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1.引言
在嵌入式系統(tǒng)特別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性至關(guān)重要，它不僅要求嵌入式微處理器能快速作出響應(yīng)，還要求嵌入式系統(tǒng)能及時(shí)處理數(shù)據(jù)[1]。在本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如采用常規(guī)方法傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)的速度較高時(shí)，由于Windows CE系統(tǒng)和采集系統(tǒng)不能同步，可能會造成數(shù)據(jù)的丟失，使得系統(tǒng)不能及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)。為解決這一問題，可以使用采集板上內(nèi)置的先入先出(FIFO)緩沖器。目前國內(nèi)關(guān)于在Windows CE系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)FIFO的文獻(xiàn)還未見報(bào)道。對此，本文討論了如何在Windows CE.net平臺上開發(fā)基于FIFO的數(shù)據(jù)采集板的驅(qū)動程序，以保證數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過試驗(yàn)將常規(guī)方法與FIFO進(jìn)行比較，得到較好的結(jié)果
2.系統(tǒng)的軟件及硬件平臺
嵌入式系統(tǒng)以其體積小、針對性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在通訊、控制和消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的操作系統(tǒng)就是微軟公司推出的專門用于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows CE.net，它是一個(gè)32位、多線程、多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)，以其模塊化的結(jié)構(gòu)，良好實(shí)時(shí)性能力，強(qiáng)大的通信能力和對多種CPU的支持，在各種工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域擁有較好的應(yīng)用前景[2]。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺是研華公司的MIC-2000工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，MIC-2000具有良好的機(jī)械可靠性和總線擴(kuò)展能力[3]，可用于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。數(shù)據(jù)采集板是模擬量輸入板MIC-2718，它是一個(gè)高增益、高性能的多功能數(shù)據(jù)采集板，它提供的程序可控增益放大器使用戶可以不用外加電源就可以采集很小的輸入信號，內(nèi)置的1K字FIFO緩沖區(qū)保證了采集數(shù)據(jù)的快速性和準(zhǔn)確性。MIC-2718為12位100KHz的A/D模塊，支持16路單端或8路差分輸入最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為8usec，有軟件觸發(fā)、定時(shí)器觸發(fā)和外部觸發(fā)三種方式，MIC-2718的功能框圖如圖1所示。
MIC-2718支持跳線選擇16路單端輸入或8路差動輸入，當(dāng)選擇單端輸入時(shí)每個(gè)通道只需要接一根信號線，信號的參考地為板上的公共地[4]。標(biāo)準(zhǔn)連線圖如圖2所示。當(dāng)選擇雙端輸入時(shí)每個(gè)通道有2根信號線，MIC-2718測量2個(gè)模擬信號的電壓差，如果信號源沒有接地，則稱為“浮”信號源，測量“浮”信號源用圖3所示的接線方法。
3.Windows CE驅(qū)動程序
與其他操作系統(tǒng)一樣，Windows CE.net也提供了很多外設(shè)的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)和設(shè)備連接起來，使操作系統(tǒng)能夠識別設(shè)備并為應(yīng)用程序提供設(shè)備服務(wù)[5]。 但是，對于非常規(guī)硬件設(shè)備(或者說對現(xiàn)有的Windows CE應(yīng)用系統(tǒng)是非常規(guī)的)，微軟并沒有提供驅(qū)動程序，因此需要設(shè)備的硬件廠商提供WndowsCE的驅(qū)動，或是使用者自行開發(fā)[6]。目前，還沒有MIC-2718的基于Windows CE.net 4.2版本的驅(qū)動程序，因此需要自行開發(fā)。
Windows CE.net驅(qū)動程序的2種模式是本機(jī)驅(qū)動和流接口驅(qū)動模式[7]。本機(jī)設(shè)備驅(qū)動適于集成到基于Windows CE.net平臺的設(shè)備，如通用LED驅(qū)動和電源驅(qū)動。流接口驅(qū)動模型適用于任何在邏輯上被認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)存儲的設(shè)備的I/O設(shè)備(任何以產(chǎn)生或消耗數(shù)據(jù)流作為主要功能的外圍設(shè)備)[8]，因此在采集系統(tǒng)中，WinCE的外圍設(shè)備驅(qū)動程序一般以流接口驅(qū)動程序較多。另外，絕大部分外圍設(shè)備驅(qū)動程序都可映射為流接口驅(qū)動程序。無論驅(qū)動程序控制的設(shè)備是什么類型，流接口驅(qū)動都使用相同的接口并導(dǎo)出一組相同的函數(shù)(流接口函數(shù))。
針對本文中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和Windows CE中驅(qū)動程序模型的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用流接口驅(qū)動程序模型。
FIFO存儲器有兩個(gè)端口(輸入口和輸出口)，并按先入先出的順序來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)。當(dāng)采用常規(guī)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，如采集板采樣速度很快，而系統(tǒng)不能及時(shí)讀出數(shù)據(jù)時(shí)，新采集的數(shù)據(jù)會把原來的數(shù)據(jù)覆蓋，這時(shí)系統(tǒng)只能傳遞新的數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)丟失。MIC-2718的FIFO緩沖器可以解決這個(gè)問題，F(xiàn)IFO在數(shù)據(jù)采集卡中作用是緩存數(shù)據(jù)，解決采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)丟失的問題，它使采集板在高觸發(fā)率或多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows操作系統(tǒng))中實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸。
