基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

楊 博，張加宏, 2，李 敏, 2，顧 芳

(1．南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2. 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044；3. 南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，江蘇南京 210044)

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基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

楊 博1，張加宏1, 2，李 敏1, 2，顧 芳3

(1．南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2. 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044；3. 南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，江蘇南京 210044)

設(shè)計(jì)一種多通道、多功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),除普通數(shù)據(jù)采集外，還實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)采集的功能和分通道計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集模塊采集前端傳感器輸出的不同頻率電壓信號；以ARM微控制器為主控，將數(shù)據(jù)處理后，通過顯示模塊實(shí)時(shí)顯示；通過SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲；通過RS232總線傳送給PC上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和分析。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能采集較寬頻率范圍的電壓信號，并能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ幚?，具有較好的通用性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

數(shù)據(jù)采集；多通道；ARM；SD卡儲存；PC上位機(jī)

0 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分，它與傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)的基礎(chǔ)[1]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用，人們關(guān)心的不再是采集系統(tǒng)的功能，而是其基本性能：比如采集速度、采集精度、抗干擾能力，尤其是采集速度，它是目前人們最為關(guān)心的指標(biāo)之一[2]。目前，大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只是單一具有高精度、高速采樣的功能，而缺少一種即具有高精度采樣通道又具有高速采樣通道，還具有通常的采樣通道，甚至還具有分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理通道并可以將采集得到的數(shù)據(jù)存儲、顯示、傳給電腦處理、顯示、畫圖的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，目前市面上的大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用起來具有一定的局限性。

本文設(shè)計(jì)的基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)高精度采樣、高速采樣、普通采樣和分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理的功能，還可以將采集得到的數(shù)據(jù)存儲、顯示并通過RS232總線傳給電腦處理、顯示和畫圖。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)以32位ARM微控制器STM32F103為主控，加上數(shù)據(jù)采集模塊、顯示、控制模塊、SD卡存儲模塊和PC上位機(jī)組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊又包含2路高速信號采集通道、3路高精度信號采集通道、4路普通信號采集通道和1路分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理通道。

圖1 系統(tǒng)框圖

當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不同的通道進(jìn)行不同的電壓采集，采集的數(shù)據(jù)通過TFT彩色屏顯示。TFT彩色屏同時(shí)具有觸摸屏的功能，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存的選擇，即根據(jù)需要選擇儲存的數(shù)據(jù)，并通過SD卡存儲，方便以后的數(shù)據(jù)處理。此外，采集到的數(shù)據(jù)還可通過RS232總線傳送給PC上位機(jī)，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。對于分通道計(jì)數(shù)通道采集到的數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行圖形曲線顯示，方便直觀地看出各個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)量變化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片簡介

考慮具體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，主控芯片選用STM32F103微控制器。它以Cortex-M3為內(nèi)核，具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速儲存器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、SDIO驅(qū)動模塊、定時(shí)器等外設(shè)，并提供3種低功耗模式，供用戶合理地優(yōu)化功耗[3]。選用這款微控制器，不僅可以滿足驅(qū)動芯片和數(shù)據(jù)處理的要求，還可使用內(nèi)部集成的12位A/D、SDIO模塊，減少外圍模塊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊包括：高精度采樣模塊、高速采樣模塊、普通采樣模塊、分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊。不同采樣模塊通過不同方法實(shí)現(xiàn)。對于高精度采樣模塊，采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7793。AD7793是一款適合高精度測量應(yīng)用的低功耗ADC，內(nèi)部包含Σ-Δ電路，以極高的采樣頻率對輸入模擬信號進(jìn)行采樣，并對兩個(gè)采樣值之間的差值進(jìn)行低位量化。在10 Hz的采樣頻率下，可實(shí)現(xiàn)最高24位的采樣精度，分辨率較高[4]。

圖2為高精度采樣模塊的電路原理圖。AD7793的SCLK、DIN、DOUT/RDY、CS等4根控制線與微控制器相連接，SCLK作為串行時(shí)鐘輸入，用于來往ADC的數(shù)據(jù)傳輸。CS作為片選端，選擇ADC是否開始工作。DIN作為ADC的輸入移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸入端，DOUT/RDY作為串行數(shù)據(jù)輸出/數(shù)據(jù)就緒輸出端，可以作為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，訪問ADC的輸出移位寄存器，也可以作為數(shù)據(jù)就緒引腳，方便進(jìn)行轉(zhuǎn)換的中斷處理。此外，AD7793的IOUT1可以輸出1 mA的精準(zhǔn)恒流源，通過R1(2.5 kΩ)的精密電阻，作為參考電壓輸入。這樣AIN1+、AIN1-和AIN2+、AIN2-可以作為2個(gè)高精度數(shù)據(jù)采集通道，進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集。

