基于ARM9的数据采集系统设计

邹卫进,华一鸣

（1.常州信息职业技术学院，江苏常州 213164；2.常州易控网络有限公司，江苏常州 213001）

数据采集系统的任务就是将采集到的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。在现实世界，数据采集系统几乎无处不在，凡是有自动监测及控制的地方都会有数据采集系统的身影出现，基于ARM9的数据采集系统具有采样频率高、数据传输速率高的优势。

1 数据采集系统设计概述

1.1 系统设计目标

该系统应能够完成以下功能：每隔1ms对4路模拟信号、8路数字信号进行一次巡回电平采集；每隔1s对采集结果进行一次处理并将初步处理结果发送给通信板；上位机完成分类、分客户信息存储、分析、显示；测量数据采用以太网直接回传到服务器，通过网络可实现实时监测。

1.2 系统主要技术参数和性能指标

主机部分预留出USB接口、以太网口、RS232串行接口、RS485串行接口、4路模拟量接线端口及8路开关量接线端口，模拟量和开关量也可采用串口进行传输。USB采用主机模式，提供的串行总线为USB2.0标准。以太网传输速率为10M。存储容量不低于1GB。

2 数据采集系统硬件设计

数据采集系统的硬件设计原理是从模拟信号源中采集信号，并将之转换为数字信号送入数字处理器的过程。完成数据采集应具备下列基本部件：传感器、信号处理电路、A/D转换电路以及通信接口电路等。因此，数据采集电路设计不仅仅限于是单纯A/D转换芯片的接口设计，还必须综合考虑传感器到CPU的全过程。

2.1 ARM9系列芯片EM9260

EM9260是一款面向工业自动化领域的高性价比嵌入式网络模块，其内核CPU为工业级品质的AT91SAM9260，模块已预装正版Window CE5.0实时多任务操作系统，用户可直接使用Microsoft提供的著名免费软件开发工具eVC（+SP4）或其它更高版本的开发工具，在EM9260上开发自己的应用程序。

2.1.1 EM9260主要特点：

EM9260带有多种标准接口，以满足各种应用需求。这些接口包括：100M以太网接口，支持标准WinSock以及基于WinSock的各类API；5个标准异步串口，可支持RS232C、RS485、RS422、以及GPRA/CDM无线通讯；USB HOST接口，可直接支持USB盘；USB Device接口，支持ActiveSync方式对其内部文件进行更新修改；SD接口，直接支持SD卡；标准CAN总线接口，支持标准帧和扩展帧通讯；全双工高速SPI接口以及标准的I2S格式音频输出接口；多位GPIO；2路AD输入，分辨率10-bit；精简ISA扩展总线等。

2.1.2 主要技术指标。CPU单元：工业级32位ARM9系列CPU，主频200MHz；64MB系统内存，256MB NAND FLASH；预装WINDOWS CE实时多任务实时操作系统；支持包括eVC在内的多种应用程序开发工具；提供标准SD卡插座，即插即用；USB接口支持U盘即插即用；实时时钟RTC，具有掉电保护功能。

2.1.3 通讯接口配置。（1）10M/100M自适应快速以太网接口（100BASE-TX）；（2）2个USB HOST接口，其中一个USB与CAN复用管脚；（3）1个USB Device接口，支持ActiveSync；（4）1个系统专用调试维护串口；（5）5个用户可用标准UART串口。COM2，9线制，TTL接口，一般使用该端口接GPRS/CDMA模块；COM3，3线制RS232电平接口；COM4，TTL接口，一般使用该端口作RS485 扩展；COM5，TTL接口，与P4.0和P4.1复用管脚；COM6，TTL接口，与P4.2和P4.3复用管脚。（6）1个CAN接口，支持CAN2.0B。

2.2 前置信号处理电路设计

前向通道中，被测的温度、湿度、市电电压、市电电流等模拟量经传感器和前端信号处理电路的处理转换成电信号，而每一种传感器都有与之配套的信号处理接口电路，接口电路再将这一电信号转换成电压信号。信号处理电路的作用就是依据传感器输入信号的具体特征和后端系统的要求，对传感器输出信号进行各种形式的处理，如放大、滤波、电平转换等，同时还要考虑在传输过程中可能遇到的干扰影响，采取一定的措施，传感器信号处理电路的内容要依据被测对象的特点和环境条件来决定。

2.3 模拟量输入部分电路设计

1.3.1 AD转换电路设计

A/D转换接口电路是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。数据采集是从模拟信号源中采集信号，并将之转换为数字信号送入数字处理器的过程。温度信号作为一种典型的模拟信号，要完成对采集的温度信号的数字处理，必然需要一个稳定、精确的A/D转换接口来完成前端传感器到嵌入式系统的信号传递。完成A/D转换的芯片种类很多，根据转换纂理可以分为逐次逼近式、双积分式、计数器式等。衡量A/D转换性能的主要参数有分辨率、转换速率、转换精度、量化误差等。

2.3.2 A/D转换芯片 ADC0809 介绍

ADC0809数据采集元件是单片CMOS器件，具有8位模/数转换器、8通道的多路开关以及和微处理器相兼容的控制逻辑，这个8位A/D转换器使用逐位逼近作为转换技术。该转换器的主要特点是：具有一高阻抗斩波稳定比较器，带有模拟开关的256R分压器、以及一逐位逼近寄存器，8个通道的模拟开关可以直接访问8个单端信号中的任何一个。该器件取消了外部调零和满量程调整。锁存及译码的多路地址输人和锁存的TTL三态输出使该器件易于和微处理器接口。集许多A/D转换技术于一体，ADC0808和ADC0809的设计被优化，它们提供高速、高精度、最小温度相关性、极好的长期精度和可重复性以及最小功耗。这些特点使该器件适合于从过程和机器控制到消耗装置及自动化的应用。

2.4 RS485 串口的电路实现

目前实现RS485电平与TTL电平转换的芯片很多，如SN75176、MAX1482等。在综合考虑性能价格等各种因素后，系统选用了MAX485作为RS485串口的驱动芯片。MAX485芯片的结构和引脚非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和D1端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机相连时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑“0”时，器件处于接收状态；当DE为逻辑“l”时，器件处于发送状态，因为MAX485 工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚来控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为“l”；当A引脚的电平低于B时，代表发送的数据为“0”；同时要在A和B端之间加100f2左右的终接电阻。

3 数据采集系统软件设计

3.1 上位机应用程序设计

系统与上位机的通信采用的基于TCP/IP协议，该协议可实现设备间无差错的数据传输。系统与传感器和下位机的通讯是通过模拟/数字采集模块和串口通讯模块实现的。

3.2 RS232_RS485 通讯模块

RS232_RS485通讯模块主要的作用就是将下位机（智能设备）通过RS232_RS485通讯与上位机（PC）进行通讯，通过上位机发送采集数据的命令，下位机根据命令中分配给自己的地址码把自己做出的回应回传给上位机从而完成通讯。

3.3 模拟//数字输入模块

模拟/数字输入模块主要作用是通过接线端子把温湿度、市电电压/电流、漏水、烟感等模拟量和数字量传感器进行通讯，智能采集各传感器的数据并经过A/D转换处理后传给上位机进行存储和显示。

4 结束语

本次设计的双通道的嵌入式数据采集系统是针对现在工业数据采集的环境和要求，提出的采集系统的设计方案，从硬件和软件两方面进行了数据采集系统的设计和实现。

[1]傅曦.Windows CE.嵌入式开发入门，北京，人民邮电出版社.

[2]EM9260.嵌入式模块数据手册 V1.11.成都英创信息技术有限公司