摘要：在現代工業控制" title="工業控制">工業控制中利用計算機進行高速數據采集" title="數據采集">數據采集已成為其重要組成部分，但是僅靠單片機等進行工業控制還存在著不完善的地方。為此提出基于嵌入式的數據采集方法，并根據目前嵌入式系統的發展現狀，選定ARM7" title="ARM7">ARM7芯片STM32F103VBT6作為主控芯片，給出系統框圖并設計了前端調理電路、A／D轉換電路、調試電路。采用Linux操作系統，在Linux平臺上進行了應用程序設計。實踐表明，嵌入式數據采集系統提高了系統的可擴展性和靈活性，在工業測量與控制領域有較為廣闊的應用前景。
關鍵詞：數據采集系統；嵌入式系統；ARM；Linux
0 引言
在工業測量控制領域，需要獲取大量的實時現場參數，由于環境惡劣復雜多變，數據采集系統多為工控機來完成，但工控機體積大、功耗大，可靠性較差、安裝不方便同時成本也不低。另外還有專用的數據采集系統，可以獨立工作，利用DSP(數字信號處理器)和MCU(微控制器)完成。缺點是價格很高，人機交互能力差。嵌入式處理器的高速發展有效地彌補了工控機的不足，尤其是ARM處理器。它不僅集合上述采集系統的優點，克服了其缺點，同時還加入了一些新的功能，新的特性。新功能新特性的加入，又進一步拓展了其應用領域，應用范圍，能針對不同的需求，具有很大的靈活性。
該方案采取ARM處理器來實現，ARM處理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外設，相比傳統控制器如單片機更強大的性能是其主要特點。現今的ARM處理器性能已經具備處理簡單的信號處理的能力，在系統設計中采用ARM處理器無疑能從各個方面受益，包括性能、功能、成本、功耗等各個方面。
1 系統土作原理、硬件設計
該課題研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的數據采集硬件平臺和基于嵌入式Linux操作系統的數據處理軟件平臺，開發了一個集嵌入式控制、高速數據采集、實時處理及友好人機交互界面于一體的平臺，能對現場信號進行高速采集、處理與顯示。數據采集系統硬件模塊主要包括：前端調理模塊，A／D轉換模塊、微處理器主模塊、人機接口單元。系統的基本結構框圖如圖1所示。
1．1 信號調理模塊
信號調理模塊對傳感大過來的信號進行調理，通過信號調理的隔離、放大、濾波等，使得數據采集系統的可靠性及性能得到極大地改善。設計合適的信號調理電路，不但要考慮信號調理本身的內容，還要考慮信號調理電路的應用環境以及被測參數所代表的意義。
1．2 ARM處理器
多任務系統中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU。數據采集系統硬件開發平臺搭建的第一步就是做好ARM核的選擇，ARM體系的各種系列如ARM7，ARM9等分別針對不同的嵌入式系統應用場合。
該系統采用基于32位的ARM Cortex-M3處理器STM32F103VBT6作為主控芯片，它具有非常豐富的片內資源，例如實時時鐘(RTC)、定時器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D轉換器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN總線接口還包括20 kB的片內SRAM，128 KB的片內FLASH以及一個支持USB 2．O規范的全速USB外圍設備等，它是整個系統的主控單元，協調其它模塊完成數據采集、存儲、處理、控制、傳輸等多項功能。
1．3 模數轉換電路
衡量一個采集系統性能的重要指標是它的采樣速度和采樣精度，因此A／D芯片是數據采集系統中的最重要的器件之一，對于模擬信號的數據采集，不僅要考慮如何與前端信號調理部分和后端信號處理部分的配合問題，還要考慮數據采集本身的一些要求。也就是說，不僅要考慮模擬輸入的相關參數、測量系統的信號類型和連接方式、采樣方式等方面，同時還要考慮采集模塊如何與后面的微處理器模塊相連接的問題。目前市面上A／D轉換器的品種較多，每種芯片具有不同的控制方式和應用條件。對于一般的工業采集系統在保證精度和速度的條件下，要盡量提高采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求。通常選擇逐次逼近型或并行比較型A／D轉換器。該系統使用TI公司的16位高速采樣模／數轉換器(ADC)ADS8317，實現模擬信號到數字信號的快速轉換。
ADS8317的電源電壓從2．7～5．5 V，在全速工作時僅需要很少的電流，而在低速工作時，能使高速器件絕大部分時間處于關斷模式，從而使在10 kHz數據速率時的平均功耗小于0．2 mW。器件廣泛應用在以電池為能源的系統，遠程數據采集，單獨的數據采集，工業控制，機器人以及震動分析和多通道系統的同時采樣。該系統選用了兩個多路復用器MPC506，從它的OUT端輸出的信號到ADS8317進行A／D轉換的電路如圖2所示。
1．4 調試接口電路
STM32F103VBT6作為主控芯片具有一個符合IEEE STDll49．1-1990標準的20PIN的JTAG調試接口，通過這個接口可以控制芯片的運行并獲取內部信息。該系統通過JTAG接口進行程序調試燒寫程序到FLASH中，它連接了STM32F103VBT6內部的5根信號線TD1，TMS，TCK，TD0，NRESE-T，其中4根是輸入，分別外接了上拉電阻，保證信號的可靠傳輸。NRESET為內部JTAG接口電路的復位引腳，通過1 kΩ電阻連接系統復位信號就可以使用MULTI-ICE仿真器進行調試。電路如圖3所示。
2 軟件設計
對嵌入式系統而言，其軟件設計與硬件平臺密切相關，硬件環境的不同，會影響操作系統的選擇，硬件方案確定之后，操作系統的選擇就相對輕松了。
選擇嵌入式操作系統類型時，除了經濟成本，主要考慮的是它們的性能評價指標，此外還有這樣一些要素：對開發工具如編譯器、鍵接器、調試器等的支持程度；可移植性及移植的難度；內存是否支持MMU；是否具有可剪裁性，是否支持用戶自定制能力；實時性能優劣及網絡功能是否強大等，也是我們要重點考慮的。
目前，開放源代碼的免費軟件Linux操作系統，已成為用得最多的軟實時嵌入式操作系統，這源于其獨有的特點和優勢：開發成本低、內核可定制、完善的集成開發環境、可移植性好。本系統采用的是Linux操作系統，在Linux平臺上進行了應用程序設計，流程圖如圖4所示。
3 結語
本系統采用ARM7開發設計，具有精度高、運行穩定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高的特點，可以在各種工業場合中廣泛應用。
采用基于ARM7的嵌入式微處理器，可以使系統小型化，便于提高性能以及與各種外設連接擴展，同時降低了成本，且在具體應用穩定可靠。