圖2 高精度采集模塊電路圖

對于一般采樣模塊，采用普通16位4通道并行A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606-4。AD7606-4是一款集成式4通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它具有很多優(yōu)良的特性：1 MΩ模擬輸入阻抗的輸入緩沖器，片內(nèi)精密基準(zhǔn)電壓及緩沖，通過數(shù)字濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)過采樣功能，靈活的并行/串行接口，低功耗[5-6]。它可以達(dá)到較高的采樣精度以及適中的采樣速度，十分適合用于普通的數(shù)據(jù)采集。

AD7606-4通過OS0、OS1、OS2控制線與微控制相連，選擇過采樣模式。CONVST A和CONVST B作為啟動A/D轉(zhuǎn)換的控制信號，分別控制1-2和3-4通道的A/D轉(zhuǎn)換的啟動。此外，RD作為讀信號、RST作為復(fù)位信號、BUSY作為忙信號、CS作為片選信號，DB0～DB15作為16根數(shù)據(jù)線與微控制相連，用來控制和和傳送轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AIN1、AIN2、AIN3、AIN4則作為4個(gè)采樣輸入通道，進(jìn)行需采樣量的輸入。

對于高速采樣模塊和分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊，采用微控制器STM32F103內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。STM32F103內(nèi)部集成了3個(gè)逐次比較型ADC，雖然采樣精度只有12位，但是，其最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到14 MHz，最快采樣速率可以達(dá)到1 MHz，采樣速率遠(yuǎn)高于高精度采樣模塊和一般采樣模塊，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采樣。而對于分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊，也是需要高速采樣而對于采樣精度要求則不高，因此使用STM32F103內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器也是適合的。系統(tǒng)高速采樣模塊使用STM32F103內(nèi)部集成的ADC1中的3個(gè)通道，而分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊則使用STM32F103內(nèi)部集成的ADC3中的一個(gè)通道。

2.3 SD卡儲存模塊

SD卡是常用的儲存芯片，具有穩(wěn)定性好、讀寫速度快、通用性高、體積小、容量高等特點(diǎn)。SD卡有2種工作模式：SDIO通信模式和SPI模式。其中SDIO通信模式存儲速度快，且微控制器STM32F103內(nèi)部集成了SDIO通信接口，使用較方便，因此，本系統(tǒng)采用SDIO模式驅(qū)動SD卡。SD卡儲存模塊電路如圖3所示。DATA2、CD/DAT3、CMD、CLK、DATA0、DATA1引腳通過SDIO接口與微控制器相連接。CLK作為外SD卡的時(shí)鐘信號線，是由微控制器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號，每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位命令或數(shù)據(jù)。CMD是命令信號線，傳輸所有的命令和命令響應(yīng)。DATA0～DATA3是4根數(shù)據(jù)線，用來傳輸數(shù)據(jù)。驅(qū)動SD卡時(shí)，首先進(jìn)行SDIO的初始化，然后進(jìn)行SD卡的上電識別和SD卡的初始化，之后可以隨意通過讀寫函數(shù)進(jìn)行SD卡的讀寫操作。

圖3 SD卡存儲模塊電路

2.4 微控制器和PC上位機(jī)通訊模塊

系統(tǒng)采用簡單的RS232串口實(shí)現(xiàn)微控制器和PC上位機(jī)的通訊。RS232串行通訊傳送距離最大約為15 m，最高速率可達(dá)20 kb/s，并且RS232是為點(diǎn)對點(diǎn)通訊而設(shè)計(jì)的，其應(yīng)用十分廣泛。但是，由于RS232標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)邏輯，與TTL和CMOS電平是不同的[7-8]，因此，在通信時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX232芯片，它可以實(shí)現(xiàn)RS232電平和CMOS電平之間的相互轉(zhuǎn)換，MAX232的IN和OUT端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與微控制器的串口輸入、輸出的RXD和TXD相連，可將串口轉(zhuǎn)換為RS232電平，實(shí)現(xiàn)RS232通信。

