基于ARM的海底大地电磁信号采集系统主控模块改进

表1 部分ARM架构功耗比较表

4 嵌入式实时操作系统μC/OS-II的移植

尽管μC/OS-II是用标准C语言写的，但当应用到某个具体的CPU上时，还需要用C和汇编语言写一些与处理器相关的代码。改写过程主要结合改进系统所采用的新主CPU AT91m40800的一些具体参数，完成整个操作系统的移植。

μC/OS-II可以大致分为内核、任务处理、时间处理、任务同步与通信、与CPU的接口等五部分。内核（OSCore.c）是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、系统运行、中断处理、时钟节拍、任务调度和事件处理等多任务。任务处理部分（OSTask.c）是与任务操作密切相关的，包括任务的建立、删除、挂起、恢复等。时钟部分（OSTime.c）定义μC/OS-II的最小时钟单位是Timetick(时钟节拍)。任务同步和通信部分包括信号邮箱、邮箱队列和时间 标志等部分，主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。与CPU接口部分是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分，主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断和相关处理部分等内容。

μC/OS-II除了良好的稳定性和安全性以外，很重要的特点就是对多任务管理的优异表现。μC/OS-II可以管理多达64个任务。除了8个μC/OS-II自用的任务以外，用户的应用程序最多可有56个任务。用户可以通过系统提供的任务结构来自行创立任务。改进方案中需要管理的任务包括GPS校时、读采集数据、数字滤波和存数据，执行框架如图1。

在初始化时，进行GPS校时。读优先级最高，采集器不停地读数据。当数据在缓冲区中还没填满时，进行滤波和写存储器的任务，一旦缓冲已满就要继续执行读操作。这里所说的读操作实际上是系统从缓冲中读的操作，并不是实际的采集器读地磁信号操作。写任务其次，必须连贯地完成一次写任务，中途不能被打断。所以只有在不进行读操作时，才可以进行写操作。滤波任务在读任务完成后执行，但是如果前一个写任还没有完成，就不能滤波，以防止新数据无法写入。所以只有当新的读任务结束，且旧的写任务完成后方可执行新读数据的滤波任务。通过μC/OS-II提供的信号量机制，可很好地实现任务进程的互斥与并发。

5 ARM对外围设备的扩展

主控单元与前台数据采集模块间仍保留原有ISA总线接口标准，只是自行设计ARM主控单元的接口电路如图2所示。符合原有协议标准后，改进电路成功替代了原来的主控。

虽然串行接口速度较慢，但完全可以满足与上位机之间的通信。改进方案首先实现了ARM对于串口的扩展，作为通信手段之一。使用ARM公司自行开发的的ARM调试专用环境ADS1.2测试串行接口的效果：扩展程序所设计的输出结果为AT9140800USART_CUGB，连接采集仪和PC机，使用Windows自带的超级终端可以看到输出结果与设计一致，表明扩展是成功的。

各采集器间及采集器与上位机交互还可通过网络实现。改进方案基于μC/OS-II移植IP协议栈后，通过扩展网络接口卡，可实现网络功能。由于网络接口芯片本身也遵守ISA标准，所以扩展的网络接口还可以用来仿真测试ISA总线。检测总线时序情况就可测试主控模块的功能情况。抓取ISA设备时序，即得出系统接总线是否符号ISA协议标准。写一次后，逻辑分析仪截出几次时序，结果如图3所示。图3时序情况：/CS8019为网络接口芯片片选信号，/WE为写使能信号，/OE为输出使能信号，A1～A5为低5位地址，D0～D7为8位数据位。图3中显示写使能一次后，输出多次，对应地址循环（程序设定的输出效果），数据位则是输出8019的数据，具体内容没有意义。如图3虚线处，在C1时刻，开始进行写操作；C2时刻输出，低5位地址为00000；C3时刻第二次输出，地址为00001；C4时刻第三次输出，地址为00010。依次类推，表明主控单元改进满足了ISA总线的要求，网络接口扩展也正常。基于此，通过与前台数据采集模块直接连接，即可进行海底大地电磁数据的高效采集。

由于采用ARM芯片取代原有主控单元，仅此一项就降低功耗约25%，实现了功耗降低的要求。另外在采用了操作系统后，将使整个采集过程更稳定有序，提高了整个采集过程的准确性和安全性。