基于嵌入式處理器的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205)

基于ARM內(nèi)核的STM32處理器在國(guó)內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了較廣泛的使用，在各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，都會(huì)見到它的身影。本設(shè)計(jì)基于意法半導(dǎo)體公司的微處理器，配合ADI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC976，設(shè)計(jì)了多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，可靠性高，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的性能。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103R8T6處理器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控制器，采用輸入光耦隔離，輸出繼電器隔離，實(shí)現(xiàn)8路PLC控制器，具有RS232/RS485通訊接口，實(shí)現(xiàn)梯形圖下載指令程序?？刂平Y(jié)構(gòu)可靠，抗通訊干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定?？蛇\(yùn)用于工業(yè)控制設(shè)備機(jī)器程序化運(yùn)行，利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

處理器外圍電路由STM32F103R8T6最小系統(tǒng)和外設(shè)組成，STM32F103R8T6最小系統(tǒng)包含電源模塊、時(shí)鐘和復(fù)位電路、存儲(chǔ)系統(tǒng)(ROM、RAM、Flash)，外設(shè)包含USB、結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主處理器介紹

本設(shè)計(jì)采用超低功耗芯片STM32F103R8T6為主處理器，從整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比及功能需求方面來看，STM32處理器是合適的選擇。STM32F103R8T6處理器是CM3架構(gòu)，性能強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，內(nèi)部有20K的閃存、64K FLASH、51個(gè)通用IO端口、3路UART的單片機(jī)，中心控制模塊采用STM32F103R8T6單片機(jī)已完全滿足設(shè)計(jì)需要，實(shí)現(xiàn)整個(gè)PLC系統(tǒng)控制[2]。處理器電路圖如圖3所示。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換處理電路

AD976模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有速度快、功耗低的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換速率可為100 ksps。該芯片內(nèi)部為逐次逼近型模數(shù)ADC，單電源5V工作電壓?；鶞?zhǔn)電壓源為2.5V，最大功耗100毫瓦。該ADC芯片通過出廠驗(yàn)證，其線性誤差很小，模擬滿量程輸入電壓是正負(fù)10V區(qū)間。與處理器通過并行接口相連。AD976處理電路如圖4所示。

圖3 處理器電路圖

圖4 A/D轉(zhuǎn)換處理電路圖

由OPA333構(gòu)建的信號(hào)調(diào)理電路共有8個(gè)，分別對(duì)應(yīng)8個(gè)輸入數(shù)據(jù)通道，從CH1到CH8。這些多路信號(hào)再通過MAX4598構(gòu)建的低電壓?jiǎn)味?選1多路復(fù)用器電路后，會(huì)選擇一路信號(hào)由COMA引腳輸入到AD976轉(zhuǎn)換電路中。圖5為信號(hào)調(diào)理及多路復(fù)用器電路。

圖5 信號(hào)調(diào)理及多路復(fù)用器電路

圖6 R/和信號(hào)控制時(shí)序

2.3 電源電路

電源部分采用線性穩(wěn)壓電源，得到兩路5V的電源。采用1片ASM1117將輸入的數(shù)字5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V，電路圖如圖7所示。輸入的模擬5V電源用于給A/D轉(zhuǎn)換電路供電。

圖7 5V轉(zhuǎn)3.3V電路圖

2.4 液晶顯示器電路

選用STN型256中色彩的LCD顯示屏，LCD電路設(shè)計(jì)主要是LCD顯示控制和LCD電源部分設(shè)計(jì)。

圖8 液晶顯示器電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件功能包括：嵌入式操作系統(tǒng)引導(dǎo)和內(nèi)核啟動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示8個(gè)通道的數(shù)據(jù)曲線，實(shí)時(shí)顯示采集的8個(gè)通道數(shù)據(jù)，以文件的形式保存采樣的數(shù)據(jù)，通過USB總線或串口與上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)等。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用嵌入式μC/OS操作系統(tǒng)，μC/OS操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，代碼全部公開，采用C代碼書寫。為了適應(yīng)架構(gòu)不同的MCU，操作系統(tǒng)內(nèi)部有少量代碼由匯編語言書寫，具有移植性強(qiáng)，可裁剪，具有任務(wù)堆棧，可存儲(chǔ)在閃存中等特點(diǎn)。該操作系統(tǒng)可廣泛使用在各種應(yīng)用環(huán)境中。軟件的主流程圖如圖9所示。

圖9 軟件主流程圖

系統(tǒng)引導(dǎo)及內(nèi)核啟動(dòng)由Bootloader程序負(fù)責(zé)，該程序包含板級(jí)支持包的一些功能，可以更好地支持操作系統(tǒng)工作。μC/OS操作系統(tǒng)可以根據(jù)已用外圍設(shè)備情況，設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并將該設(shè)備硬件特性傳輸給文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)會(huì)提供該硬件設(shè)備操作端口，供用戶使用該硬件設(shè)備。

應(yīng)用程序?qū)又苯用嫦蛴脩簦ㄟ^嵌入式系統(tǒng)外圍設(shè)備鍵盤功能鍵的輸入，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)校測(cè)所用通道模擬數(shù)據(jù)的采集、顯示、處理以及傳輸?shù)裙δ?。軟件各?xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)均是通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的消息機(jī)制完成的。數(shù)據(jù)采集的程序流程說明如下：

(1)數(shù)據(jù)采集。當(dāng)需要采集的數(shù)據(jù)信號(hào)穩(wěn)定后，系統(tǒng)通過接收鍵盤上傳送來的消息，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，連續(xù)采集8次數(shù)據(jù)后取平均值，所得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到flash中，以備上位機(jī)使用。

(2)數(shù)據(jù)輸出。得到的數(shù)據(jù)是通過液晶顯示器顯示出來，有兩種顯示方式，即直接顯示數(shù)據(jù)數(shù)值和根據(jù)數(shù)值繪制曲線。每屏顯示某個(gè)通道的數(shù)值和對(duì)應(yīng)的曲線，通過通道選擇按鍵確定要顯示的數(shù)據(jù)或曲線的通道。

(3)數(shù)據(jù)保存。采集結(jié)束后，程序把連續(xù)八次采集到的數(shù)據(jù)數(shù)值求平均值后暫存，當(dāng)用戶按下存儲(chǔ)鍵后，系統(tǒng)會(huì)將暫存的數(shù)據(jù)以TXT或BIN格式保存在閃存的指定文件中。

(4)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)采集保存后，用戶通過鍵盤上的傳送鍵，使得系統(tǒng)獲得相應(yīng)的消息，從而通過串口或者USB總線與上位機(jī)通信將本次實(shí)驗(yàn)所保存的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32為主處理器，具有性價(jià)比高，可靠性強(qiáng)、適用性廣等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高精度、多通道數(shù)據(jù)采集功能。文中詳細(xì)說明了系統(tǒng)各電路模塊的設(shè)計(jì)，包括STM32電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 電源電路、抗干擾電路等。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已試制完成，進(jìn)入批量生產(chǎn)并進(jìn)入銷售環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品實(shí)際使用過程中，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及可靠性等方面獲得了客戶的認(rèn)可。