2.5 其他模塊

顯示、控制模塊：采用TFT電阻觸摸彩屏作為顯示和控制模塊。采用ILI9341[9]芯片驅(qū)動3.2英寸液晶屏顯示，通過微控制器STM32F103的FSMC接口驅(qū)動ILI9341配置引腳和控制信號線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。采用TSC2046作為電阻觸摸屏的驅(qū)動芯片。TSC2046是典型的逐次逼近寄存型A/D變換器，其結(jié)構(gòu)以電容再分布為基礎(chǔ)，包含了取樣/保持功能，支持低電壓I/O接口[10]。微控制器通過SPI總線驅(qū)動TSC2046芯片，當(dāng)屏幕受到擠壓時(shí)，通過TSC2046采集到觸點(diǎn)X方向和Y方向的電壓值，從而確定觸點(diǎn)的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括微控制器的軟件設(shè)計(jì)、分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)、SD卡文件系統(tǒng)移植設(shè)計(jì)和PC上位機(jī)的設(shè)計(jì)。其中微控制器的軟件設(shè)計(jì)又包括：下降沿中斷的初始化，內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換的初始化，外部ADC模塊初始化，SDIO和SD卡驅(qū)動的初始化，顯示、控制模塊的初始化以及串口的初始化。

在完成初始化以后，微控制器進(jìn)入低功耗模式，各個(gè)電壓采集通道開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)各個(gè)通道采集到數(shù)據(jù)以后，各個(gè)通道會產(chǎn)生一個(gè)采集完成的中斷，微控制器被喚醒，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。采集中斷流程圖如圖4所示。在中斷服務(wù)程序中，讀取每個(gè)通道所采樣到的數(shù)據(jù)值，將讀取的數(shù)值通過顯示屏顯示、通過串口發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)，根據(jù)儲存選擇的標(biāo)志位，判斷是否將采集的數(shù)值存儲進(jìn)SD卡內(nèi)。另外，如果觸摸屏上按鍵被用戶觸摸，也將進(jìn)入按鍵中斷處理程序，在按鍵中斷中進(jìn)行儲存標(biāo)志位的清除和置位。

圖4 采集中斷流程圖

3.2 SD卡文件系統(tǒng)的移植

僅僅通過SDIO接口驅(qū)動SD只完成了SD卡中的物理地址讀寫數(shù)據(jù)的工作，還需要移植文件系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存和管理。FATFS是一個(gè)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用FAT文件系統(tǒng)模塊，具有以下一些特點(diǎn)：與Windows的FAT文件系統(tǒng)兼容；不依賴平臺，易于移植；代碼和工作去占用空間小[11]。本系統(tǒng)移植FATFS_R0.09a文件系統(tǒng)，然后可以利用封裝好的API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)SD卡的文件操作。

FATFS的主程序包含5個(gè)文件，即fdiskio.h、ffconf.h、ff.c、ff.h和integer.h。移植中還需要添加diskio.h和diskio.c構(gòu)成底層的硬件I/O[12]。ff.c主要是獨(dú)立于底層介質(zhì)操作文件的函數(shù)，利用這些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)文件的讀寫。ffconf.h頭文件包含了對文件系統(tǒng)的各種配置。integer.h中包含了一些數(shù)值類型的定義。移植過程中首先使integer.h中的數(shù)據(jù)類型和STM32數(shù)據(jù)類型一致，然后在diskio.c中實(shí)現(xiàn)5個(gè)主要函數(shù)：儲存介質(zhì)初始化函數(shù)dis_initialize( )、介質(zhì)狀態(tài)函數(shù)dis_status( )、扇區(qū)讀取函數(shù)dis_read( )、扇區(qū)寫入函數(shù)dis_write( )、時(shí)間接口函數(shù)get_fattime()，最后在ffconf.h中對文件系統(tǒng)進(jìn)行裁剪配置，完成文件系統(tǒng)的移植。

3.3 PC上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)采用基于.NET平臺的WindowsForm和C#語言編寫。在WindowsForm中，主要就是窗體的設(shè)計(jì)和相應(yīng)控件的應(yīng)用[13]。系統(tǒng)采用串口控件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與微控制器之間的通信；采用按鈕、文本框等控件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示以及存儲、查詢等功能的實(shí)現(xiàn)。在上位機(jī)和微控制器進(jìn)行串口通信中，首先需要對串口進(jìn)行初始化，系統(tǒng)中設(shè)置串口傳輸速率為9 600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位、1位停止位并且不設(shè)置校驗(yàn)位。初始化結(jié)束后，打開微控制器所在的串口，此時(shí)，微控制發(fā)送的數(shù)據(jù)開始存入PC內(nèi)的串口緩存區(qū)。當(dāng)緩存區(qū)數(shù)據(jù)大于1個(gè)字節(jié)后，上位機(jī)系統(tǒng)自動觸發(fā)串口讀取事件，在事件中可以調(diào)用函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對微控制器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲等功能的操作。上位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖如圖5所示。

