数据采集与显示电路 - 基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

　　2.2 数据采集与显示电路

　　本设计中数据采集和显示电路的核心器件采用32位ARM7内核嵌入式处理器S3C44B0X。S3C44B0X内置部件有8通道10位ADC（模数转换器）、8KB cache（高速缓存器）、内置SDRAM（同步动态存储器）、LCD控制器、2通道UART（通用异步收发器）、4通道DMA（直接存储器存取）、71个通用I/O端口等。

　　本设计中使用S3C44B0X完成A/D数据采集、LCD控制液晶显示器、键盘输入和故障报警四个主要功能。经前置放大电路处理完成之后的0~2.5V电压电极性信号，由S3C44B0X的10位精度片上A/D采集到CPU中。S3C44B0自带LCD控制器，利用DMA控制器从系统RAM中的显示缓冲区读取显示数据，提供给LCD控制器刷新液晶显示屏。键盘和报警电路利用S3C44B0通用I/O端口进行控制。

　　3 系统软件设计

　　本系统软件设计基于μClinux操作系统和MicroWindows图形用户界面。μClinux操作系统是从Linux内核派生而来，在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，具有易配置、体积小、易移植的优点。用MicroWindows图形用户界面实现类似桌面电脑的视窗效果，易于实现人机交互。

　　系统软件包括操作系统自带的设备驱动程序、操作系统运行环境、根据用户需要自定义的设备驱动程序、封装了底层驱动的中间层接口程序、高级应用程序几个部分。在本系统软件设计中，分别在驱动层和高级应用层程序中实现，其中高级应用层程序框图如图4所示。

　　

　　图4 高级应用程序框图

　　高级应用程序的设计以控制算法为核心，多个任务为控制服务。系统内核定时将测得的数据通过回调函数传递给高级应用程序。高级应用程序为每个被测通道分配一个数据缓冲区，数据缓冲区是个含有10个无符号整型数的数组，GCC编译器默认无符号整型数长度为16位。测量电路中ADC为10位模数转换器，缓冲区中的每个单元的低10位存储数值，最高位为1表示该数据无效或者已经被处理，为0表示该数据有效并等待处理，第10～14位表示数据编号，用以区分不同通道的数据。内核驱动程序把测量数据按格式准备好后，回调函数把数据传送给高级应用程序。应用程序只要使用“与”、“或”操作就可以提取数据类型、实际数据等信息。

　　3.1 自定义设备驱动

　　设备驱动程序是操作系统和硬件设备之间的接口，它主要完成对设备初始化、实现内核和应用程序与设备之间的数据交换、检测处理设备错误等功能。在μClinux操作系统使用设备文件的方式来进行设备管理应用，一个具体的物理设备被映射为一个设备文件，用户程序可以像对其它文件一样对此设备文件进行打开、关闭、数据读写等操作。

　　系统软件设计中的驱动层部分，除了使用μClinux操作系统自带的设备驱动程序以外，需要对外部设备编写自定义的设备驱动程序，以满足操作系统的要求。以字符设备为ADC为例，主要对其编写自定义的驱动程序。使用结构体file_operations{}作为ADC字符设备的函数接口，内核通过这个函数接口来操作设备。自定义后的file_operations{}结构体如下：

　　struct file_operations ADC_fops = {

　　read： ADC_read， //从设备中读数据操作

　　poll： ADC_poll， //查询设备

　　ioctl： ADC_ioctl， //进行读、写以外的IO控制操作

　　open： ADC_open， //打开设备

　　release： ADC_release， //关闭设备

　　……};

　　编写自定义的驱动程序完成后，内核调用相应的函数即对ADC设备文件进行open、ioctl等具体操作。