航天包裝箱用便攜式數(shù)據(jù)采集儀的實(shí)現(xiàn)
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王 海 勇 劉 秀 芳 梁 世 盛
(上海航天設(shè)備制造總廠研發(fā)部，上海200245)
摘要：針對(duì)目前航天器儲(chǔ)運(yùn)包裝箱的實(shí)際需求，以ARM9處理器與嵌入式Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款便攜式數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備。給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)框圖、模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件電路以及基于Linux操作系統(tǒng)下模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)硬件體積小、功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定、攜帶便利。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)滿足航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱提出的多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、記錄、傳輸、處理及顯示等功能。
關(guān)鍵詞：航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱嵌入式Linux ADS1256數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換
中圖分類號(hào)：TP23;TH86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201512026
Abstract: In accordance with the actual demands for aerospace storage and transportation boxes, with ARM9 processor and embedded Linux operating system as the basis, the portable data collecting and logging device has been developed. The overall design scheme.structural block diagram, hardware circuit of A/D conversion and the design of driver program for A/D conversion chip under Linux operating system of the system are given. The system hardware features compact, low power consumption, stable operation, and easy to carry. The tests show that the system satisfies the functions of multi-channel online real time data coUection, record, transmission, processing and display that are requested for aerospace storage and transportation boxes.
Keywords: Aerospace storage and transportation box Embedded Linux ADS1256 Data acquisition A/D conversion
O引言
航天器儲(chǔ)運(yùn)包裝箱作為貯存、包裝、運(yùn)輸航天產(chǎn)品的重要工藝裝備，在確保航天產(chǎn)品安全到達(dá)目的地并順利完成任務(wù)方面起著至關(guān)重要的作用。隨著航天產(chǎn)品精密程度的提高，其對(duì)包裝箱的要求也越來越高，不僅要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)，包括壓差、溫度、濕度等，還要求實(shí)時(shí)記錄加速度、速度等更多類型的傳感器數(shù)據(jù)。在遠(yuǎn)距離運(yùn)輸過程中，不僅要求記錄全程各傳感器的數(shù)據(jù)，還需實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、顯示，以便使用者更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。針對(duì)上述需求，開發(fā)一種便攜式數(shù)據(jù)采集儀。該數(shù)據(jù)采集儀能夠?qū)崟r(shí)記錄、存儲(chǔ)上述傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)顯示等功能。系統(tǒng)采用ARM9處理器作為主控制器中，采用Linux操作系統(tǒng)，ADS1256高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用核心板加底板的硬件架構(gòu)模式開發(fā)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
圖1為便攜式數(shù)據(jù)采集儀的架構(gòu)圖�？紤]到系統(tǒng)穩(wěn)定、開發(fā)調(diào)試便利、后期維護(hù)方便，將硬件架構(gòu)分為底板與核心板兩大塊。底板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、顯示接口、通信接口等電路設(shè)計(jì)，核心板實(shí)現(xiàn)以ARM9處理器為核心的最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)工作原理為傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)預(yù)處理模塊調(diào)制濾波后送入高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256芯片中，經(jīng)ARM9微處理器采樣控制，將24位數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，同時(shí)將當(dāng)前采樣值顯示在LCD觸摸屏上。該便攜式采集儀既可當(dāng)作采集儀使用，也可作為記錄儀使用。系統(tǒng)還留有以太網(wǎng)口、串口等通信接口，以便將存儲(chǔ)在SD卡中的數(shù)據(jù)導(dǎo)人到上位機(jī)中查看。底板上的數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)關(guān)鍵部分，決定了系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)。下文將從軟、硬件兩方面敘述數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)過程。
