基于ARM Cortex-M3的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：數(shù)據(jù)采集是獲取信號(hào)對(duì)象信息的過程。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM Cortex-M3處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用內(nèi)置的豐富的外設(shè)資源，實(shí)現(xiàn)多路模擬輸入電壓信號(hào)的連續(xù)采集和順序轉(zhuǎn)換，通過RS232串行通信將轉(zhuǎn)換結(jié)果在PC接收端顯示，并產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)：Cortex-M3微處理器

0 引言
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將采集傳感器輸出的溫度、壓力、流量、位移等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算存儲(chǔ)和處理；同時(shí)，可將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)測(cè)和控制。
    嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心是各種類型的嵌入式處理器。目前，采用ARM技術(shù)的微處理器占據(jù)了主流，其應(yīng)用遍及工業(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)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)。而 ARM微處理器的Cortex系列專為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其中，Cortex-M3適于高性能、低成本需求的嵌入式應(yīng)用。

1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
    本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)150路直流電壓的實(shí)時(shí)采集和順序轉(zhuǎn)換。經(jīng)過部分采集處理后，由串行數(shù)據(jù)總線將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)界面，經(jīng)過換算，以檢測(cè)采集的電源正常與否；同時(shí)在輸出端產(chǎn)生5路PWM方波信號(hào)，以用作輸出測(cè)試與控制。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)部分：最小系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。
    最小系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的微控制器STM32F103RBT6為主控CPU，利用其內(nèi)置16通道ADC對(duì)輸入的多路直流電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和轉(zhuǎn)換，內(nèi)置外設(shè)USART將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過串口發(fā)送在PC端由串口調(diào)試助手顯示。
    采集系統(tǒng)采用5塊采集板，每塊板實(shí)現(xiàn)30路電壓信號(hào)采集。各塊板上，采用比例分壓的方法，利用排阻進(jìn)行采集電壓的比例轉(zhuǎn)換，以達(dá)到ADC轉(zhuǎn)換的參考基準(zhǔn)電壓要求。電壓信號(hào)的輸入采用4．16線模擬開關(guān)CD4067，通過CPIJ輸出四位控制信號(hào)，依次選擇各路輸入信號(hào)，進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。
    電壓信號(hào)經(jīng)過采集板，級(jí)聯(lián)輸入到最小系統(tǒng)板中，利用CPU內(nèi)置ADCl中的10個(gè)轉(zhuǎn)換輸入通道，依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)置CPU_內(nèi)部DMA模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲(chǔ)，利用串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理如圖1所示。



2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成原理，硬件設(shè)計(jì)上，最小系統(tǒng)和采集系統(tǒng)兩部分通過并行接口實(shí)現(xiàn)多塊板級(jí)聯(lián)，通過選擇相應(yīng)的輸入通道和轉(zhuǎn)換通道，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示。[!--empirenews.page--]
    最小系統(tǒng)中，采用STM32F103RBT6微控制器，工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)置2個(gè)12位ADC，16個(gè)外部模擬信號(hào)輸入通道，可達(dá)1 u s轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換范圍是O～3．6V；支持7個(gè)DMA通道，可操作多種通用外設(shè)，如定時(shí)器、ADC、USART等；內(nèi)置3個(gè)同步16位定時(shí)器，每個(gè)可有4個(gè)通道用于PWM波形輸出。
2．1 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    按照STM32最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和本系統(tǒng)的功能要求，最小系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示：


    電源模塊：CPU為3．3V供電，最小系統(tǒng)外部輸入電源為5V，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117-3．3獲得3．3V輸出電壓，以提供系統(tǒng)電源。電源的輸入輸出端并接濾波電容，分別濾除電源的高頻和低頻噪聲。
    除此之外還有外部時(shí)鐘，復(fù)位系統(tǒng)，ADC參考電壓，USART串行通信，JTAG調(diào)試接口，總線驅(qū)動(dòng)接口的設(shè)計(jì)。
    STM32F103RBT6處理器具有51個(gè)多功能雙向5V兼容的I／O口，使用時(shí)可以作為通用GPIO口，也可作為復(fù)用AFIO口。復(fù)用I／O中，本系統(tǒng)外設(shè)所使用的有：定時(shí)器4通道四TIM4-CH4復(fù)用PB9口；USART1引腳USART1-TX、USART1-RX復(fù)用PA9、PA10：ADC 轉(zhuǎn)換通道CH0～CH9分別復(fù)用PA0～PA7及PB0、PB1。
    對(duì)于復(fù)用功能的端口可以配置成以下模式：輸入模式(浮空、上拉或下拉)或復(fù)用功能輸出模式，此時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)器被配置成浮空輸入模式。ADC通道端口用作ADC輸入時(shí)將對(duì)應(yīng)端口配置為模擬信號(hào)輸入模式；USART數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，TX、RX復(fù)用端口分別配置為備用功能推拉模式和
輸入浮動(dòng)模式。
2．2 電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    電壓采集系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的第二部分，主要實(shí)現(xiàn)多路電壓信號(hào)順序選擇輸入，獲得ADC采集端的輸入電壓信號(hào)，同時(shí)，輸出最小系統(tǒng)中產(chǎn)生的PWM方波信號(hào)，并能選擇不同的ADC通道，以實(shí)現(xiàn)5塊采集板與最小系統(tǒng)板級(jí)聯(lián)。本部分主要包括電壓采集模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊、PWM輸出模塊以及輸入輸出接口等。
    電壓采集模塊：電路中采用電阻比例分壓的方法，獲取輸入電壓信號(hào)，以達(dá)到CPU采集轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓的要求。在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)中，采用比例阻值的排阻代替分離電阻以便于電路板的繪制和整體布局。
    數(shù)據(jù)選擇模塊：采用16選1輸出的模擬開關(guān)CD4067作為數(shù)據(jù)選擇器，輸出控制由CPU四個(gè)端口輸入高低電平作為二進(jìn)制組合以確定輸出的數(shù)據(jù)通道。
    PWM輸出模塊：最小系統(tǒng)中選擇定時(shí)器四，軟件配置為PWM輸出，由三極管放大后獲得PWM方波。
    輸入輸出接口：本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和最小系統(tǒng)兩部分采用40針排線連接，各個(gè)采集板上可以同時(shí)選擇兩個(gè)不同的通道，級(jí)聯(lián)后各板將數(shù)據(jù)選擇器的輸出信號(hào)送至相應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換通道，同時(shí)輸出PWM方波信號(hào)。

