摘要：存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是在特殊環(huán)境下記錄運(yùn)動(dòng)物體參數(shù)的最有效的手段。本文介紹了基于ARM7 LPC21xx開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的方法。Philips公司16/32位微控制器LPC21xx是基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32 位ARM7TDMIS CPU的微控制器，它具有掉電和空閑兩種節(jié)電模式，可用電池供電并且長(zhǎng)期工作。利用微控制器內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)采樣，用SPI與nRF24L01模塊通信。
引言
存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[1]方法是記錄在特殊環(huán)境下運(yùn)動(dòng)物體參數(shù)的行之有效的方法。它是先將測(cè)試數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，待裝置回收后通過(guò)特定接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，還原數(shù)據(jù)信息。在許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和功耗提出了更高的要求，不僅要同時(shí)滿足低功耗和微型化設(shè)計(jì)，還要實(shí)時(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的變化。這樣，就必須對(duì)系統(tǒng)的采樣速率、功耗等提出更高的要求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)的進(jìn)步使得高速度、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)。
本文主要使用Philips公司16/32位微控制器LPC2148[23]作為核心控制元件，通過(guò)與nRF24L01[4]結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及發(fā)送。
1 系統(tǒng)原理
整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由模擬適配電路、外部晶振、微控制器、存儲(chǔ)器模塊、電源管理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊以及接口電路組成，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
1.1 電源模塊
對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)省電的核心部分。即電源只需要在電路各個(gè)模塊需要的時(shí)候給其供電，在不需要的時(shí)候斷電來(lái)減小系統(tǒng)的無(wú)效耗電量。可以使用單電池電源供電實(shí)現(xiàn)多分枝電源網(wǎng)絡(luò)管理，使得系統(tǒng)各個(gè)模塊的電源相對(duì)獨(dú)立供電。但此時(shí)要注意帶電部分和不帶電部分的兼容問(wèn)題。
1.2 模擬適配電路
由于由傳感器測(cè)量的信號(hào)十分微弱，需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯鬄V波等修正后才能夠進(jìn)行一系列處理。
1.3 微控制器
本測(cè)試系統(tǒng)選用Philips公司16/32位微控制器LPC2148作為核心控制元件。它內(nèi)部自帶10位A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)需外加A/D轉(zhuǎn)換器，即可以減小體積，又可以節(jié)省成本。同時(shí)它還具有掉電模式和空閑模式兩種省電模式，合理設(shè)計(jì)可以減小系統(tǒng)功耗。
1.4 接口電路以及無(wú)線收發(fā)部分
本測(cè)試系統(tǒng)有兩種方法與上位機(jī)進(jìn)行通信，一種是通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一種是通過(guò)特定的接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣即使無(wú)線傳輸部分出現(xiàn)錯(cuò)誤還可以保證事后回收數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)主要部分的硬件與軟件介紹
2.1 內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的開(kāi)發(fā)
LPC2148內(nèi)部有兩個(gè)10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8個(gè)引腳復(fù)用為輸入腳（ADC0和ADC1），它具有掉電模式，測(cè)量范圍是0 V~VREF,10位的轉(zhuǎn)換時(shí)間≥2.44 μs，具有一個(gè)或者多個(gè)輸入的突發(fā)轉(zhuǎn)換模式，可選擇由輸入跳變或定時(shí)器匹配信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。它的基本時(shí)鐘由VPB（VLSI外圍總線）時(shí)鐘提供，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)可編程分頻器，可將時(shí)鐘調(diào)整至逐步逼近轉(zhuǎn)換所需的4.5 MHz（最大），完全滿足精度要求的轉(zhuǎn)換需要11個(gè)這樣的時(shí)鐘。本文用LPC2148的I/O端口來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用ADC模塊的通道3 進(jìn)行電壓的測(cè)量，定義I/O端口P0.30為AD0.3，通過(guò)定時(shí)器中斷的到來(lái)而對(duì)電壓進(jìn)行采樣，對(duì)ADC寄存器的設(shè)置如下：
AD0CR=（1<<3）| //SEL=8,選擇通道3
（（Fpclk/10000001）<<8）| //CLKDIV= Fpclk/10000001，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為 1 MHz
（0<<16）| //BURST=0,軟件控制轉(zhuǎn)換操作
（0<<17）| //CLKS=0,使用11clock轉(zhuǎn)換
（1<<21）| //PDN=1,正常工作模式
（0<<22）| //TEST1:0=00,正常工作模式
（1<<24）| //START=1,直接啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換
（0<<27）| //直接啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)此位無(wú)效
