基于ARM7的工業(yè)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

摘要：在現(xiàn)代工業(yè)控制中利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集已成為其重要組成部分，但是僅靠單片機(jī)等進(jìn)行工業(yè)控制還存在著不完善的地方。為此提出基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集方法，并根據(jù)目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，選定ARM7芯片STM32F103VBT6作為主控芯片，給出系統(tǒng)框圖并設(shè)計(jì)了前端調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、調(diào)試電路。采用Linux操作系統(tǒng)，在Linux平臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；ARM；Linux

0 引言
    在工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域，需要獲取大量的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，由于環(huán)境惡劣復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多為工控機(jī)來完成，但工控機(jī)體積大、功耗大，可靠性較差、安裝不方便同時(shí)成本也不低。另外還有專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨(dú)立工作，利用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)和MCU(微控制器)完成。缺點(diǎn)是價(jià)格很高，人機(jī)交互能力差。嵌入式處理器的高速發(fā)展有效地彌補(bǔ)了工控機(jī)的不足，尤其是ARM處理器。它不僅集合上述采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)，同時(shí)還加入了一些新的功能，新的特性。新功能新特性的加入，又進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用范圍，能針對(duì)不同的需求，具有很大的靈活性。
    該方案采取ARM處理器來實(shí)現(xiàn)，ARM處理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外設(shè)，相比傳統(tǒng)控制器如單片機(jī)更強(qiáng)大的性能是其主要特點(diǎn)?，F(xiàn)今的ARM處理器性能已經(jīng)具備處理簡(jiǎn)單的信號(hào)處理的能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用ARM處理器無疑能從各個(gè)方面受益，包括性能、功能、成本、功耗等各個(gè)方面。

1 系統(tǒng)土作原理、硬件設(shè)計(jì)
    該課題研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)和基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)，開發(fā)了一個(gè)集嵌入式控制、高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理及友好人機(jī)交互界面于一體的平臺(tái)，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行高速采集、處理與顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要包括：前端調(diào)理模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器主模塊、人機(jī)接口單元。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 信號(hào)調(diào)理模塊
    信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)傳感大過來的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過信號(hào)調(diào)理的隔離、放大、濾波等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善。設(shè)計(jì)合適的信號(hào)調(diào)理電路，不但要考慮信號(hào)調(diào)理本身的內(nèi)容，還要考慮信號(hào)調(diào)理電路的應(yīng)用環(huán)境以及被測(cè)參數(shù)所代表的意義。
1．2 ARM處理器
    多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)搭建的第一步就是做好ARM核的選擇，ARM體系的各種系列如ARM7，ARM9等分別針對(duì)不同的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。
    該系統(tǒng)采用基于32位的ARM Cortex-M3處理器STM32F103VBT6作為主控芯片，它具有非常豐富的片內(nèi)資源，例如實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、定時(shí)器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D轉(zhuǎn)換器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN總線接口還包括20 kB的片內(nèi)SRAM，128 KB的片內(nèi)FLASH以及一個(gè)支持USB 2．O規(guī)范的全速USB外圍設(shè)備等，它是整個(gè)系統(tǒng)的主控單元，協(xié)調(diào)其它模塊完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、控制、傳輸?shù)榷囗?xiàng)功能。

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1．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
    衡量一個(gè)采集系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)是它的采樣速度和采樣精度，因此A／D芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的最重要的器件之一，對(duì)于模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，不僅要考慮如何與前端信號(hào)調(diào)理部分和后端信號(hào)處理部分的配合問題，還要考慮數(shù)據(jù)采集本身的一些要求。也就是說，不僅要考慮模擬輸入的相關(guān)參數(shù)、測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)類型和連接方式、采樣方式等方面，同時(shí)還要考慮采集模塊如何與后面的微處理器模塊相連接的問題。目前市面上A／D轉(zhuǎn)換器的品種較多，每種芯片具有不同的控制方式和應(yīng)用條件。對(duì)于一般的工業(yè)采集系統(tǒng)在保證精度和速度的條件下，要盡量提高采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的要求。通常選擇逐次逼近型或并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)使用TI公司的16位高速采樣模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS8317，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。
    ADS8317的電源電壓從2．7～5．5 V，在全速工作時(shí)僅需要很少的電流，而在低速工作時(shí)，能使高速器件絕大部分時(shí)間處于關(guān)斷模式，從而使在10 kHz數(shù)據(jù)速率時(shí)的平均功耗小于0．2 mW。器件廣泛應(yīng)用在以電池為能源的系統(tǒng)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集，工業(yè)控制，機(jī)器人以及震動(dòng)分析和多通道系統(tǒng)的同時(shí)采樣。該系統(tǒng)選用了兩個(gè)多路復(fù)用器MPC506，從它的OUT端輸出的信號(hào)到ADS8317進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的電路如圖2所示。

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1．4 調(diào)試接口電路
    STM32F103VBT6作為主控芯片具有一個(gè)符合IEEE STDll49．1-1990標(biāo)準(zhǔn)的20PIN的JTAG調(diào)試接口，通過這個(gè)接口可以控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。該系統(tǒng)通過JTAG接口進(jìn)行程序調(diào)試燒寫程序到FLASH中，它連接了STM32F103VBT6內(nèi)部的5根信號(hào)線TD1，TMS，TCK，TD0，NRESE-T，其中4根是輸入，分別外接了上拉電阻，保證信號(hào)的可靠傳輸。NRESET為內(nèi)部JTAG接口電路的復(fù)位引腳，通過1 kΩ電阻連接系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)就可以使用MULTI-ICE仿真器進(jìn)行調(diào)試。電路如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
    對(duì)嵌入式系統(tǒng)而言，其軟件設(shè)計(jì)與硬件平臺(tái)密切相關(guān)，硬件環(huán)境的不同，會(huì)影響操作系統(tǒng)的選擇，硬件方案確定之后，操作系統(tǒng)的選擇就相對(duì)輕松了。
    選擇嵌入式操作系統(tǒng)類型時(shí)，除了經(jīng)濟(jì)成本，主要考慮的是它們的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，此外還有這樣一些要素：對(duì)開發(fā)工具如編譯器、鍵接器、調(diào)試器等的支持程度；可移植性及移植的難度；內(nèi)存是否支持MMU；是否具有可剪裁性，是否支持用戶自定制能力；實(shí)時(shí)性能優(yōu)劣及網(wǎng)絡(luò)功能是否強(qiáng)大等，也是我們要重點(diǎn)考慮的。
    目前，開放源代碼的免費(fèi)軟件Linux操作系統(tǒng)，已成為用得最多的軟實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，這源于其獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：開發(fā)成本低、內(nèi)核可定制、完善的集成開發(fā)環(huán)境、可移植性好。本系統(tǒng)采用的是Linux操作系統(tǒng)，在Linux平臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，流程圖如圖4所示。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)采用ARM7開發(fā)設(shè)計(jì)，具有精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可以在各種工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應(yīng)用。
    采用基于ARM7的嵌入式微處理器，可以使系統(tǒng)小型化，便于提高性能以及與各種外設(shè)連接擴(kuò)展，同時(shí)降低了成本，且在具體應(yīng)用穩(wěn)定可靠。