多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM芯片的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8路數(shù)據(jù)的采集，信號(hào)的采集方式可以是單路采集也可以是多路循環(huán)采集，控制信號(hào)可通過觸摸屏或上位機(jī)控制輸入，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果以數(shù)字和圖形的方式在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)軟硬件綜合調(diào)試，驗(yàn)證了方案的可行性。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；ARM；液晶顯示器；A／D轉(zhuǎn)換；STM32

0 引言
    隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，A／D數(shù)據(jù)采集是其中一項(xiàng)重要的研究課題，A／D多路采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案可以多種，通過對(duì)三種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較，最終采用STM32系列ARM芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。STM32是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設(shè)，并具有極高的性價(jià)比，目前正逐漸搶占了電子領(lǐng)域原有的51、AVR的市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)中采用STM32F103RBT6作為主控制器，該芯片配置豐富，便于今后的系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

1 方案比較與論證
    為實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集要求，提出如下三種設(shè)計(jì)方案：
    (1)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    本方案采用雙單片機(jī)的方法，即在數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)端、近端均采用單片機(jī)控制，遠(yuǎn)端完成數(shù)據(jù)的采集、抽樣、發(fā)送；近端完成數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)、處理和顯示等，鍵盤控制數(shù)據(jù)顯示。在近端與遠(yuǎn)端的通信中，采用RS 485差分方式接口，以提高通信速度與傳輸距離。該方案存在不足之處是：A／D接口和RS 485接口編程不方便，采集信號(hào)的頻率范圍和速率較低，實(shí)用性不大。
    (2)基于CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    采用CPLD對(duì)A／D芯片的采集控制，通過USB接口傳輸給上位機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高的采集速率和采集精度，有著較大的實(shí)用性，但難點(diǎn)之處是CPLD對(duì)A／D模塊的控制，及單片機(jī)對(duì)USB的配置。
    (3)基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    本方案主控器采用STM32系列的ARM芯片，方案如圖1所示。

    此方案中A／D轉(zhuǎn)換器為ARM芯片內(nèi)置，采集的方式、起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間由上位機(jī)通過RS 232口控制，數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至上位機(jī)保存?？紤]到使用筆記本作為控制上位機(jī)時(shí)沒有232接口，使用USB轉(zhuǎn)232的電纜提供RS 232控制信息。
    由于A／D芯片內(nèi)置，芯片價(jià)格也便宜，電路設(shè)計(jì)較前面的簡(jiǎn)單，且ARM自帶的A／D采集方式多樣，并可以通過配置ARM芯片內(nèi)相應(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便。考慮到后面的擴(kuò)展需要和應(yīng)用的廣泛與實(shí)用性，本設(shè)計(jì)采用此方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
    電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

    該電路主要由電源模塊，主控器模塊，顯示模塊，SD卡模塊，USB轉(zhuǎn)232模塊等幾個(gè)部分組成。
    (1)主控制器
    采用STM32F103RBT6作為MCU，其性價(jià)比很高，該芯片具有20 KB SRAM、128 KB FLASH、3個(gè)普通的16位定時(shí)器、1個(gè)16位的高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)SPI、2個(gè)I2C、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、51個(gè)通用I／O口。因?yàn)橹骺仄鱏TM32是3．3 V供電的，所以需要將USB的5 V電壓轉(zhuǎn)換為3．3 V。這里采用電源線性穩(wěn)壓芯片AMS1117—3．3，將5 V轉(zhuǎn)換為3．3 V。
    (2)液晶顯示
    電路中采用通用的LCD接口，支持8位或者16位總線或者SPI的液晶屏。該模塊采用TFTLCD面板(薄膜晶體管液晶顯示器)，可以顯示16位色的真彩圖片，提高數(shù)據(jù)顯示效果，同時(shí)也可以將采集數(shù)據(jù)以圖形曲線的方式形象的表現(xiàn)出來。該模塊有2．4’／2．8’兩種大小的屏幕可選，320×240的分辨率，16位真彩顯示，自帶觸摸屏。接口采用80并口與外部連接，采用16位數(shù)據(jù)線。
    (3)JTAG
    采用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接法，STM32的SWD接口與JTAG是共用的，只要接上JTAG，也可以使用SWD模式下載并調(diào)試代碼，多數(shù)情況下使用SWD來下載調(diào)試代碼，節(jié)省資源、而且下載速度也快。
    (4)SD卡
    利用SD卡，擴(kuò)大容量存儲(chǔ)設(shè)備，用來實(shí)時(shí)保存采集的數(shù)據(jù)，既可以彌補(bǔ)沒有上位機(jī)的情況，也更方便于事后對(duì)大量的數(shù)據(jù)的分析與處理。
    (5)A／D采集
    STM32本身擁有1～3個(gè)ADC，這些ADC可以獨(dú)立使用，也可以使用雙重模式(提高采樣率)。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A／D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。最大的轉(zhuǎn)換速率為1 MHz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs。

3 軟硬件綜合調(diào)試結(jié)果
    編寫數(shù)據(jù)采集、觸摸屏控制、上位機(jī)控制程序和液晶顯示模塊程序主要幾個(gè)模塊，將程序下載并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，最終效果如圖3，圖4所示。

    系統(tǒng)可以通過觸摸屏選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)8路數(shù)據(jù)的單路采集或多路循環(huán)采集模式，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果可在液晶屏上顯示，也可傳輸給上位機(jī)或保存在SD卡中。通過比較被測(cè)電壓和數(shù)據(jù)采集到的電壓值，測(cè)量精度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語
    本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，成本低，并具有一定的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。ARM自帶的A／D采集方式多樣，可以通過配置ARM芯片內(nèi)相應(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便。主控器STM32芯片是基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設(shè)，具有極高的性價(jià)比，在工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此值得研究和推廣。