3 系統(tǒng)調(diào)試及軟件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)并加工好印刷電路板后，開始硬件和軟件的調(diào)試。調(diào)試過程中采用逐個(gè)功能單元調(diào)試，一個(gè)功能單元調(diào)試正常后再調(diào)試下一功能模塊，確保電路板出問題時(shí)可以很快發(fā)現(xiàn)問題點(diǎn)，再將各功能單元組合設(shè)置，逐步完成軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
    系統(tǒng)調(diào)試所使用的開發(fā)環(huán)境為IAR EWARM，仿真工具為ST-LINKII，使用USB接口。
3．1 最小系統(tǒng)板調(diào)試
    將電源模塊、復(fù)位、JTAG、外部晶振焊到電路板上，組成最小系統(tǒng)，分模塊，分步驟，調(diào)試系統(tǒng)各部分。加電調(diào)試前檢測(cè)是否有電源短路，確保電路安全。
    電源模塊：電路外部輸入電壓為5V，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后在LMlll7-3．3V輸出端得到3．3V的輸出。加電后，首先通過萬用表測(cè)量電壓輸出是否正確，然后通過示波器觀察輸出電平的波形是否滿足系統(tǒng)對(duì)電源精度的要求，如不滿足，可以通過加大濾波電容的方法解決。
    最小系統(tǒng)供電正常后，連接仿真器，通過軟件平臺(tái)可以檢測(cè)到最小系統(tǒng)CPU，表明CPU焊接正常。調(diào)試過程中會(huì)用到外部晶振，需要檢測(cè)晶振電路，將系統(tǒng)上電，使用示波器檢測(cè)晶振管腳，觀察波形，看晶振是否起振。然后編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的LED測(cè)試程序來觀察CPU是否能正常工作，通過軟件設(shè)置電路中LED連接的 I／O端口(PB6)輸出模式，觀察是否有閃爍。
    DMA調(diào)試：DMA用來提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。DMA通道配置包括：設(shè)置外設(shè)寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的基地址，確定數(shù)據(jù)量和通道優(yōu)先級(jí)，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、循環(huán)模式、外設(shè)和存儲(chǔ)器的增量模式等。ADC1對(duì)應(yīng)DMA通道1請(qǐng)求，ADC通道配置中使能DMA請(qǐng)求。
    除此之外還有USART調(diào)試、ADC調(diào)試、PWM調(diào)試等。[!--empirenews.page--]
3．2 系統(tǒng)整體調(diào)試
    最小系統(tǒng)板各功能單元調(diào)試通過后，將最小系統(tǒng)板與數(shù)據(jù)采集板級(jí)聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)整體調(diào)試。
    系統(tǒng)調(diào)試主要包括：外設(shè)和系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，GPIO初始化，USART初始化和ADC、定時(shí)器初始化及ADC通道設(shè)置和串口收發(fā)配置等。系統(tǒng)調(diào)試流程如圖3所示：


    按照上述流程完成程序設(shè)計(jì)，編譯、鏈接、運(yùn)行，觀察輸入輸出情況。系統(tǒng)調(diào)試效果如圖4所示。


    程序運(yùn)行后，系統(tǒng)板上的LED在閃爍，用示波器測(cè)量定時(shí)器輸出引腳PB9，顯示頻率為4kHz，幅值為3．3V，占空比50％的PWM的方波，經(jīng)過三極管放大，幅值為4．5V；在采集板輸入端加入直流電壓信號(hào)，跳線選擇ADC通道；USART進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸中，先發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)果低六位，后發(fā)出高六位。打開串口調(diào)試助手，在數(shù)據(jù)接收區(qū)內(nèi)以十六進(jìn)制依次顯示經(jīng)過ADC所獲得的輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，圖4中顯示了通道IN105、IN206輸入信號(hào)的測(cè)試效果，每次預(yù)先發(fā)送0x7E，且每15次循環(huán)輸出，表示依次獲取了模擬輸入電壓信號(hào)，經(jīng)測(cè)算轉(zhuǎn)換精度在誤差允許范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)運(yùn)行正常，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)論
    本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用微處理器STM32F103RBT6內(nèi)置的16路ADC通道、DMA控制器、USART通信接口、定時(shí)器等豐富的外設(shè)資源，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上簡(jiǎn)化了相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。經(jīng)過系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件配置實(shí)現(xiàn)順序采集轉(zhuǎn)換輸入的多路電壓信號(hào)，并利用上位機(jī)界面顯示采集的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。