基于ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 銳，王 林

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

1 引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化儀器已經(jīng)成為觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的主流儀器，因而數(shù)據(jù)采集技術(shù)也成為觀測(cè)技術(shù)中十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要指從傳感器輸出的微弱電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換到存儲(chǔ)、記錄這一過程所涉及的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是以傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。該文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅僅將模擬的電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，不過其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

隨著網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已進(jìn)入到一個(gè)高、低端并行發(fā)展的階段，其標(biāo)志是近年來32位微控制器的發(fā)展。ARM是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛的一種32位微處理器核，具有體積小、功耗低、硬件調(diào)試方便等適合現(xiàn)場(chǎng)操作的優(yōu)點(diǎn)，而且32位機(jī)移植操作系統(tǒng)比較方便，有利于系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)和升級(jí)。到目前為止，ARM微處理器及其技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器部分

該系統(tǒng)所選擇的ARM微控制器是PHILIPS公司生產(chǎn)的ARM7系列的LPC2138芯片。它包含一個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線（AHB）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線（VPB、ARM AMBA總線的兼容超集）。

模擬信號(hào)從J2處輸入，然后通過LPC2138自帶的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過LPC2138處理后通過串行口把數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上。系統(tǒng)參考電壓由Vref引腳提供，參考電源由電阻R2和電位器W2分壓得到，其電壓范圍為0～3V，J0為測(cè)量點(diǎn)。系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘電路使用了外部11.0592MHz晶振。微控制器部分電路如圖1所示。

2.1.1 工作原理

A/D轉(zhuǎn)換器的基本時(shí)鐘由VPB時(shí)鐘提供。每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)可編程分頻器，可將時(shí)鐘調(diào)整至逐步逼近轉(zhuǎn)換所需的4.5MHz（最大）。完全滿足精度要求的轉(zhuǎn)換需要11個(gè)這樣的時(shí)鐘。

2.1.2 功率控制

LPC2138支持兩種節(jié)電模式，即空閑模式和掉電模式。在空閑模式下，指令的執(zhí)行被掛起直到發(fā)生復(fù)位或中斷為止。外設(shè)功能在空閑模式下繼續(xù)保持并可產(chǎn)生中斷使處理器恢復(fù)運(yùn)行?？臻e模式使處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和相關(guān)控制器以及內(nèi)部總線不再消耗功率。在掉電模式下，振蕩器關(guān)閉，這樣芯片沒有任何內(nèi)部時(shí)鐘。

2.1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real Time Clock，RTC）提供一套計(jì)數(shù)器在系統(tǒng)上電和關(guān)閉操作時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，RTC消耗的功率非常低，這使其適合用于電池供電、CPU不連續(xù)工作（空閑模式）的系統(tǒng)。在使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，必須外加電源。否則，斷電后RTC將會(huì)停止工作，開機(jī)后需要重新設(shè)置時(shí)間。

2.2 JTAG接口電路

采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG連接圖如圖2所示。在RTCK引腳接一個(gè)4.7kΩ的下拉電阻，使系統(tǒng)復(fù)位后LPC2138內(nèi)部JTAG接口使能，這樣就可以直接進(jìn)行JTAG仿真調(diào)試了。一般來說，當(dāng)使用JTAG調(diào)試時(shí)，P0.14腳必須接上拉電阻（P0.14腳為開漏輸出），讓其保持高電平狀態(tài)；而使用ISP下載程序時(shí)，則要使P0.14腳保持低電平狀態(tài)。

2.3 復(fù)位電路

LPC2138有兩個(gè)復(fù)位源，即RESET管腳和看門狗復(fù)位，如圖3所示。外部復(fù)位一旦有效，復(fù)位狀態(tài)將一直保持到外部復(fù)位撤除，振蕩器開始運(yùn)行為止。當(dāng)/MR輸人信號(hào)低至0.6V時(shí)觸發(fā)一個(gè)復(fù)位脈沖，在/MR端接一個(gè)按鍵，按鍵另一端接地，則按鍵按下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖送到復(fù)位發(fā)生器中，從而產(chǎn)生200ms復(fù)位脈沖輸出。當(dāng)VCC低于域值電平或/MR保持為低時(shí)，/RESET輸出低電平。