3.4 分通道計(jì)數(shù)的算法設(shè)計(jì)

所謂分通道計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法是指將0～2.5 V均勻分為64段，每段在數(shù)據(jù)處理器內(nèi)對應(yīng)一個(gè)虛擬通道，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，在處理器內(nèi)對每個(gè)虛擬通道進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后輸出10 s內(nèi)64個(gè)虛擬通道的電壓計(jì)數(shù)值。在系統(tǒng)初始化時(shí)，將電壓分段，并設(shè)置好各電壓段對應(yīng)的虛擬通道。當(dāng)該通道開始采集數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)采集的電壓，將對應(yīng)的虛擬通道的計(jì)數(shù)值加1。以10 s為1個(gè)周期，即每10 s向上位機(jī)發(fā)送1次10 s內(nèi)每個(gè)虛擬通道累計(jì)的數(shù)值，在上位機(jī)軟件中畫圖顯示出來，發(fā)送完畢后，對每個(gè)虛擬通道清零，在下一個(gè)10 s內(nèi)重新計(jì)數(shù)、傳送。

圖5 上位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

為了測試系統(tǒng)的各種功能，給各采集通道輸入一個(gè)固定模擬電壓量，給分通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理通道一個(gè)連續(xù)變化的模擬量。并將該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和給定的模擬電壓量進(jìn)行比對。測試結(jié)果如表1和圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)各個(gè)通道可以準(zhǔn)確地采樣到通道的輸入數(shù)值，高速采集通道可以精確到小數(shù)點(diǎn)后3位，高精度采集通道可以精確到小數(shù)點(diǎn)后7位，普通采集通道可以精確到小數(shù)點(diǎn)后5位，采樣精度可以得到保證。同時(shí)，本系統(tǒng)也可以將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示和畫圖處理。此外，經(jīng)過測試，系統(tǒng)存儲功能運(yùn)行良好，可以選擇性地進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存。

表1 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試結(jié)果

圖6 上位機(jī)軟件測試圖

5 結(jié)論

圍繞嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用軟硬結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了24位高精度數(shù)據(jù)采集、1 MHz高速數(shù)據(jù)采集、普通數(shù)據(jù)采集的功能和分通道計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法。在保證普通采集速度、采集精度的前提下，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)采集的精度范圍、采集速度和數(shù)據(jù)處理能力。此外，該系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)顯示、存儲、傳輸?shù)墓δ?。因此，相對于目前大多?shù)功能單一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)具有通用性強(qiáng)、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，有很大的推廣和實(shí)用價(jià)值。

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Design of Multi-channel Data Acquisition System Based on ARM

YANG Bo1,ZHANG Jia-hong1,2,LI Min1,2,GU Fang3

(1. School of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044，China;2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing 210044，China;3. School of Physics and Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044,China)

A multi-channel and multifunction data acquisition system was designed not only to achieve common data acquisition,but also to achieve high-precision data acquisition,high-speed data acquisition and the data processing method of sub-channel count. Data acquisition module was used to collect front-end sensor output voltage signals with different frequencies. It took ARM microcontroller as master control to handle the collected data,displayed them real-time through the display module,after the data processing stored them through the SD card and transferred them to the PC host computer by RS232 bus in order to achieve remote sensing data acquisition and analysis. Experimental result shows this system can collect voltage signals over a wide range of frequencies and handle data by appropriate algorithms. Therefore,it has great real-time,versatility and reliability.

data acquisition;multi-channel;ARM;SD-card;PC host computer

項(xiàng)目資助：國家自然科學(xué)基金(61306138, 61307113)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012460)；南京信息工程大學(xué)2014屆“優(yōu)秀本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))支持計(jì)劃”項(xiàng)目

2014-03-03 收修改稿日期：2014-10-12

TP274

A

1002-1841(2015)02-0104-04

楊博(1991—),主要從事電子設(shè)計(jì)方面的研究，E-mail：yangbo199112@163.com 張加宏(1979—)，副教授，博士，主要從事微納傳感器技術(shù)和氣象探測技術(shù)方面的研究，E-mail：zjhnuist@163.com