摘要：數據采集" title="數據采集">數據采集是獲取信號對象信息的過程。本文設計了一個基于ARM" title="ARM">ARM Cortex-M3處理器的數據采集系統，利用內置的豐富的外設資源，實現多路模擬輸入電壓信號的連續采集和順序轉換，通過RS232串行通信將轉換結果在PC接收端顯示，并產生PWM方波信號，實現對現場電壓信號的實時監測。
關鍵詞：數據采集系統；嵌入式系統：Cortex-M3微處理器

0 引言
    數據采集系統是將采集傳感器輸出的溫度、壓力、流量、位移等模擬信號轉換成計算機能識別的數字信號，進行相應的計算存儲和處理；同時，可將計算所得的數據進行顯示或打印，以便實現對某些物理量的監測和控制。
    嵌入式系統是以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的核心是各種類型的嵌入式處理器。目前，采用ARM技術的微處理器占據了主流，其應用遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場。而 ARM微處理器的Cortex系列專為安全要求較高的應用而設計。其中，Cortex-M3適于高性能、低成本需求的嵌入式應用。

1 多路數據采集系統總體設計
1．1 系統設計要求
    本數據采集系統的設計要求實現150路直流電壓的實時采集和順序轉換。經過部分采集處理后，由串行數據總線將轉換數據發送至上位機界面，經過換算，以檢測采集的電源正常與否；同時在輸出端產生5路PWM方波信號，以用作輸出測試與控制。
1．2 系統設計方案
    根據上述設計要求和數據采集系統的設計規范，將系統劃分為兩個部分：最小系統和采集系統。
    最小系統采用基于ARM Cortex-M3架構的微控制器STM32F103RBT6為主控CPU，利用其內置16通道ADC" title="ADC">ADC對輸入的多路直流電壓信號進行實時采集和轉換，內置外設USART將轉換結果經過串口發送在PC端由串口調試助手顯示。
    采集系統采用5塊采集板，每塊板實現30路電壓信號采集。各塊板上，采用比例分壓的方法，利用排阻進行采集電壓的比例轉換，以達到ADC轉換的參考基準電壓要求。電壓信號的輸入采用4．16線模擬開關CD4067，通過CPIJ輸出四位控制信號，依次選擇各路輸入信號，進行采集轉換。
    電壓信號經過采集板，級聯輸入到最小系統板中，利用CPU內置ADCl中的10個轉換輸入通道，依次進行轉換。設置CPU_內部DMA模塊實現轉換結果的存儲，利用串口轉發數據，在上位機顯示轉換結果。
    根據上述設計方案，本數據采集系統的系統組成和工作原理如圖1所示。



2 數據采集系統的硬件設計
    根據系統構成原理，硬件設計上，最小系統和采集系統兩部分通過并行接口實現多塊板級聯，通過選擇相應的輸入通道和轉換通道，實現信號采集和轉換結果的顯示。
    最小系統中，采用STM32F103RBT6微控制器，工作頻率可達72MHz，內置2個12位ADC，16個外部模擬信號輸入通道，可達1 u s轉換時間，轉換范圍是O～3．6V；支持7個DMA通道，可操作多種通用外設，如定時器、ADC、USART等；內置3個同步16位定時器，每個可有4個通道用于PWM波形輸出。
2．1 最小系統的設計
    按照STM32最小系統的設計規范和本系統的功能要求，最小系統構成如圖2所示：


    電源模塊：CPU為3．3V供電，最小系統外部輸入電源為5V，經過電壓轉換芯片LM1117-3．3獲得3．3V輸出電壓，以提供系統電源。電源的輸入輸出端并接濾波電容，分別濾除電源的高頻和低頻噪聲。
    除此之外還有外部時鐘，復位系統，ADC參考電壓，USART串行通信，JTAG調試接口，總線驅動接口的設計。
    STM32F103RBT6處理器具有51個多功能雙向5V兼容的I／O口，使用時可以作為通用GPIO口，也可作為復用AFIO口。復用I／O中，本系統外設所使用的有：定時器4通道四TIM4-CH4復用PB9口；USART1引腳USART1-TX、USART1-RX復用PA9、PA10：ADC 轉換通道CH0～CH9分別復用PA0～PA7及PB0、PB1。
    對于復用功能的端口可以配置成以下模式：輸入模式(浮空、上拉或下拉)或復用功能輸出模式，此時輸入驅動器被配置成浮空輸入模式。ADC通道端口用作ADC輸入時將對應端口配置為模擬信號輸入模式；USART數據傳輸時，TX、RX復用端口分別配置為備用功能推拉模式和
輸入浮動模式。
2．2 電壓采集系統的設計
    電壓采集系統作為本系統的第二部分，主要實現多路電壓信號順序選擇輸入，獲得ADC采集端的輸入電壓信號，同時，輸出最小系統中產生的PWM方波信號，并能選擇不同的ADC通道，以實現5塊采集板與最小系統板級聯。本部分主要包括電壓采集模塊、數據選擇模塊、PWM輸出模塊以及輸入輸出接口等。
    電壓采集模塊：電路中采用電阻比例分壓的方法，獲取輸入電壓信號，以達到CPU采集轉換的基準電壓的要求。在實際硬件設計中，采用比例阻值的排阻代替分離電阻以便于電路板的繪制和整體布局。
    數據選擇模塊：采用16選1輸出的模擬開關CD4067作為數據選擇器，輸出控制由CPU四個端口輸入高低電平作為二進制組合以確定輸出的數據通道。
    PWM輸出模塊：最小系統中選擇定時器四，軟件配置為PWM輸出，由三極管放大后獲得PWM方波。
    輸入輸出接口：本系統數據采集和最小系統兩部分采用40針排線連接，各個采集板上可以同時選擇兩個不同的通道，級聯后各板將數據選擇器的輸出信號送至相應的ADC轉換通道，同時輸出PWM方波信號。