2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
為保證該款便攜式數(shù)據(jù)采集記錄儀能夠精準(zhǔn)地記錄航天包裝箱內(nèi)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)采用T公司的ADS1256芯片作為系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。設(shè)計(jì)了ADS1256相應(yīng)的外圍電路，包括信號(hào)預(yù)處理電路、參考基準(zhǔn)電壓電路、通信接口電路，它們構(gòu)成了底板上的數(shù)據(jù)采集模塊電路。
ADS1256外圍接口電路如圖2所示。
圖2中，模擬電源AVDD為+5 V，數(shù)字電源DVDD為+3.3 V，外部晶振為7.68 MHz。ADC模擬輸入端AINo和AIN．作為差分信號(hào)的一對(duì)輸入端，同樣還有AIN2和AIN3、AIN4和AINs、AIN6和AIN，組成系統(tǒng)所需的四對(duì)差分信號(hào)輸入通道。圖中只畫出一路輸入通道，其他幾路與之相同。模擬輸入端的兩端對(duì)稱使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的RC電路，這個(gè)RC電路起到了低通濾波器的作用，它將進(jìn)入通道之前的模擬信號(hào)進(jìn)行初步濾波，去掉高頻噪聲。兩端之間連接適當(dāng)大小的電解電容和瓷片電容作旁路電容，減少輸入端的耦合噪聲，注意盡量將電容放置在靠近ADC管腳的地方。ADS1256通過SPI接口與ARM9進(jìn)行通信。從圖中右半部分可以看出，在通信接口處外接100 n的電阻作為匹配，目地是為了提高數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量。
實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，電源是影響精度的重要因素之一，而最為重要的是系統(tǒng)參考電源設(shè)計(jì)。ADC參考電壓電路如圖3所示。
系統(tǒng)采用REF1004基準(zhǔn)電壓芯片產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓，電壓經(jīng)過簡(jiǎn)單的RC濾波，進(jìn)入由OPA350低噪聲運(yùn)放組成的跟隨器中。這樣做既能提高電壓的基準(zhǔn)，又能提高電壓的輸出能力，因?yàn)镽EF1004經(jīng)過R。后，電流的輸出能力非常低，并且還能降低基準(zhǔn)電源的噪聲。
3模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
由于便攜式數(shù)據(jù)采集儀是一個(gè)典型多任務(wù)系統(tǒng)，采用Lmux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)的管理軟件，故需要在Linux下開發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)程序。ADS1256與ARM9處理器是通過SPI接口進(jìn)行通信，Linux內(nèi)核有完整的SPI子系統(tǒng)軟件架構(gòu)，對(duì)ADS1256芯片驅(qū)動(dòng)開發(fā)需按照標(biāo)準(zhǔn)的SPI子系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行。ADS1256芯片驅(qū)動(dòng)開發(fā)分為分析Linux內(nèi)核SPI子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和利用這個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)策略程序兩部分。驅(qū)動(dòng)機(jī)制是編寫SPI驅(qū)動(dòng)的前提，只有在了解內(nèi)核SPI驅(qū)動(dòng)機(jī)制后，才能完整地完成驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。
驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面，在Linux系統(tǒng)中，SPI子系統(tǒng)從上到下分為：SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)層（外設(shè)驅(qū)動(dòng)）、SPI核心層API、master驅(qū)動(dòng)層（主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)）、硬件層，如圖4所示。
其中master驅(qū)動(dòng)層抽象出SPI控制器的相關(guān)操作即ARM9中SPI控制器操作，而SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)層抽象出用戶空間API。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核中以platform平臺(tái)設(shè)備總線模型的形式體現(xiàn)，在板級(jí)支持包( board support package，BSP)中將會(huì)添加platform—device結(jié)構(gòu)，它描述了SPI控制器的相關(guān)資源，對(duì)應(yīng)的主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)將以platform_driver形式體現(xiàn)，這樣主機(jī)控制器和主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)就掛載到了platform總線上。spi_master結(jié)構(gòu)體用來描述一個(gè)SPI主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，其主要成員是主機(jī)控制器的序號(hào)（系統(tǒng)中可能存在多個(gè)SPI主機(jī)控制器）、片選數(shù)量、SPI模式和時(shí)鐘設(shè)置用的函數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸用到的函數(shù)等。
