基于ARM_Cortex-M3的多路数据采集系统的设计

基于ARM Cortex-M3的多路数据采集系统的设

计

摘要：数据采集是获取信号对象信息的过程。本文设计了一个基于ARM Cortex-M3

处理器的数据采集系统，利用内置的丰富的外设资源，实现多路模拟输入电压信号的连续采集和顺序转换，通过RS232串行通信将转换结果在PC接收端显示，并产生PWM方波信号，实现对现场电压信号的实时监测。

关键词：数据采集系统；嵌入式系统：Cortex-M3微处理器

0 引言

数据采集系统是将采集传感器输出的温度、压力、流量、位移等模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，进行相应的计算存储和处理；同时，可将计算所得的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测和控制。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器。目前，采用ARM技术的微处理器占据了主流，其应用遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。而ARM微处理器的Cortex系列专为安全要求较高的应用而设计。其中，Cortex-M3适于高性能、低成本需求的嵌入式应用。

1 多路数据采集系统总体设计

1．1 系统设计要求

本数据采集系统的设计要求实现150路直流电压的实时采集和顺序转换。经过部分采集处理后，由串行数据总线将转换数据发送至上位机界面，经过换算，以检测采集的电源正常与否；同时在输出端产生5路PWM方波信号，以用作输出测试与控制。

1．2 系统设计方案

根据上述设计要求和数据采集系统的设计规范，将系统划分为两个部分：最小系统和采集系统。

最小系统采用基于ARM Cortex-M3架构的微控制器STM32F103RBT6为主控CPU，利用其内置16通道ADC对输入的多路直流电压信号进行实时采集和转换，内置外设USART 将转换结果经过串口发送在PC端由串口调试助手显示。

采集系统采用5块采集板，每块板实现30路电压信号采集。各块板上，采用比例分压的方法，利用排阻进行采集电压的比例转换，以达到ADC转换的参考基准电压要求。电压信号的输入采用4．16线模拟开关CD4067，通过CPIJ输出四位控制信号，依次选择各路输入信号，进行采集转换。

电压信号经过采集板，级联输入到最小系统板中，利用CPU内置ADCl中的10个转换输入通道，依次进行转换。设置CPU_内部DMA模块实现转换结果的存储，利用串口转发数据，在上位机显示转换结果。

根据上述设计方案，本数据采集系统的系统组成和工作原理如图1所示。

2 数据采集系统的硬件设计

根据系统构成原理，硬件设计上，最小系统和采集系统两部分通过并行接口实现多块板级联，通过选择相应的输入通道和转换通道，实现信号采集和转换结果的显示。

最小系统中，采用STM32F103RBT6微控制器，工作频率可达72MHz ，内置2个12位ADC ，16个外部模拟信号输入通道，可达1 u s 转换时间，转换范围是O ～3．6V ；支持7个DMA 通道，可操作多种通用外设，如定时器、ADC 、USART 等；内置3个同步16位定时器，每个可有4个通道用于PWM 波形输出。

2．

1 最小系统的设计

按照STM32最小系统的设计规范和本系统的功能要求，最小系统构成如图2所示：

电源模块：CPU 为3．3V 供电，最小系统外部输入电源为5V ，经过电压转换芯片LM1117-3．3获得3．3V 输出电压，以提供系统电源。电源的输入输出端并接滤波电容，分别滤除电源的高频和低频噪声。

除此之外还有外部时钟，复位系统，ADC 参考电压，USART 串行通信，JTAG 调试接口，总线驱动接口的设计。

STM32F103RBT6处理器具有51个多功能双向5V 兼容的I ／O 口，使用时可以作为通用GPIO 口，也可作为复用AFIO 口。复用I ／O 中，本系统外设所使用的有：定时器4通道四TIM4-CH4复用PB9口；USART1引脚USART1-TX 、USART1-RX 复用PA9、PA10：ADC 转换通道CH0～CH9分别复用PA0～PA7及PB0、PB1。

对于复用功能的端口可以配置成以下模式：输入模式(浮空、上拉或下拉)或复用功能输出模式，此时输入驱动器被配置成浮空输入模式。ADC 通道端口用作ADC 输入时将对应端口配置为模拟信号输入模式；USART 数据传输时，TX 、RX 复用端口分别配置为备用功能推拉模式和

输入浮动模式。

2．2 电压采集系统的设计

电压采集系统作为本系统的第二部分，主要实现多路电压信号顺序选择输入，获得ADC 采集端的输入电压信号，同时，输出最小系统中产生的PWM方波信号，并能选择不同的ADC通道，以实现5块采集板与最小系统板级联。本部分主要包括电压采集模块、数据选择模块、PWM输出模块以及输入输出接口等。

电压采集模块：电路中采用电阻比例分压的方法，获取输入电压信号，以达到CPU采集转换的基准电压的要求。在实际硬件设计中，采用比例阻值的排阻代替分离电阻以便于电路板的绘制和整体布局。

数据选择模块：采用16选1输出的模拟开关CD4067作为数据选择器，输出控制由CPU 四个端口输入高低电平作为二进制组合以确定输出的数据通道。

PWM输出模块：最小系统中选择定时器四，软件配置为PWM输出，由三极管放大后获得PWM方波。

输入输 …… 此处隐藏：1687字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……