基于ARM7的工業(yè)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

摘要：在現(xiàn)代工業(yè)控制中利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集已成為其重要組成部分，但是僅靠單片機(jī)等進(jìn)行工業(yè)控制還存在著不完善的地方。為此提出基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集方法，并根據(jù)目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，選定ARM7芯片STM32F103VBT6作為主控芯片，給出系統(tǒng)框圖并設(shè)計(jì)了前端調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、調(diào)試電路。采用Linux操作系統(tǒng)，在Linux平臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；ARM；Linux

0 引言
在工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域，需要獲取大量的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，由于環(huán)境惡劣復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多為工控機(jī)來(lái)完成，但工控機(jī)體積大、功耗大，可靠性較差、安裝不方便同時(shí)成本也不低。另外還有專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨(dú)立工作，利用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)和MCU(微控制器)完成。缺點(diǎn)是價(jià)格很高，人機(jī)交互能力差。嵌入式處理器的高速發(fā)展有效地彌補(bǔ)了工控機(jī)的不足，尤其是ARM處理器。它不僅集合上述采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)，同時(shí)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(jìn)一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用范圍，能針對(duì)不同的需求，具有很大的靈活性。
該方案采取ARM處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，ARM處理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外設(shè)，相比傳統(tǒng)控制器如單片機(jī)更強(qiáng)大的性能是其主要特點(diǎn)?，F(xiàn)今的ARM處理器性能已經(jīng)具備處理簡(jiǎn)單的信號(hào)處理的能力，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用ARM處理器無(wú)疑能從各個(gè)方面受益，包括性能、功能、成本、功耗等各個(gè)方面。

1 系統(tǒng)土作原理、硬件設(shè)計(jì)
該課題研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)和基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)集嵌入式控制、高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理及友好人機(jī)交互界面于一體的平臺(tái)，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行高速采集、處理與顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要包括：前端調(diào)理模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器主模塊、人機(jī)接口單元。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 信號(hào)調(diào)理模塊
信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)傳感大過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)信號(hào)調(diào)理的隔離、放大、濾波等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善。設(shè)計(jì)合適的信號(hào)調(diào)理電路，不但要考慮信號(hào)調(diào)理本身的內(nèi)容，還要考慮信號(hào)調(diào)理電路的應(yīng)用環(huán)境以及被測(cè)參數(shù)所代表的意義。
1．2 ARM處理器
多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(duì)不同的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。
該系統(tǒng)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(nèi)資源，例如實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、定時(shí)器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D轉(zhuǎn)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(nèi)SRAM，128 KB的片內(nèi)FLASH以及一個(gè)支持USB 2．O規(guī)范的全速USB外圍設(shè)備等，它是整個(gè)系統(tǒng)的主控單元，協(xié)調(diào)其它模塊完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、控制、傳輸?shù)榷囗?xiàng)功能。