基于ARM9的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒衛(wèi)進(jìn),華一鳴

（1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164；2.常州易控網(wǎng)絡(luò)有限公司，江蘇常州 213001）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實(shí)世界，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾乎無(wú)處不在，凡是有自動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制的地方都會(huì)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的身影出現(xiàn)，基于ARM9的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采樣頻率高、數(shù)據(jù)傳輸速率高的優(yōu)勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

該系統(tǒng)應(yīng)能夠完成以下功能：每隔1ms對(duì)4路模擬信號(hào)、8路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一次巡回電平采集；每隔1s對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行一次處理并將初步處理結(jié)果發(fā)送給通信板；上位機(jī)完成分類、分客戶信息存儲(chǔ)、分析、顯示；測(cè)量數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)直接回傳到服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

主機(jī)部分預(yù)留出USB接口、以太網(wǎng)口、RS232串行接口、RS485串行接口、4路模擬量接線端口及8路開(kāi)關(guān)量接線端口，模擬量和開(kāi)關(guān)量也可采用串口進(jìn)行傳輸。USB采用主機(jī)模式，提供的串行總線為USB2.0標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)傳輸速率為10M。存儲(chǔ)容量不低于1GB。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理是從模擬信號(hào)源中采集信號(hào)，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字處理器的過(guò)程。完成數(shù)據(jù)采集應(yīng)具備下列基本部件：傳感器、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及通信接口電路等。因此，數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)不僅僅限于是單純A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計(jì)，還必須綜合考慮傳感器到CPU的全過(guò)程。

2.1 ARM9系列芯片EM9260

EM9260是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高性價(jià)比嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，其內(nèi)核CPU為工業(yè)級(jí)品質(zhì)的AT91SAM9260，模塊已預(yù)裝正版Window CE5.0實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，用戶可直接使用Microsoft提供的著名免費(fèi)軟件開(kāi)發(fā)工具eVC（+SP4）或其它更高版本的開(kāi)發(fā)工具，在EM9260上開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序。

2.1.1 EM9260主要特點(diǎn)：

EM9260帶有多種標(biāo)準(zhǔn)接口，以滿足各種應(yīng)用需求。這些接口包括：100M以太網(wǎng)接口，支持標(biāo)準(zhǔn)WinSock以及基于WinSock的各類API；5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)異步串口，可支持RS232C、RS485、RS422、以及GPRA/CDM無(wú)線通訊；USB HOST接口，可直接支持USB盤(pán)；USB Device接口，支持ActiveSync方式對(duì)其內(nèi)部文件進(jìn)行更新修改；SD接口，直接支持SD卡；標(biāo)準(zhǔn)CAN總線接口，支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀通訊；全雙工高速SPI接口以及標(biāo)準(zhǔn)的I2S格式音頻輸出接口；多位GPIO；2路AD輸入，分辨率10-bit；精簡(jiǎn)ISA擴(kuò)展總線等。

2.1.2 主要技術(shù)指標(biāo)。CPU單元：工業(yè)級(jí)32位ARM9系列CPU，主頻200MHz；64MB系統(tǒng)內(nèi)存，256MB NAND FLASH；預(yù)裝WINDOWS CE實(shí)時(shí)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；支持包括eVC在內(nèi)的多種應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具；提供標(biāo)準(zhǔn)SD卡插座，即插即用；USB接口支持U盤(pán)即插即用；實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，具有掉電保護(hù)功能。

2.1.3 通訊接口配置。（1）10M/100M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)接口（100BASE-TX）；（2）2個(gè)USB HOST接口，其中一個(gè)USB與CAN復(fù)用管腳；（3）1個(gè)USB Device接口，支持ActiveSync；（4）1個(gè)系統(tǒng)專用調(diào)試維護(hù)串口；（5）5個(gè)用戶可用標(biāo)準(zhǔn)UART串口。COM2，9線制，TTL接口，一般使用該端口接GPRS/CDMA模塊；COM3，3線制RS232電平接口；COM4，TTL接口，一般使用該端口作RS485 擴(kuò)展；COM5，TTL接口，與P4.0和P4.1復(fù)用管腳；COM6，TTL接口，與P4.2和P4.3復(fù)用管腳。（6）1個(gè)CAN接口，支持CAN2.0B。

