基于ARM7-μCLinux并采用超级终端监测两路电压参数

丘宏烈，杨燕祥，罗晓雪，付元柄，袁鹏飞

（西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039）

在工业电力传动现场的实际应用过程中，常常需要监测现场设备。通过监测采集设备的运行参数实时了解、跟踪设备的运行状态，进而分析和诊断设备。

ARM技术是嵌入式系统的重要技术。在众多嵌入式系统厂家参与下，基于ARM系列处理器的应用技术在众多领域取得突破性进展。

ARM技术中的数据采集正向着强实时、高精度等方向发展；数据传输部分向多通信方式、远距离数据传输的方向发展。使用ARM处理器对工业电力传动现场的电力参数进行采集是基于ARM的数据采集系统具有高精度、高速度、强实时等特点。

本文采用μCLinux嵌入式操作系统构建ARM7硬件平台，并对实时性要求较高的数据采集、传输以及显示进行了研究设计和实现。

1 系统总体功能架构

1.1 系统功能图

系统采集两路电压参数的功能如图1所示。

图1 系统电力参数监测功能图Fig.1 Functional block diagram of system power parameters monitor

整个监测系统以ARM7-TDMI为核心处理器，通过A/D转换电路把连续的电压参数转换为处理器所识别的数字量，并通过串口超级终端实时地显示所采集到的电压参数值。选用ARM7处理器，避免了使用单片机不能有效、实时、精确地监测电压的缺点，也避免使用ARM9（包含MMU）使得整个内核庞大、消耗内存、程序运行速率降低的缺点影响监测电压的实时性。选用次开发板与RS-232串口通信不需要通信间的电平转换，系统供电电压与次串口通信电压都是3.3 V。

1.2 A/D转换器

A/D转换电路中的核心部分就是A/D转换模块，如图2所示。A/D转换模块外围电路如图3所示。

图2 A/D转换模块的寄存器功能框图Fig.2 Functional block diagram of A/D converter module registers

图3 A/D转换模块外围电路图Fig.3 Peripheral circuit diagram of A/D converter module

因为要求监测系统对可变电压具有实时监测能力，所以选用可变电阻来改变电压值。两路电压线连接芯片的两个引脚 P0_27和 P0_28，然后连接进 AIN0～AIN1，由 A/D转换模块进行模数转换。

图3中使用了AIN0～AIN1两个引脚作为监测两路电力参数的功能引脚，电压的测量范围为0～3.3 V。ADCR寄存器设置 A/D转换器的工作模式 （21 bit），A/D转换通道（7:0 bit），转换时钟（CLKDIV 时钟分频值）（15:8 bit），并启动 A/D转换（26:24 bit）。ADDR寄存器保存了转换后的二进制编码值（15:6 bit），A/D转换完成标志位，当A/D转换结束时该位置位（31 bit）。

A/D转换时钟分频值计算公式如下：

式中，Fadclk为所要设置的A/D转换器的时钟，其值不能大于4.5 MHz[1]。

1.3 A/D转换器的主要类型

目前，世界上有多种类型的A/D转换器，有传统的并行、逐次逼近型、积分型A/D转换器，也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型A/D转换器，多种类型的A/D转换器各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的A/D转换器的发展方向。

这里采用逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、D/A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。该转换器分辨率低于12位时，价格较低，采样速率可达1 Ms/s；与其他A/D转换器相比，功耗相当低。据此满足本系统10位的模数转换精度要求。但在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行A/D转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本[2]。

2 嵌入式μCLinux平台的建立

2.1 μCLinux的特点及移植

μCLinux的开发模式和编程接口与Linux类似。因此μCLinux除了在内存管理方面与Linux差异较大而表现出自己的特点以外，其他很多特点与Linux相同[3]。

μCLinux能够很好地兼容Linux，在一定的条件下，几乎所有的Linux API函数都能够在μCLinux操作系统中使用，这极大地便利了嵌入式系统的开发[4]。

