多路數據采集系統的設計與實現

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摘 要：設計了一個基于ARM芯片的多路數據采集系統，可以實現對8路數據的采集，信號的采集方式可以是單路采集也可以是多路循環采集，控制信號可通過觸摸屏或上位機控制輸入，數據采集的結果以數字和圖形的方式在液晶屏上實時顯示。經軟硬件綜合調試，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：數據采集； ARM； 液晶顯示器； A/D轉換； STM32

中圖分類號：

0 引 言

隨著物聯網技術的發展與應用，A/D數據采集是其中一項重要的研究課題，A/D多路采集系統實現方案可以多種，通過對三種實現方案進行比較，最終采用STM32系列ARM芯片進行設計。STM32是基于ARM CortexM3內核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，并具有極高的性價比，目前正逐漸搶占了電子領域原有的51、AVR的市場。本設計中采用STM32F103RBT6作為主控制器[1]，該芯片配置豐富，便于今后的系統功能擴展。

1 方案比較與論證

為實現多路數據采集要求，提出如下三種設計方案：

（1） 基于單片機的數據采集系統[2-3]

本方案采用雙單片機的方法，即在數據采集的遠端、近端均采用單片機控制，遠端完成數據的采集、抽樣、發送；近端完成數據的接收、校驗、處理和顯示等，鍵盤控制數據顯示。在近端與遠端的通信中，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，采集信號的頻率范圍和速率較低，實用性不大。

（2） 基于CPLD的數據采集系統[4]

采用CPLD對A/D芯片的采集控制，通過USB接口傳輸給上位機，優點是可以實現高的采集速率和采集精度，有著較大的實用性，但難點之處是CPLD對A/D模塊的控制，及單片機對USB的配置。

（3） 基于ARM的數據采集系統

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轉換器為ARM芯片內置，采集的方式、起始時間和持續時間由上位機通過RS 232口控制，數據通過USB接口傳輸至上位機保存。考慮到使用筆記本作為控制上位機時沒有232接口，使用USB轉232的電纜提供RS 232控制信息。

由于A/D芯片內置，芯片價格也便宜，電路設計較前面的簡單，且ARM自帶的A/D采集方式多樣，并可以通過配置ARM芯片內相應的寄存器就可以實現，因此實現簡便。考慮到后面的擴展需要和應用的廣泛與實用性，本設計采用此方案。

2 系統設計原理[57]

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232模塊等幾個部分組成。

（1） 主控制器

采用STM32F103RBT6作為MCU，其性價比很高，該芯片具有20 KB SRAM、128 KB FLASH、3個普通的16位定時器、1個16位的高級定時器、2個SPI、2個I2C、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、51個通用I/O口。因為主控器STM32是3.3 V供電的，所以需要將USB的5 V電壓轉換為3.3 V。這里采用電源線性穩壓芯片AMS11173.3，將5 V轉換為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，提高數據顯示效果，同時也可以將采集數據以圖形曲線的方式形象的表現出來。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位數據線。

（3） JTAG

采用標準的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模式下載并調試代碼，多數情況下使用SWD來下載調試代碼，節省資源、而且下載速度也快。

（4） SD卡

利用SD卡，擴大容量存儲設備，用來實時保存采集的數據，既可以彌補沒有上位機的情況，也更方便于事后對大量的數據的分析與處理。

（5） A/D采集

STM32本身擁有1～3個ADC，這些ADC可以獨立使用，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字轉換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。最大的轉換速率為1 MHz，也就是轉換時間為1 μs。

3 軟硬件綜合調試結果

編寫數據采集、觸摸屏控制、上位機控制程序和液晶顯示模塊程序主要幾個模塊，將程序下載并進行系統調試，最終效果如圖3，圖4所示。

系統可以通過觸摸屏選擇實現對8路數據的單路采集或多路循環采集模式，數據采集的結果可在液晶屏上顯示，也可傳輸給上位機或保存在SD卡中。通過比較被測電壓和數據采集到的電壓值，測量精度符合設計要求。

4 結 語

本系統電路簡單，成本低，并具有一定的可擴展性和實用性。ARM自帶的A/D采集方式多樣，可以通過配置ARM芯片內相應的寄存器就可以實現，因此實現簡便。主控器STM32芯片是基于ARM CortexM3內核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，具有極高的性價比，在工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等多個領域具有廣泛的應用前景，因此值得研究和推廣。

參 考 文 獻

[1]意法半導體.STM32中文參考手冊[M].10版.上海：意法半導體（中國）投資有限公司，2010.

[2]全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（1994—1999）[M].北京：北京理工大學出版社，1997.

[3]黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]王振紅，張斯偉.電子電路綜合設計實例集萃[M].北京：化學工業出版社，2008.

[5]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]劉同法，肖志剛，彭繼衛.ARM CortexM3內核微控制器快速入門與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[7]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[8]陳尚松.電子測量與儀器[M].北京：電子工業出版社，2005.

[9]蔡暢，戚文軍.數據采集系統設計[J].現代電子技術，2012，35（1）：128130.

[10]陳科善，閆鵬.基于ARM CortexM3的多路數據采集系統的設計[J].電子技術，2010，37（10）：53-55.