2.2 前置信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

前向通道中，被測(cè)的溫度、濕度、市電電壓、市電電流等模擬量經(jīng)傳感器和前端信號(hào)處理電路的處理轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而每一種傳感器都有與之配套的信號(hào)處理接口電路，接口電路再將這一電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。信號(hào)處理電路的作用就是依據(jù)傳感器輸入信號(hào)的具體特征和后端系統(tǒng)的要求，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行各種形式的處理，如放大、濾波、電平轉(zhuǎn)換等，同時(shí)還要考慮在傳輸過(guò)程中可能遇到的干擾影響，采取一定的措施，傳感器信號(hào)處理電路的內(nèi)容要依據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和環(huán)境條件來(lái)決定。

2.3 模擬量輸入部分電路設(shè)計(jì)

1.3.1 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換接口電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是從模擬信號(hào)源中采集信號(hào)，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字處理器的過(guò)程。溫度信號(hào)作為一種典型的模擬信號(hào)，要完成對(duì)采集的溫度信號(hào)的數(shù)字處理，必然需要一個(gè)穩(wěn)定、精確的A/D轉(zhuǎn)換接口來(lái)完成前端傳感器到嵌入式系統(tǒng)的信號(hào)傳遞。完成A/D轉(zhuǎn)換的芯片種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換纂理可以分為逐次逼近式、雙積分式、計(jì)數(shù)器式等。衡量A/D轉(zhuǎn)換性能的主要參數(shù)有分辨率、轉(zhuǎn)換速率、轉(zhuǎn)換精度、量化誤差等。

2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 介紹

ADC0809數(shù)據(jù)采集元件是單片CMOS器件，具有8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道的多路開(kāi)關(guān)以及和微處理器相兼容的控制邏輯，這個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器使用逐位逼近作為轉(zhuǎn)換技術(shù)。該轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是：具有一高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，帶有模擬開(kāi)關(guān)的256R分壓器、以及一逐位逼近寄存器，8個(gè)通道的模擬開(kāi)關(guān)可以直接訪問(wèn)8個(gè)單端信號(hào)中的任何一個(gè)。該器件取消了外部調(diào)零和滿量程調(diào)整。鎖存及譯碼的多路地址輸人和鎖存的TTL三態(tài)輸出使該器件易于和微處理器接口。集許多A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)于一體，ADC0808和ADC0809的設(shè)計(jì)被優(yōu)化，它們提供高速、高精度、最小溫度相關(guān)性、極好的長(zhǎng)期精度和可重復(fù)性以及最小功耗。這些特點(diǎn)使該器件適合于從過(guò)程和機(jī)器控制到消耗裝置及自動(dòng)化的應(yīng)用。

2.4 RS485 串口的電路實(shí)現(xiàn)

目前實(shí)現(xiàn)RS485電平與TTL電平轉(zhuǎn)換的芯片很多，如SN75176、MAX1482等。在綜合考慮性能價(jià)格等各種因素后，系統(tǒng)選用了MAX485作為RS485串口的驅(qū)動(dòng)芯片。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和D1端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)相連時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；RE和DE分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE為邏輯“0”時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯“l(fā)”時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳來(lái)控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“l(fā)”；當(dāng)A引腳的電平低于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”；同時(shí)要在A和B端之間加100f2左右的終接電阻。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用的基于TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)與傳感器和下位機(jī)的通訊是通過(guò)模擬/數(shù)字采集模塊和串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)的。

3.2 RS232_RS485 通訊模塊

RS232_RS485通訊模塊主要的作用就是將下位機(jī)（智能設(shè)備）通過(guò)RS232_RS485通訊與上位機(jī)（PC）進(jìn)行通訊，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令，下位機(jī)根據(jù)命令中分配給自己的地址碼把自己做出的回應(yīng)回傳給上位機(jī)從而完成通訊。

3.3 模擬//數(shù)字輸入模塊

模擬/數(shù)字輸入模塊主要作用是通過(guò)接線端子把溫濕度、市電電壓/電流、漏水、煙感等模擬量和數(shù)字量傳感器進(jìn)行通訊，智能采集各傳感器的數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換處理后傳給上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的雙通道的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集的環(huán)境和要求，提出的采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

[1]傅曦.Windows CE.嵌入式開(kāi)發(fā)入門(mén)，北京，人民郵電出版社.

[2]EM9260.嵌入式模塊數(shù)據(jù)手冊(cè) V1.11.成都英創(chuàng)信息技術(shù)有限公司