【摘　要】介绍一种以Intel Xscale PXA255 ARM处理器为控制核心的可测量多参数的新型智能仪器。嵌入式WinCE系统及合理任务分配策略保证了系统的实时性要求，并可远距离传送测量数据进行集中监控等优点。

　　【关键词】　动态测量；ARM；嵌入式WinCE系统

　　水电站的各种参数测量包括压力，水位物理参数等。由于这些参数可以反映出旋转机械设备的运行状态，所以只有准确地加以测量，才能使上述设备的正常运行有保障。随着计算机技术、网络技术和大规模集成电路的高速发展，远程动态信号测量系统得以实现。本文介绍的多参数测量系统，是一种能够远距离测量压力，水位等物理参数的智能仪器。测量结果既可以实时显示，也可以送至监控中心的计算机进行远距离集中监控，便于实现发电厂管理的自动化和现代化。

　　如图1所示，系统以Intel的 Xscale PXA255 ARM处理器为控制核心构建可测量多参数的新型智能仪器。PXA255通过 USB接口与AD转换器MAX186通讯，完成对动态实时数据的采集与处理，PXA255并以WEB的形式将测量结果通过TCP/IP协议，以INTERNET的方式发送回电站信息监控中心。

 

　　系统控制与数据处理单元通过ARM处理器芯片IntelXscale控制系统软件来完成所有的系统操作命令，在完成指令的过程中，微处理器发送相应的信息去读取AD转换功能模块以完成多路参数的测量。IntelXscale控制系统自动轮回调用AD转换模块读取测量结果，并将测量结果打包通过INTERNET、USB等方式把测量数据结果送回远程监控中心。

IntelXscale PXA255是一款32位通用精简指令集微处理器。他将写缓存、读缓存、指令Cache、数据Cache、小型Cache、内存管理单元（MMU）集成在一个芯片中。他与ARM结构的处理器在软件上兼容，也可以使用一些支持ARM标准的芯片，如I／O、内存。设计者可以很方便地在以Xscale PXA255为平台的嵌入式操作系统上开发各种通信应用系统。

      系统的数据采集采用传感器与检测变送器的方式，减少了外界对信号的干扰，使测量参数达到高精确度；或采用传感器与信号两级放大的方式。
　　变送器的测量原理是：由于传感器检测的信号微弱、线性度差，一般为微安（μm）级，达不到后级信号处理要求。通过变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入测量信号成线性对应关系的标准电流电压信号输出供给后级A/D转换处理。

  
　　信号两级放大工作原理 ：如图2两级放大动态测量系统结构图，每一路通道的压力传感器的输出信号经两级模拟运算放大电路进行线性放大，并经滤波后，由A／D转换器转换成数字量，输入到ARM处理器进行运算。        
                           

　　随着无线电通信系统性能的提高，信号源相位噪声的要求常常是整个系统的制约因素。为了使检测信号的滤波特性更接近理想情况，可采用二阶低通滤波电路如图3有源二阶低通滤波所示。这种电路除了增加一节RC网络外，还将电容C的一端接到集成运放的输出端，即引入反馈，目的是为了使输出电压在高频端迅速下降，而在接近截止频率的范围内输出电压又不致于降太多，从而有利于改善滤波特性。

１.４多路MAX186A/D转换

　　MAX186是一个采用逐次逼近A／D转换技术的高速超低功耗模数转换器。内部具有8通道多路转换器、宽带跟踪／保持电路和串行接口。8路单端输入或4路差动输入可由软件设定，转换结果由串行接口输出。分辨率为12位，采样速度达133kHz，芯片可由单5v或双±5v电源供电。其串行接口可与SPfl 、QSPiTM、WicrowireTM 兼容。可采用内部时钟或外部时钟完成A／D转换。.省电模式既可以通过硬件信号来触发，也可以通过软件来设置。他的功耗非常低，提供省电模式和很高的数据转换速率。

USB口转换过程：A／D转换时，首先需从串行脚输入一个控制字节，用该控制字节设定每次转换的某些工作模式和通道号，外部时钟SCLK的上升沿将该控制字节从高位到低位逐位输入。将控制字节输入后，转换器开始转换。转换结束后，SCLK的下降沿将转换结果从引脚15(DOUT)输出。                 

