基于嵌入式处理器的高精度数据采集系统的设计

(武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205)

基于ARM内核的STM32处理器在国内系统设计中得到了较广泛的使用，在各种控制系统设计中，都会见到它的身影。本设计基于意法半导体公司的微处理器，配合ADI公司的模数转换芯片ADC976，设计了多通道的数据采集系统，经过实际应用，可靠性高，能实现设计所要求的性能。

1 总体设计

本设计以STM32F103R8T6处理器数据采集系统主控制器，采用输入光耦隔离，输出继电器隔离，实现8路PLC控制器，具有RS232/RS485通讯接口，实现梯形图下载指令程序。控制结构可靠，抗通讯干扰能力强，运行稳定。可运用于工业控制设备机器程序化运行，利于工业现场安装。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

处理器外围电路由STM32F103R8T6最小系统和外设组成，STM32F103R8T6最小系统包含电源模块、时钟和复位电路、存储系统(ROM、RAM、Flash)，外设包含USB、结构框图如图2。

图2 硬件电路结构框图

2.1 主处理器介绍

本设计采用超低功耗芯片STM32F103R8T6为主处理器，从整个系统的性价比及功能需求方面来看，STM32处理器是合适的选择。STM32F103R8T6处理器是CM3架构，性能强，稳定可靠，内部有20K的闪存、64K FLASH、51个通用IO端口、3路UART的单片机，中心控制模块采用STM32F103R8T6单片机已完全满足设计需要，实现整个PLC系统控制[2]。处理器电路图如图3所示。

2.2 A/D转换处理电路

AD976模数转换器具有速度快、功耗低的特点，转换速率可为100 ksps。该芯片内部为逐次逼近型模数ADC，单电源5V工作电压。基准电压源为2.5V，最大功耗100毫瓦。该ADC芯片通过出厂验证，其线性误差很小，模拟满量程输入电压是正负10V区间。与处理器通过并行接口相连。AD976处理电路如图4所示。

图3 处理器电路图

图4 A/D转换处理电路图

由OPA333构建的信号调理电路共有8个，分别对应8个输入数据通道，从CH1到CH8。这些多路信号再通过MAX4598构建的低电压单端8选1多路复用器电路后，会选择一路信号由COMA引脚输入到AD976转换电路中。图5为信号调理及多路复用器电路。

图5 信号调理及多路复用器电路

图6 R/和信号控制时序

2.3 电源电路

电源部分采用线性稳压电源，得到两路5V的电源。采用1片ASM1117将输入的数字5V电源转换为3.3V，电路图如图7所示。输入的模拟5V电源用于给A/D转换电路供电。

图7 5V转3.3V电路图

2.4 液晶显示器电路

选用STN型256中色彩的LCD显示屏，LCD电路设计主要是LCD显示控制和LCD电源部分设计。

图8 液晶显示器电路图

3 软件设计

本数据采集系统的软件功能包括：嵌入式操作系统引导和内核启动，实时显示8个通道的数据曲线，实时显示采集的8个通道数据，以文件的形式保存采样的数据，通过USB总线或串口与上位机传送数据等。

本数据采集系统使用嵌入式μC/OS操作系统，μC/OS操作系统实时性强，代码全部公开，采用C代码书写。为了适应架构不同的MCU，操作系统内部有少量代码由汇编语言书写，具有移植性强，可裁剪，具有任务堆栈，可存储在闪存中等特点。该操作系统可广泛使用在各种应用环境中。软件的主流程图如图9所示。

图9 软件主流程图

系统引导及内核启动由Bootloader程序负责，该程序包含板级支持包的一些功能，可以更好地支持操作系统工作。μC/OS操作系统可以根据已用外围设备情况，设置相应的驱动程序，并将该设备硬件特性传输给文件系统，文件系统会提供该硬件设备操作端口，供用户使用该硬件设备。

应用程序层直接面向用户，通过嵌入式系统外围设备键盘功能键的输入，实现流场校测所用通道模拟数据的采集、显示、处理以及传输等功能。软件各项功能的实现均是通过实时操作系统的消息机制完成的。数据采集的程序流程说明如下：

(1)数据采集。当需要采集的数据信号稳定后，系统通过接收键盘上传送来的消息，开始进行数据采集，连续采集8次数据后取平均值，所得数据存储到flash中，以备上位机使用。

(2)数据输出。得到的数据是通过液晶显示器显示出来，有两种显示方式，即直接显示数据数值和根据数值绘制曲线。每屏显示某个通道的数值和对应的曲线，通过通道选择按键确定要显示的数据或曲线的通道。

(3)数据保存。采集结束后，程序把连续八次采集到的数据数值求平均值后暂存，当用户按下存储键后，系统会将暂存的数据以TXT或BIN格式保存在闪存的指定文件中。

(4)数据传输。当数据采集保存后，用户通过键盘上的传送键，使得系统获得相应的消息，从而通过串口或者USB总线与上位机通信将本次实验所保存的数据传送到上位机。

4 结 语

本系统设计采用STM32为主处理器，具有性价比高，可靠性强、适用性广等特点，实现了高精度、多通道数据采集功能。文中详细说明了系统各电路模块的设计，包括STM32电路、模数转换电路、 电源电路、抗干扰电路等。该数据采集系统已试制完成，进入批量生产并进入销售环节。在产品实际使用过程中，系统的数据采集及可靠性等方面获得了客户的认可。