μCLinux的移植分为3个层次级，即处理器体系级、芯片级和目标板级移植。

1）处理器体系的源文件在arch目录下。处理器结构文件目录主要包括：kernel内核源代码，mm-内存管理源代码，lib处理器特定的内部库函数，bootloader包含压缩内核的代码，也是内核文件最后编译生成的地方，tools包含自动产生文件的脚本。μCLinux-dist-20040408在处理器结构上对ARM7TDMI核已经支持，只需修改μCLinux-dist/Makefile。在其中定义处理器架构ARCH:=armnommu和交叉编译器的设置：CROSS_COMPILE=arm-elf-。

2）芯片级移植指当待移植处理器是某种已支持体系的分支处理器，进行芯片层次的移植，需要在该处理器体系结构目录下增加修改部分目录和代码。同处理器体系级移植相比较，芯片级移植不用为μCLinux重新构造一个处理器结构，只需要在该处理器体系某个已存在的芯片基础上，根据二者之间的不同进行修改调试，达到芯片移植的目的。

3）板级移植。当使用处理器已经被μCLinux支持时，主要的工作就是针对目标板进行板级移植。板级移植的主要内容是由目标板相关地址与时钟频率设置，也可能会涉及部分驱动程序的编写[5-6]。

2.2 基于μCLinux的A/D设备驱动的建立

设备驱动程序是介于硬件和Linux内核之间的软件接口，是一种低级的、专用与某一硬件的软件组件。本文采用内核模块的方式安装驱动程序，使得系统内核更加精简，加快应用程序的运行速度。

程序中所用到的函数主要有：

1）访问 I/O 端口方法函数：static int adc_open（struct inode*inode,struct file*filp），用于打开A/D转换通道以及通道的使用计数器递增。这里应用程序用到两次打开函数，分别打开通道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），用于读取A/D转换的结果。根据设定的A/D精度的不同，可支持1和2字节数据。

3）ioctl （） 方法：static int adc_ioctl （struct inode*inode,struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）， 这里要区分ioctl（）（输入/输出控制），后者是针对设备的。一般情况下，程序正确地调用函数ioctl（）时会导致对某个驱动程序ioctl（）方法的调用。ioctl（）函数的第 2 个参数会传递给 ioctl（）方法的第3个参数，ioctl（）函数的第3个参数会传递给ioctl（）方法的第4个参数。

在arm-elf-tools编译环境中，编译其生成可执行的二进制文件，然后采用命令mknod建立设备文件。最后用insmod命令安装此驱动程序供应用程序使用[7]。

2.3 监测电压参数的应用程序的建立

应用程序应用于读取两路A/D转换电压参数，程序框图如图4所示。

图4 应用程序流程图Fig.4 Flow chart of application program

建立交叉编译环境，把应用程序编译成可执行二进制文件，并通过NFS挂载到开发板上，测试成功后下载到开发板。在底层结构建立完成后，如何读取两路电压成为关键的问题，此处采用轮流读取两路电压的方法，两路读取间隔为1 s。

3 实验结果

通过超级终端监测两路电压参数的结果如图5所示。据测量结果可知，当改变VIN2的可变电阻时，电压值VIN2迅速改变；随后改变VIN1的可变电阻时，电压值VIN1也迅速随之改变。其精确度比8位的模数转换高9.7 mV，其监测的实时性远超过单片机系统。

4 结 论

本系统建立在ARM7硬件平台及μCLinux操作系统的基础上，解决了监测两路电压参数与两路通道传输的问题。通过此监测试验，所得结果满足测量的实时性，有效性和精确度。硬件的设计本着低成本、低功耗、小体积和实时性的设计思想，采用了IPC2200微处理器，实现了两路电压参数测量，并完成了两路通信接口的传输。

图5 监测结果图Fig.5 The measuring results

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