基于ARM Cortex-M3的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：數(shù)據(jù)采集是獲取信號對象信息的過程。本文設(shè)計了一個基于ARM Cortex-M3處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用內(nèi)置的豐富的外設(shè)資源，實現(xiàn)多路模擬輸入電壓信號的連續(xù)采集和順序轉(zhuǎn)換，通過RS232串行通信將轉(zhuǎn)換結(jié)果在PC接收端顯示，并產(chǎn)生PWM方波信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場電壓信號的實時監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)：Cortex-M3微處理器

0 引言
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將采集傳感器輸出的溫度、壓力、流量、位移等模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，進(jìn)行相應(yīng)的計算存儲和處理；同時，可將計算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)測和控制。
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心是各種類型的嵌入式處理器。目前，采用ARM技術(shù)的微處理器占據(jù)了主流，其應(yīng)用遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。而 ARM微處理器的Cortex系列專為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。其中，Cortex-M3適于高性能、低成本需求的嵌入式應(yīng)用。

1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 系統(tǒng)設(shè)計要求
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求實現(xiàn)150路直流電壓的實時采集和順序轉(zhuǎn)換。經(jīng)過部分采集處理后，由串行數(shù)據(jù)總線將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)界面，經(jīng)過換算，以檢測采集的電源正常與否；同時在輸出端產(chǎn)生5路PWM方波信號，以用作輸出測試與控制。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計方案
根據(jù)上述設(shè)計要求和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，將系統(tǒng)劃分為兩個部分：最小系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。
最小系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的微控制器STM32F103RBT6為主控CPU，利用其內(nèi)置16通道ADC對輸入的多路直流電壓信號進(jìn)行實時采集和轉(zhuǎn)換，內(nèi)置外設(shè)USART將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過串口發(fā)送在PC端由串口調(diào)試助手顯示。
采集系統(tǒng)采用5塊采集板，每塊板實現(xiàn)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(jìn)行采集電壓的比例轉(zhuǎn)換，以達(dá)到ADC轉(zhuǎn)換的參考基準(zhǔn)電壓要求。電壓信號的輸入采用4．16線模擬開關(guān)CD4067，通過CPIJ輸出四位控制信號，依次選擇各路輸入信號，進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。
電壓信號經(jīng)過采集板，級聯(lián)輸入到最小系統(tǒng)板中，利用CPU內(nèi)置ADCl中的10個轉(zhuǎn)換輸入通道，依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)置CPU_內(nèi)部DMA模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲，利用串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。
根據(jù)上述設(shè)計方案，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理如圖1所示。



2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成原理，硬件設(shè)計上，最小系統(tǒng)和采集系統(tǒng)兩部分通過并行接口實現(xiàn)多塊板級聯(lián)，通過選擇相應(yīng)的輸入通道和轉(zhuǎn)換通道，實現(xiàn)信號采集和轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示。