外設(shè)驅(qū)動(dòng)用spi_driver結(jié)構(gòu)來描述，可以認(rèn)為是spLmaster的client驅(qū)動(dòng)，也將掛載到SPI總線上，SPI總線可理解為主機(jī)控制器引出的總線。spi_driver結(jié)構(gòu)體和platform_driver結(jié)構(gòu)體有極大的相似性，這幾乎是一切client驅(qū)動(dòng)的習(xí)慣模板。它和platform_driver對(duì)應(yīng)一個(gè)platform_device -樣，spi_driver也對(duì)應(yīng)著一個(gè)spi_device，上面platform_device需要在BSP的板文件中添加信息數(shù)據(jù)，而spi_device也同樣需要。
SPI核心層API是主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和外設(shè)驅(qū)動(dòng)之間的橋梁。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)不必關(guān)心外設(shè)，而外設(shè)驅(qū)動(dòng)也不必關(guān)心主機(jī)，外設(shè)只是訪問核心層通用API進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)和外設(shè)之間可以進(jìn)行任意組合。這也體現(xiàn)了Lmux驅(qū)動(dòng)中主機(jī)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)分離的思想。
3.1 ADS1256驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)
首先定義并初始化spi_driver結(jié)構(gòu)體，系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)時(shí)將調(diào)用spi_register_driver函數(shù)。該函數(shù)在調(diào)用過程中，將用driver. name和spi_device. modalias字段進(jìn)行比較，如果兩者相等，則將spi_driver與spi_device進(jìn)行綁定。當(dāng)spi_driver注冊(cè)成功后，調(diào)用probe方法，即調(diào)用ads1256_probe方法。在ads1256_probe函數(shù)中，將自己注冊(cè)為字符設(shè)備或者h(yuǎn)wmon設(shè)備。ads1256_driver結(jié)構(gòu)體描述如下：
執(zhí)行完probe函數(shù)之后，驅(qū)動(dòng)機(jī)制還需提供讀、寫、控制等功能。下面就寫功能做詳細(xì)的敘述。以ads1256_write_reg函數(shù)剖析SPI從設(shè)備驅(qū)動(dòng)怎么調(diào)用SPI核心API，最后怎么調(diào)到主控制器驅(qū)動(dòng)，讓主控制器最終執(zhí)行寫的時(shí)序操作。文中列出ads1256_write_reg函數(shù)，讀函數(shù)與此相似，讀者可自行編寫。
在上述函數(shù)中，調(diào)用到了spi_write函數(shù)，該函數(shù)就是SPI子系統(tǒng)核心層提供給驅(qū)動(dòng)程序的通用API，這樣編寫的驅(qū)動(dòng)程序才能真正做到跨平臺(tái)，符合標(biāo)準(zhǔn)的Llnux驅(qū)動(dòng)框架。如圖5給出了spi_write系統(tǒng)調(diào)用過程，可以清晰看到函數(shù)調(diào)用從SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，隨后調(diào)用bitbang中間層，最后調(diào)用master驅(qū)動(dòng)層來完成數(shù)據(jù)的傳輸。驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)完以后，剩下的就是怎樣實(shí)現(xiàn)策略的問題。
3.2 ADS1256驅(qū)動(dòng)策略設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用的是多通道循環(huán)采樣工作方式。這種方式的特點(diǎn)是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)DRDY，提示可以提取數(shù)據(jù)后，首先把A/D當(dāng)前采樣通道變?yōu)橄乱粋�(gè)采樣通道，使A/D開始新的采集轉(zhuǎn)換。然后馬上讀取寄存器中的數(shù)據(jù)，這時(shí)的數(shù)據(jù)其實(shí)是上一輪轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。這種工作方式實(shí)現(xiàn)了一邊提取數(shù)據(jù)的同時(shí)一邊進(jìn)行新數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，是一種高效的工作模式。
圖6給出了ADS1256初始化流程圖，圖7是ADS1256采樣轉(zhuǎn)換流程圖。
圖6中初始化流程非常重要。由于ADS1256高精度、低噪聲的特殊要求，對(duì)芯片的控制相對(duì)復(fù)雜。對(duì)寫入芯片寄存器的數(shù)據(jù)，采取一次回讀的校準(zhǔn)方式很有必要。在對(duì)ADS1256寫人命令過程中，兩個(gè)命令字之間需要滿足一定的時(shí)間間隔，系統(tǒng)使用較多的就是WREC寫寄存器命令與RDATA讀數(shù)據(jù)命令，這些命令之間間隔最少為4個(gè)時(shí)鐘周期。另外，需要注意的是控制命令本身是兩個(gè)字節(jié)的情況要區(qū)別開，若控制命令本身是兩個(gè)字節(jié)，那么這兩個(gè)字節(jié)之間是不需要時(shí)間間隔的。
4結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了航天儲(chǔ)運(yùn)包裝箱上一款便攜式數(shù)據(jù)采集儀中數(shù)據(jù)采集模塊的軟、硬件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)基于航天包裝箱的實(shí)際需求，具有很好的市場(chǎng)推廣前景。目前該款便攜式數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行了各種環(huán)境試驗(yàn)及可靠性測(cè)試，將應(yīng)用在現(xiàn)有的航天包裝箱上。該款數(shù)據(jù)采集儀融合了當(dāng)前新興技術(shù)，操作人員可利用觸摸屏對(duì)其進(jìn)行各種配置操作，操作簡(jiǎn)單靈活，攜帶便利，可作為一款工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)手持掌上電腦( personaldigital assistant，PDA)使用。
