基于ARM9的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

鄒衛(wèi)進,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轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應(yīng)的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實世界，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾乎無處不在，凡是有自動監(jiān)測及控制的地方都會有數(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。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計概述

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

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

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和性能指標

主機部分預(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路開關(guān)量接線端口，模擬量和開關(guān)量也可采用串口進行傳輸。USB采用主機模式，提供的串行總線為USB2.0標準。以太網(wǎng)傳輸速率為10M。存儲容量不低于1GB。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

2.1 ARM9系列芯片EM9260

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

2.1.1 EM9260主要特點：

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

2.1.2 主要技術(shù)指標。CPU單元：工業(yè)級32位ARM9系列CPU，主頻200MHz；64MB系統(tǒng)內(nèi)存，256MB NAND FLASH；預(yù)裝WINDOWS CE實時多任務(wù)實時操作系統(tǒng)；支持包括eVC在內(nèi)的多種應(yīng)用程序開發(fā)工具；提供標準SD卡插座，即插即用；USB接口支持U盤即插即用；實時時鐘RTC，具有掉電保護功能。

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USB HOST接口，其中一個USB與CAN復(fù)用管腳；（3）1個USB Device接口，支持ActiveSync；（4）1個系統(tǒng)專用調(diào)試維護串口；（5）5個用戶可用標準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CAN接口，支持CAN2.0B。

2.2 前置信號處理電路設(shè)計

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

2.3 模擬量輸入部分電路設(shè)計

1.3.1 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換接口電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是從模擬信號源中采集信號，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入數(shù)字處理器的過程。溫度信號作為一種典型的模擬信號，要完成對采集的溫度信號的數(shù)字處理，必然需要一個穩(wěn)定、精確的A/D轉(zhuǎn)換接口來完成前端傳感器到嵌入式系統(tǒng)的信號傳遞。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通道的多路開關(guān)以及和微處理器相兼容的控制邏輯，這個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)換器的主要特點是：具有一高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，帶有模擬開關(guān)的256R分壓器、以及一逐位逼近寄存器，8個通道的模擬開關(guān)可以直接訪問8個單端信號中的任何一個。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、極好的長期精度和可重復(fù)性以及最小功耗。這些特點使該器件適合于從過程和機器控制到消耗裝置及自動化的應(yīng)用。

2.4 RS485 串口的電路實現(xiàn)

目前實現(xiàn)RS485電平與TTL電平轉(zhuǎn)換的芯片很多，如SN75176、MAX1482等。在綜合考慮性能價格等各種因素后，系統(tǒng)選用了MAX485作為RS485串口的驅(qū)動芯片。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳非常簡單，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和D1端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機相連時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；RE和DE分別為接收和發(fā)送的使能端，當RE為邏輯“0”時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯“l(fā)”時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳來控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“l(fā)”；當A引腳的電平低于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”；同時要在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

3.1 上位機應(yīng)用程序設(shè)計

系統(tǒng)與上位機的通信采用的基于TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議可實現(xiàn)設(shè)備間無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)與傳感器和下位機的通訊是通過模擬/數(shù)字采集模塊和串口通訊模塊實現(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（智能設(shè)備）通過RS232_RS485通訊與上位機（PC）進行通訊，通過上位機發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令，下位機根據(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)字量傳感器進行通訊，智能采集各傳感器的數(shù)據(jù)并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理后傳給上位機進行存儲和顯示。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計的雙通道的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是針對現(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)計方案，從硬件和軟件兩方面進行了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。

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

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