           
　　写MAX186控制字:要启动一个数据转换过程，必须首先给MAX186的DIN脚提供一个控制字节。该字节最高位D7（START）是起始位，始终用高电平表示。D3选择单极性或双极性电压输入模式。D2决定采样信号是单端输入还是差分双端输入。最后2位D1D0定义时钟和断电模式：00表示完全断电模式；01表示快速断电模式；10表示内部时钟模式；11则表示外部时钟模式。为使系统硬件结构简单，并且尽量减小系统体积，最好不使用芯片内部的时钟，而是利用外部单片机所提供的同步时钟信号。

 

　　系统的软件开发模式通常为前后台系统。前后台系统中，应用程序就是一个无限循环。循环中调用函数完成相应的操作，这些操作称为后台任务；中断服务程序处理异步事件，这部分称为前台行为。常用的后台操作系统有：Linux和WinCE。考虑到TCP/IP协议的广泛兼容性，容易下载等，本系统的后台操作系统选用Win CE来提供前台的工作条件。

2.1嵌入式操作系统
　　动态测量系统中通过PXA255控制MAX286完成对实时信号的采集。PXA255与MAX186之间通过USB口通讯，PXA255控制器与上位机通过INTERNET技术连接通讯，其软件实现所要求的实时性、可靠性和复杂性使得选择一种带有TCP/IP协议包的嵌入式实时操作系统成为必需。对系统实时性特别是硬实时有特殊的要求, WinCE可加入实时RT-WinCE模块以满足对嵌入式操作系统的实时性要求。

　　硬件驱动和应用程序的开发都在交叉编译环境中进行,先在PC机编译环境上开发，然后移植到目标机上进行调试并最终固化到目标机上。开发硬件驱动时要充分了解硬件特点，掌握嵌入式WinCE 硬件驱动的开发技术。

　　驱动程序是连接底层的硬件和上层的API函数的纽带，而图形用户系统是由显示模型接口程序、窗口模型接口程序和用户模型接口程序共同组成的。设备驱动程序的编写。确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备编写驱动程序。编写的设备驱动程序应具有以下功能：①对设备初始化和释放；②把数据从内核传到硬件和从硬件读取数据；③读取应用程序传递给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；④检测和处理设备出现的错误。本系统所需开发的硬件驱动包括：以太网卡控制器驱动、串口驱动、USB驱动、A/D采集等驱动程序。

　　应用程序运行于前台，在嵌入式操作系统的基础上开发应用程序,通过开发微型GUI，编写网页和CGI程序，实现嵌入式Web技术，嵌入式通信协议等应用程序.在WinCE上运行的任务:USB口读取MAX186采集数据、通过以太网发送数据、接收和执行来自远端PC的命令。其中的读取采集数据任务对实时性有要求，把它用中断处理程序来实现，而其它的两个任务则通过用户进程来实现。以太网发送数据的任务和读取采集数据的任务共享一个缓冲区，通过ioctl函数在其间传递缓冲区双向链表的地址。

 

　　硬件受干扰可能来自系统外部，也可能来自系统内部，抑制电磁等干扰的主要手段就是采取屏蔽。屏蔽技术是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。将普通的信号线换为屏蔽线，屏蔽层良好接地，使现场中的干扰信号不容易串入系统中。系统设计中，对系统的单元电路采用恒压电源模块供电，恒流源电路的基准电压和A／D转换器的参考电压采用了基准电源芯片。在两级放大器或传感变送器与多路的A／D转换器MAX186之间接入了一个二阶有源低通滤波器，能够有效地抑制高频干扰信号。由于整个检测系统采用的A／D转换器MAX186是双积分型，其转换结果与输入电压在采样阶段所经历的时间内的平均值成正比，因此对尖峰脉冲干扰等具有很强的抑制能力。

　　当控制器受干扰，造成程序弹飞到非程序区，系统将自动启动看门狗。由于测量传感器直接与外界接触难免会受到外界的不规则的随机干扰信号，对于这种瞬间的干扰信号可以用数字滤波方法予以削弱或消除。在工业测量和控制等应用场合，经常会遇到尖脉冲干扰的现象，这种干扰通常只会影响个别采样点的数据，使此数据与其它采样点的数据相差较大，所以采用了防脉冲干扰平均值法。

　　本系统采用了Intel Xscale PXA255为控制器，完成系统的控制管理及网络通讯；MAX186完成对模拟信号的转换。PXA255与MAX186之间采用了USB构建通讯方式。PXA255通过不断的读取MAX186获得动态实时的数据。 高效的以太网通讯能力保证了动态信号采集分析系统的实时性和有效性要求。由于其性价比高、体积小、且嵌入式操作系统支持的软件丰富、裁剪灵活，它将形成数据采集与信号处理技术领域及制造领域新的应用趋势。