2.4 串行接口電路

由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以使用了SP3232E進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，SP3232E是3V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯，如圖4所示。

當(dāng)要使用ISP功能時(shí)，將PC口（如COM1）與開發(fā)板的CZ2相連，使用UART0進(jìn)行通信。同時(shí)還要把J1短接，使ISP的硬件條件得到滿足。在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)若P0.14口為低電平，則進(jìn)入ISP狀態(tài)。

2.5 電源電路

微控制器的內(nèi)核和I/O口使用同一電源電壓，只需單電源3.3V供電。如圖5所示，由USB CZ1接口輸入5V直流電源，二極管D2用于限制電源的導(dǎo)通方向，經(jīng)過C1、C9濾波，然后通過SPX1117M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V。LPC2138具有獨(dú)立的模擬電源引腳V3A、VSSA，圖5中的L1和L2就是用于電源隔離的元件（將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)方法，主函數(shù)包括系統(tǒng)的初始化、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置。串口初始化以及數(shù)據(jù)傳輸則是通過調(diào)用子程序的方式來完成。

主程序代碼結(jié)構(gòu)如下：

3.1.1 ADC模塊設(shè)置

首先將測(cè)量通道引腳設(shè)置為AIN3功能，然后通過ADCR寄存器設(shè)置ADC的工作模式，ADC轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（CLKDIV時(shí)鐘分頻值），并啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。源程序如下：

3.1.2 向串口發(fā)送數(shù)據(jù)

該模塊的作用是使用查詢方式向串口發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，并等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，其中Data是要發(fā)送的數(shù)據(jù)。工作流程中，首先向UART0發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，接著向發(fā)送寄存器寫入數(shù)據(jù)并判斷是否發(fā)送完成，若沒有發(fā)送完成則返回繼續(xù)發(fā)送，直到發(fā)送完畢為止，程序流程圖如圖6所示。

3.1.3 從串口接收字節(jié)數(shù)據(jù)

該模塊的作用是使用查詢方式，從串口接收字節(jié)數(shù)據(jù)。工作流程中，首先從UART0接收字節(jié)數(shù)據(jù)，判斷是否有數(shù)據(jù)進(jìn)來。若有新數(shù)據(jù)則從接收寄存器讀取數(shù)據(jù)，直到接收字節(jié)數(shù)據(jù)完成；若沒有新數(shù)據(jù)，則返回繼續(xù)判斷，程序流程圖如圖7所示。

3.2 綜合程序介紹

首先設(shè)置I/O連接到UART0，P0.30連接到AD0.3，然后初始化UART0，即設(shè)置數(shù)據(jù)位、停止位、有無奇偶校驗(yàn)、波特率；接著進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換設(shè)置并啟動(dòng)ADC，從AD0.3讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并把結(jié)果轉(zhuǎn)換成電壓值發(fā)送到UART0，并由PC機(jī)顯示結(jié)果。綜合程序流程圖如圖8所示。

圖6 向串口發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)流程圖

圖7 從串口接收字節(jié)數(shù)據(jù)流程圖

圖8 綜合程序流程圖

4 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)中，主要是針對(duì)ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以32位ARM7TDMI-S處理器LPC2138為核心，以其自帶的ADC作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，提高了轉(zhuǎn)換效率以及系統(tǒng)的實(shí)用性，克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受環(huán)境制約的因素，不過在轉(zhuǎn)換精度方面還有待提高。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，LPC2138的很多功能沒有體現(xiàn)出來，在此基礎(chǔ)上還可以增加其他的擴(kuò)展功能。例如，采集數(shù)據(jù)可以改為多通道循環(huán)采集，并且可以外接一個(gè)液晶顯示屏，這樣的話測(cè)得的電壓值不但能通過PC機(jī)顯示，而且在液晶屏上也能顯示。數(shù)據(jù)的傳輸不僅可以依靠串口，而且可以利用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。而此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅利用了USB的供電功能，還可以外接CAN控制器，實(shí)現(xiàn)CAN的一系列功能。

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