DelayNS（10）;
ADC_Data=AD0DR；//讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并清除DONE標(biāo)志位
while（1）{
AD0CR|=1<<24; //進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換
while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
AD0CR|=1<<24;//再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換
while（（AD0STAT&0x80000000）==0）;//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
ADC_Data=AD0DR；//讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
}
2.2 SPI與nRF24L01模塊的通信
SPI是一個(gè)全雙工的串行接口。它設(shè)計(jì)成可以處理在一個(gè)給定總線上多個(gè)互聯(lián)的主機(jī)和從機(jī)。在給定的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，接口上只能有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信。在一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，主機(jī)總是向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的8~16位，而從機(jī)也總是向主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。圖2 為SPI的4種不同數(shù)據(jù)的傳輸格式的時(shí)序。
圖2 SPI數(shù)據(jù)傳輸格式
在設(shè)置寄存器的過(guò)程中要注意CPOL為0和1時(shí)的不同以及SSEL、CPHA之間的關(guān)系。
SPI初始化的部分代碼如下：
void MSIP_Init（void）{
PINSEL0=（PINSEL0&（~（0xff<<8）））|（0x55<<8）; //設(shè)置引腳連接SPI
SPCCR=0x52;//設(shè)置SPI時(shí)鐘分頻
SPCR=（0<<3）| //CPHA=0,數(shù)據(jù)在SCK的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣
（1<<4）| //CPOL=1,SCK為低有效
（1<<5）| //MSTR=1,SPI處于主模式
（0<<6）| //LSBF=0,SPI數(shù)據(jù)傳輸MSB（位7）在先
（0<<7）; //SPIE=0,SPI中斷被禁止
}
圖3接口電路
嵌入式微控制器與NRF24L01接口電路如圖3所示。
這8個(gè)引腳分別和微控制器的GPIO口相連，微控制器在初始化是設(shè)置成相應(yīng)的功能。GND為電源地；VDD為正電源1.9~3.6 V輸出；CE為工作模式的選擇，RX或TX模式；SS為SPI片選使能，低電平使能；SCK為SPI時(shí)鐘；MOSI 為SPI輸入；MISO為SPI輸出；IRQ為中斷輸出。
接收端部分代碼如下：
#include "NRF24L01.h"
unsigned int RxBuf[5]; //接收緩沖，保存接收到的數(shù)據(jù)
int main（）{
NRF24L01_Initial（）; //nRF24L01初始化
while（（NRF24L01_RxStatus（））！=1）{//nRF24L01沒(méi)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求
*P_Watchdog_Clear=0x0001;
}
NRF24L01_ReceiveByte（RxBuf）;//接收數(shù)據(jù)
while（1）{
*P_Watchdog_Clear=0x0001;
}
}
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與驗(yàn)證
圖4是用本測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的兩條實(shí)驗(yàn)曲線。該曲線所測(cè)的是引信電池[8]的電壓量。曲線可以分成兩部分，一部分是電池電壓隨著時(shí)間的增加而增加，另一部分是隨著時(shí)間的增加電壓量保持不變。這是由引信的特殊結(jié)構(gòu)所致。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，本測(cè)試系統(tǒng)在誤差允許的范圍內(nèi)可以達(dá)到測(cè)量精度要求，從而驗(yàn)證了本測(cè)試系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。
4 展望
未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了降低功耗和成本，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ埽ǔ６季哂械凸摹Ⅲw積小、集成度高等特點(diǎn)[9]。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期和巨大的市場(chǎng)潛力。
圖4 實(shí)驗(yàn)曲線
參考文獻(xiàn)
[1] 祖靜, 申湘南, 張文棟. 存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[J].兵工學(xué)報(bào),1995（2）.
[2] 周立功，等.深入淺出ARM7——LPC213x/214x[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.
[3] 周立功,等. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.
[4] nRF2401與SPI接口[EB/OL].[20080218].http://www.freqchina.com/SPI%20interface.pdf.
[5] ARM公司.ARM Developer Suite_CodeWarrior IDE Guide,2000.
[6] ARM公司.ARM Developer Suite_Compliers and Libraries,2000.
[7] ARM公司.ARM Developer Suite_Assembler Guide,2000.
[8] 王瑩澈，田昱，朱雅鵬. 鉛酸儲(chǔ)備電池在非旋轉(zhuǎn)彈引信上的應(yīng)用探索[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2008,30（5）:5256.
[9] http://baike.baidu.com/view/6115.htm?fr=ala0_1_1.
孫婷婷（碩士生）、馬鐵華（教授、博士生導(dǎo)師）、沈大偉（講師），主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。