MIC-2718在完成第一次A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)存入MIC-2718的A/D數(shù)據(jù)寄存器(地址為BASE+0和BASE+1(BASE為MIC- 2718的基地址))和FIFO緩沖區(qū)的第一個(gè)存儲單元，下一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，新的數(shù)據(jù)會覆蓋A/D數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，但是如果緩沖區(qū)的第一個(gè)存儲單元中的元素沒有被系統(tǒng)讀取，F(xiàn)IFO會自動將此次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)的下一個(gè)存儲單元，上一次的數(shù)據(jù)仍然保留。每一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都被依次存入FIFO的緩沖區(qū)中，最多可以存儲1024次A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)時(shí)，只需讀取FIFO數(shù)據(jù)寄存器(地址為BASE+23和BASE+24)中的數(shù)據(jù)，它也是 FIFO緩沖區(qū)中的第一個(gè)存儲單元的數(shù)據(jù)，此時(shí)緩沖區(qū)中第一個(gè)數(shù)據(jù)被讀出，下一個(gè)存儲單元的數(shù)據(jù)自動代替它的位置。通過采集板中FIFO的狀態(tài)寄存器(地址為BASE+25)可以判斷FIFO緩沖器當(dāng)前的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器的D0位EF是FIFO為空的標(biāo)志，D1位HF是FIFO半滿的標(biāo)志，D2位FF是 FIFO為滿的標(biāo)志。另外，對BASE+25寄存器的任何寫操作都將清空FIFO緩沖器，EF被置1，HF、FF置0。
Windows CE系統(tǒng)提供的驅(qū)動程序開發(fā)包(Windows CE Driver Development Kit，Ceddk)中提供了豐富的驅(qū)動程序函數(shù)(地址映射、總線訪問、建立DMA緩沖和I/O操作等)，可以滿足硬件平臺上任何總線的需要[8]，它通常被實(shí)現(xiàn)為動態(tài)庫Ceddk.lib文件。由于MIC-2718是基于ISA總線的，可以直接對采集板的地址進(jìn)行讀寫操作，同時(shí)，由于FIFO讀寫操作是相互獨(dú)立的，可以同時(shí)進(jìn)行，所以不必考慮采集板與Windows CE系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的時(shí)序配合問題，但是在對FIFO進(jìn)行讀寫操作時(shí)，要判斷FIFO的狀態(tài)，只有在緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)未滿時(shí)才能寫入，未空時(shí)才能讀出[9]，以避免一些錯(cuò)誤的操作。
當(dāng)數(shù)據(jù)采集板通過程序控制方式、定時(shí)器觸發(fā)方式或外部觸發(fā)方式采集到模擬信號后自動進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)放入A/D數(shù)據(jù)寄存器并依次寫入FIFO 緩沖區(qū)中，Windows CE.net中的用戶應(yīng)用程序通過檢測FIFO標(biāo)志寄存器和MIC-2718狀態(tài)寄存器(地址為BASE+8)的狀態(tài)來確定是否進(jìn)行了有效的A/D轉(zhuǎn)換。下面給出在Windows CE開發(fā)平臺上對FIFO進(jìn)行讀操作的部分代碼，設(shè)MIC-2718的基地址為300H：
PUCHAR ioPortBase=MapIoSpace(300H);//將物理地址影射為虛擬地址
BYTE aistatus=READ_PORT_UCHAR(ioPortBase+8);//讀MIC-2718的狀態(tài)寄存器
BYTE status=READ_PORT_UCHAR(ioPortBase+25);//讀FIFO的狀態(tài)寄存器
BYTE ad0,ad1;
if(aistatus&0x10)//若MIC-2718狀態(tài)寄存器的A/D轉(zhuǎn)換位有效
{
if(status&1!=0)//若FIFO不為空,則讀FIFO
{
ad0=READ_PORT_UCHAR(ioPortBase+23);
ad1=READ_PORT_UCHAR(ioPortBase+24);
}
}
表1 A/D數(shù)據(jù)寄存器與FIFO數(shù)據(jù)寄存器的比較
在使用MIC-2718的某一通道分別用常規(guī)方式和FIFO方式對一個(gè)持續(xù)變化的電壓源做連續(xù)的信號采集和傳輸時(shí)，兩種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)如表1所示�？梢钥闯�，第2和第8組中A/D數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值是錯(cuò)誤的，可見使用普通A/D傳輸方式存在數(shù)據(jù)丟失問題，因此并不能準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，而使用FIFO方式可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>
5.結(jié)束語
通過實(shí)際測試，在Windows CE的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用FIFO可以保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，并且編程簡單，程序調(diào)試方便，可以極大地提高數(shù)據(jù)采集板的采樣效率。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于在Windows CE.net系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)FIFO數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
作者：郭寶增 馬桂艷 來源：《微計(jì)算機(jī)信息》
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