基于ARM7的LCD顯示電壓示波系統的設計

本設計以ARM7微處理器為核心,采用ARM7中的高速A/D為測壓單元,提高了數據傳輸的可靠性;數據結果通過LCD實時顯示,顯示方式友好直觀;采用RAM和UART分別存儲和傳輸數據,實現了監測數據的長期存儲和與PC的通信傳輸。采用31/2位或41/2位段位式LCD液晶數碼顯示器的儀表已不罕見，但段位式LCD顯示器的功能較局限。對于多功能的智能儀表，采用點陣式LCD液晶顯示模塊，可提供更為豐富靈活的顯示內容。點陣式LCD顯示模塊是一種集顯示、控制與驅動與一體的顯示器件。為了簡化電路,充分發揮ARM的性能,采用了320×240的16級灰度LCD。

系統總體方案設計
本系統要求軟件完成的功能有以下幾個方面。

● 實時數據采集功能。系統要求能夠實時采集外部電壓的實時數據。

● 采樣數據處理功能。在系統對實時數據采集完成后，要對數據進行實時處理。實時處理主要是將外部電壓進行高速A/D轉換，然后動態顯示。系統還可利用按鍵對超過報警設定值進行動態修改。

● LED顯示和RTC功能。本實驗充分利用了LED顯示和實時時鐘功能。

● 報警處理功能。將實時數據與人機對話設定電壓測量最大值進行比較，之后做出報警動作。

● 顯示最大值功能。將實時數據中的最大值給予保存和顯示。

● 利用EEPROM讀寫數據功能。系統可以在上電時讀取110位上次運行的實時數據，并作為這次的歷史數據。系統還可以按鍵來存儲當前的110位實時數據。

● 串口發送數據功能。系統可通過按鍵，通過串口將100位實時數據發送到上位機顯示。

為了實現系統的模塊清晰，本系統采用了μC/OS-II操作系統。按照上述要求，本系統將軟件劃分為4個功能模塊：A/D采集模塊、LED顯示和按鍵處理模塊、LCD顯示模塊、報警、存儲及串口處理模塊。采樣模塊完成對實時數據的采樣并保存；LED顯示按鍵處理模塊主要功能是對采樣數據的處理，并把它們轉換成有實際意義的參數;LCD顯示模塊是將各種參數在LCD顯示出來;報警、存儲及串口處理模塊主要是實時對實時數據進行相應的處理。圖1即為總體系統設計整體結構圖。

圖1 系統總體框圖

系統硬件組成及功能
1 LCD顯示部分

液晶顯示器(LCD) 具有功耗低、體積小、重量輕、厚度薄等許多其他顯示器無法比擬的優點，普遍應用于基于微處理器的儀器儀表及監視、控制等智能裝置的終端顯示和人機接口中。STN LCD——市面上銷售的單色LCD絕大多數都是這種類型。STN LCD可選擇自帶LCD驅動器/控制器的STN LCD模塊。TFT LCD——即俗稱的“真彩色”液晶。TFT LCD通常一定要選擇總線型液晶顯示器，或者外接ARM的LCD驅動板也可以，總之要能夠連接單片機或者ARM。

2 LED顯示與鍵盤模塊
鍵盤顯示部分是利用我們最熟悉的8位LED數碼顯示加8位鍵盤輸入。圖2是自制的LED顯示與鍵盤模塊的電路圖。利用了飛利浦公司的SPI總線，簡單實用，有五根針腳引出。

圖2 LED顯示與鍵盤模塊

系統軟件設計
1 設計思想
在此簡易示波系統中，我們采用了LPC2138這種高性能ARM，由于ARM處理器處理速度極快，并且它內部帶4路A/D轉換。我們知道，ARM中的Fpclk是ARM外設的頻率，常規情況下，是ARM內核工作頻率的1/4，但我們可以自行修改設定Fpclk等于ARM內核的頻率Fcclk，然后我們自行設定A/D轉換功能不分頻，并且可以設定采樣的精度設為8位，這樣每A/D轉換一次的時間就等于ARM的內核工作頻率的9倍的時間，這樣每次A/D的時間就相當快了，這時我們再采用兩路A/D間隔采樣，這樣每次A/D的時間就又縮短了一半。理論上講，這時的每次A/D采樣時間差不多為2μs。這樣，此系統的對外部電壓的響應速度就提高了一個檔次了，所以此系統的A/D性能比較高。

2 任務的劃分
根據任務的劃分原則，分析得出了6個任務：延時創建采樣任務、采樣任務、報警任務、實時時鐘顯示任務、串口任務、采樣數據顯示任務。其中采樣任務安排優先級最高優先級為4，采樣數據顯示任務優先級為7，串口任務優先級為8，報警任務優先級為9，實時時鐘顯示任務為10。為了進行初始化工作，在延時創建采樣任務中增加了對目標板的初始化和任務、互斥信號量、信號量的創建工作等內容。

3 共享資源的分析
在本測試要求中，采樣的數據既要實時地放到LCD液晶屏上顯示，而且還可以通過串口上傳到上位機上，因此要采取資源同步的方法，否則有可能破壞時間，實現資源同步的方法一般有兩種：關中斷；使用互斥信號量。在本測試中使用互斥信號。

4 行為同步
在本測試中要用到兩個行為同步，第一個是采樣的數據的顯示，測試要求把當前采樣的數據通過LCD液晶屏上顯示出來，所以要在數據顯示任務中要等待采樣任務完畢的信號量，當采樣完畢后，發送信號量，把當前采樣的結果顯示出來。第二是查詢歷史記錄，用戶要查詢歷史記錄時，才把記錄顯示出來，所以在查詢歷史記錄任務里設置等待查詢信號。任務之間相互配合和協調，才能得到預定的效果，這樣可以實現任務的同步。

圖3 采樣任務流程圖

5 軟件設計模塊流程圖
嵌入式操作系統是嵌入式系統硬件和應用軟件之間的接口,它的使用可以提高軟件開發效率,它的可靠性和穩定性直接影響著系統的運行性能。本軟件設計采用公開源碼的μC/OS-II多任務實時操作系統。μC/OS-II作為一個實時微內核,實際上是一個高效的任務調度器,調度是線程級的,調度策略是采用靜態分配優先級的方式,并且采用占先式的調度原則。為了實現基本的任務調度功能, μC/OS-II提供了必備的任務間通信手段,包括信號量、郵箱等。為了實現任務延時,還具有基本的時鐘管理。