3 系統調試及軟件設計
    設計并加工好印刷電路板后，開始硬件和軟件的調試。調試過程中采用逐個功能單元調試，一個功能單元調試正常后再調試下一功能模塊，確保電路板出問題時可以很快發現問題點，再將各功能單元組合設置，逐步完成軟件設計和系統調試，實現系統設計要求。
    系統調試所使用的開發環境為IAR EWARM，仿真工具為ST-LINKII，使用USB接口。
3．1 最小系統板調試
    將電源模塊、復位、JTAG、外部晶振焊到電路板上，組成最小系統，分模塊，分步驟，調試系統各部分。加電調試前檢測是否有電源短路，確保電路安全。
    電源模塊：電路外部輸入電壓為5V，經電壓轉換后在LMlll7-3．3V輸出端得到3．3V的輸出。加電后，首先通過萬用表測量電壓輸出是否正確，然后通過示波器觀察輸出電平的波形是否滿足系統對電源精度的要求，如不滿足，可以通過加大濾波電容的方法解決。
    最小系統供電正常后，連接仿真器，通過軟件平臺可以檢測到最小系統CPU，表明CPU焊接正常。調試過程中會用到外部晶振，需要檢測晶振電路，將系統上電，使用示波器檢測晶振管腳，觀察波形，看晶振是否起振。然后編寫一個簡單的LED測試程序來觀察CPU是否能正常工作，通過軟件設置電路中LED連接的 I／O端口(PB6)輸出模式，觀察是否有閃爍。
    DMA調試：DMA用來提供在外設和存儲器之間或者存儲器之間的高速數據傳輸。DMA通道配置包括：設置外設寄存器、數據存儲器的基地址，確定數據量和通道優先級，以及數據傳輸的方向、循環模式、外設和存儲器的增量模式等。ADC1對應DMA通道1請求，ADC通道配置中使能DMA請求。
    除此之外還有USART調試、ADC調試、PWM調試等。
3．2 系統整體調試
    最小系統板各功能單元調試通過后，將最小系統板與數據采集板級聯進行系統整體調試。
    系統調試主要包括：外設和系統時鐘初始化，GPIO初始化，USART初始化和ADC、定時器初始化及ADC通道設置和串口收發配置等。系統調試流程如圖3所示：


    按照上述流程完成程序設計，編譯、鏈接、運行，觀察輸入輸出情況。系統調試效果如圖4所示。


    程序運行后，系統板上的LED在閃爍，用示波器測量定時器輸出引腳PB9，顯示頻率為4kHz，幅值為3．3V，占空比50％的PWM的方波，經過三極管放大，幅值為4．5V；在采集板輸入端加入直流電壓信號，跳線選擇ADC通道；USART進行數據傳輸中，先發出轉換結果低六位，后發出高六位。打開串口調試助手，在數據接收區內以十六進制依次顯示經過ADC所獲得的輸入信號的轉換結果，圖4中顯示了通道IN105、IN206輸入信號的測試效果，每次預先發送0x7E，且每15次循環輸出，表示依次獲取了模擬輸入電壓信號，經測算轉換精度在誤差允許范圍內，說明系統運行正常，初步實現設計目的。

4 結論
    本數據采集系統充分利用微處理器STM32F103RBT6內置的16路ADC通道、DMA控制器、USART通信接口、定時器等豐富的外設資源，在系統實現上簡化了相關模塊的設計，提高了系統運行的可靠性。經過系統硬件設計和軟件配置實現順序采集轉換輸入的多路電壓信號，并利用上位機界面顯示采集的信號，實現了輸入信號的實時監測和管理，達到了系統設計的基本要求。