基于STM32和LTC1859的數據采集系統

崔海朋

摘要：現在很多采集系統要求較高的精度，而且信號形式、范圍也有所不同，處理電路比較復雜，硬件成本高。為了解決該問題，設計了基于STM32和LTCl859的16位高精度數據采集系統，詳細介紹了軟硬件設計。此系統不僅可以實現8路電流信號的單端輸入，也可以實現8路電壓信號的單端輸入，成本低，精度高。

關鍵詞：數據采集;Cortex-M3;LTCl859

0引言

現在很多數據采集系統要求較高的精度，同時要求可以適應不同的信號形式，例如可以連接電流信號、電壓信號，信號的范圍也不同，常規的方法是采用復雜的電路處理再進行數據采集，這樣不僅增加了硬件成本，還降低了系統精度。本系統設計的基于Cortex-M3處理器和LTCl859的16位高精度數據采集系統，不僅可以實現8路的電流信號的輸入，還可以實現8路電壓信號的輸入，對輸入信號的范圍可以通過軟件來設置，同時AD采集電路與Cortex-M3處理器采用了電源隔離和信號隔離，提高了系統的可靠性。

LTCl859是ADI公司推出的一款高性能的具停機功能的8通道、16位、100ksps的AD轉換器，每個通道可通過軟件實現0～5V，0～10V，0～±5V，0～±10V的不同范圍的輸入電壓，同時還可以實現單輸入和差分信號輸入的選擇，每個通道可承受至±25V的故障保護。LTCl859的多路復用器可以配置為接受4個差分輸入、8個單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件提供了卓越的DC性能，具有在整個溫度范圍內的15位無漏失碼和±3LSB MAX INL。LTCl 859與控制器之間采用SPI總線進行通信。LTCl859用單5V電源工作，同時僅消耗40mW功率。LTCl 859還具有溫度系數為±1.0×10^-5/℃的2.5V內部基準，如果需要較高的準確度，還可以從外部驅動。對于那些對功耗敏感的應用，LTC1859提供了兩種斷電模式：打盹模式和休眠模式。

本系統的Cortex-M3處理器為意法半導體公司推出的32位RISC處理器STM32F103VCT6，主頻最高可達72MHz。該處理器具有256kB的程序存儲器，48k13的RAM，同時它有8個定時器、5路串口、3路SPI、2路12C，具有獨立看門狗和窗口看門狗，非常適合于與LTCl859構成高精度的數據采集和控制系統。

1硬件系統設計

本系統設計了由2片LM324運放和1片LTCl859構成8通道的單端信號輸入。每片LM324含有4個運放，2片LM324構成了8路信號調理電路，其中電阻實現電流信號到電壓信號的轉換，當連接電壓信號時，該電阻不連接。LM324為電壓跟隨器電路，這里不再詳述。LTCl859的電路如圖1所示。本電路具有通用性，在實際應用中性能穩定，效果很好。下面對電路進行詳細分析。

LTCl859引腳中CH0-CH7是8路模擬輸入通道，在本系統中構成了8路單端輸入信號。MUXOUT+、MUXOUT-為模擬復用器的正負輸出，把它們連在ADC+、ADC-上進行正常操作。BUSY為輸出轉換器的狀態，當正在轉換中為低，轉換結束變高，連在ARM處理器的I/O口上，SDO為SPI總線的串行數據輸出，接在Cortex-M3處理器的SPI接口的MISO引腳上，SDI為SPI總線的串行數據輸入，接在Cortex-M3處理器的SPI接口的MOSI引腳上，SCK為SPI總線的時鐘，接在Cortex-M3處理器的SPICLK上。RD為引腳SDO數字輸出的能使信號，當RD為低能使輸出，當RD為高SDO為高阻抗。在本系統中，該引腳連接至地，一直使能LTCl859的輸出功能。CONVST為啟動轉換引腳。其它引腳分別接電源、數字地、模擬地，在布線時注意數字地和模擬地的分開，幾個電容推薦采用鉭電容，這樣可以提高系統的精度。

2隔離電路設計

為了提高系統的可靠性，本系統設計了電源隔離和SPI總線隔離電路，使LTCl859采集電路與Cortex-M3處理器電氣完全隔離，外部輸入信號不會影響到處理器電路的運行，大大提高了系統的可靠性。下面從2個方面來重點介紹。

2.1電源隔離

LTCl 859的供電采用DC/DC變換器實現電源與CPU電源的隔離。電源模塊采用廣州金升陽公司的B1212M-2M。B1212M-2M采用小型DIP封裝，溫度特性好，隔離電壓1000VDC。圖2中12V輸出電壓為前端信號調理電路中LM324芯片供電，后端電源采用了L7805CV穩壓，為LTCl859供電。

2.2S PI總線的隔離是非常關鍵的一部分

本系統采用了專用的s P I隔離芯片ADUMl411。它是ADI公司推出的四通道數字隔離芯片，單芯片可以替代4個光耦，采用芯片級脈沖變壓器磁耦合技術，施密特觸發器輸入/輸出，隔離電壓2500V。與傳統的光耦隔離相比，具有壽命長，節省PCB（印制板）面積等諸多優點。每個ADUMl411芯片含有3路數字輸出和1路數字輸入通道。由于LTCl859有5條控制線與Cortex-M3處理器進行通訊，因此本系統選用了2片ADUMl411實現與Cortex-M3處理器的完全隔離。電路如圖3所示。

3軟件設計

系統采用SPI總線通信，軟件的關鍵是Cortex-M3處理器和LTCl859之間的時序匹配，下面詳細介紹。

3.1LT C 1859軟件配置

LTCl859是在SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲，這就要求Cortex-M3處理器在進行SPI初始化時采用上升沿無延時模式。8位的控制字通過SDI輸入，用于配置LTCl859以進行下一個轉換，同時前一個轉換輸出在SDO上輸出，在數據交換的末端，在CONVST上施加1個上升沿啟動被請求的轉換。轉換完成后，轉換結果將在下1個數據傳送周期提供。LTCl859的8位命令控制字在首8個SCK的上升沿按時間順序記錄到SDI輸入中，SDI隨后的輸入的位被忽略。8位的控制字含有對通道地址、信號輸入范圍和斷電模式的控制，具體內容參見手冊，這里不再贅述。本系統中配置為8通道單端輸入方式，信號輸入范圍默認配置為0-5V，斷電模式設置為上電模式，不進入打盹和休眠模式。

3.2C o rtex-M 3處理器S P I接口配置

Cortex-M3處理器的SPI接收設置為全雙工主模式。為了一次可以讀取到LTCl859轉換后的16位的結果，SPI接收設置為16位模式。禁止軟件NSs功能，SPI的速率默認設置為256分頻后的速率，實際應用可以根據需要進行更改。初始化代碼如下：

3.3模數轉換采集

下面詳細介紹軟件編寫，SPI總線的時鐘很快，既可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式。本系統采用查詢方式，其軟件流程如圖4所示。

程序源代碼及其詳細注釋如下，該函數的入口參數為通道號，即為0-7，函數根據通道號讀取該通道的數據，同時將該數據值返回，其中部分函數為STM32的庫函數，這里不再詳細講述。

4結論

本系統成功實現了基于STM32處理器和LTCl859的16位高精度數據采集系統，給出了全新實用的硬件和軟件設計，適用于不同信號類型和電壓范圍變化較大的數據采集系統。該系統精度高，成本低，可靠性高，具有一定的應用推廣價值。