）函數的第3個參數會傳遞給ioctl（）方法的第4個參數。

在arm-elf-tools編譯環境中，編譯其生成可執行的二進制文件，然后采用命令mknod建立設備文件。最后用insmod命令安裝此驅動程序供應用程序使用[7]。

2.3 監測電壓參數的應用程序的建立

應用程序應用于讀取兩路A/D轉換電壓參數，程序框圖如圖4所示。

圖4 應用程序流程圖Fig.4 Flow chart of application program

建立交叉編譯環境，把應用程序編譯成可執行二進制文件，并通過NFS掛載到開發板上，測試成功后下載到開發板。在底層結構建立完成后，如何讀取兩路電壓成為關鍵的問題，此處采用輪流讀取兩路電壓的方法，兩路讀取間隔為1 s。

3 實驗結果

通過超級終端監測兩路電壓參數的結果如圖5所示。據測量結果可知，當改變VIN2的可變電阻時，電壓值VIN2迅速改變；隨后改變VIN1的可變電阻時，電壓值VIN1也迅速隨之改變。其精確度比8位的模數轉換高9.7 mV，其監測的實時性遠超過單片機系統。

4 結 論

本系統建立在ARM7硬件平臺及μCLinux操作系統的基礎上，解決了監測兩路電壓參數與兩路通道傳輸的問題。通過此監測試驗，所得結果滿足測量的實時性，有效性和精確度。硬件的設計本著低成本、低功耗、小體積和實時性的設計思想，采用了IPC2200微處理器，實現了兩路電壓參數測量，并完成了兩路通信接口的傳輸。

圖5 監測結果圖Fig.5 The measuring results

[1] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

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