基于ARM的簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)采集方案

　　在計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制及信號(hào)處理中，數(shù)據(jù)采集發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)采集是獲取數(shù)據(jù)的重要手段，它是從傳感器或其他待測(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。而采用ARM內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換資源，具有轉(zhuǎn)換速度較高、工作可靠、設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)， ARM還具有體積小、運(yùn)算速度高，A/D轉(zhuǎn)換分辨率較高的特性，使ARM得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用ATMEL公司ARM7系列中的 AT91M55800A設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)采集方案。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)容易，可靠性強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1 數(shù)據(jù)采集方案的結(jié)構(gòu)和功能

　　方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該方案是由接收、A/D轉(zhuǎn)換和處理、輸出3部分組成。本方案以AT91M55800A為核心，該芯片是一個(gè)高性能的32位處理芯片，內(nèi)部有一個(gè)8選1的模擬通道，一個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換通道。預(yù)處理電路將傳感器拾取的信號(hào)進(jìn)行隔離放大和濾波至A/D轉(zhuǎn)換所需0～3 V，處理過的模擬信號(hào)通過AT91M55800A中的A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后由液晶顯示器輸出。同時(shí)，本方案使用 Flash存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器用于保存數(shù)據(jù)。

　　2 硬件組成

　　AT91M55800A是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的AT91的 16/32位微控制器家族成員。它通過完全可編程的外部總線接口直接連到片外存儲(chǔ)器，使讀或?qū)懖僮髯羁炜梢赃_(dá)到一個(gè)時(shí)鐘周期，通過將帶有片內(nèi)SRAM的 ARM7TDMI處理器核、多種外圍功能模塊、模擬接口和低功耗振蕩器集成于單一硅片。AT91M55800A為低功耗應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活和高性價(jià)比的解決方案。其主要特點(diǎn)如下：

　　a）集成了ARM7TDMI ARM Thumb處理器核，高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，高代碼密度的16位指令集，嵌入式ICE；

　　b）8 kB片內(nèi)SRAM，32位數(shù)據(jù)總線寬度，單時(shí)鐘周期訪問，方案可最大擴(kuò)展64 MB存儲(chǔ)器，軟件可編程的8位或16位外部數(shù)據(jù)總線；

　　c）主／從式SPI接口，8位～16位可編程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，4個(gè)外部從芯片選擇；

　　d）可編程的看門狗電路，提高方案的安全可靠性；

　　e）58個(gè)可編程I/O口線，擴(kuò)展了輸入輸出口線；

　　f）先進(jìn)電源管理控制器，具有正常、等待、慢速、待機(jī)和掉電方式；

　　g）8優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，6通道16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，3個(gè)USART，每個(gè)USART有2個(gè)專用的PDC通道；

　　h）8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道10位D/A轉(zhuǎn)換器；

　　i） 采用片內(nèi)主振蕩器和PLL倍頻的時(shí)鐘產(chǎn)生器，采用片內(nèi)32 kHz振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

　　圖2為方案的實(shí)際應(yīng)用電路。

該芯片中含有兩個(gè)完全相同的4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，可組成一個(gè)8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器具有 4個(gè)模擬輸入引腳和數(shù)字觸發(fā)輸入引腳，并提供一個(gè)AIC的中斷信號(hào)。兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器共享模擬電源引腳和參考電壓輸入引腳。每一個(gè)通道可被單獨(dú)地使能或禁止，并具有自己的數(shù)據(jù)寄存器。A/D轉(zhuǎn)換器可以配置為在轉(zhuǎn)換序列后自動(dòng)進(jìn)入睡眠

　　模式，并可由軟件、T/D或外部信號(hào)來(lái)觸發(fā)。

　　由于AT91M55800A內(nèi)部不帶片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，需要對(duì)方案外擴(kuò)［1］ Flash存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器用于存放程序代碼、常量表及掉電后需要保存的數(shù)據(jù)。AT91M55800A的總線讀寫周期最長(zhǎng)可以有8個(gè)周期的延時(shí)，要求 Flash存儲(chǔ)器的最低讀速度不低于該速度。考慮到方案的執(zhí)行速度和程序大小，選用訪問速度為70 ns的HY29LV160（芯片容量是1 M×16 bit共2 MB），基本上能夠滿足方案要求。

　　該系統(tǒng)中接入AD590［2］作為溫度傳感器，該器件以電流作為輸出量來(lái)指示溫度，并且將得到的信號(hào)經(jīng)過放大器的緩沖隔離得到一個(gè)與溫度成正比的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

　　3 A/D轉(zhuǎn)換編程

　　在AT91M55800A中，兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器獨(dú)立工作，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器只能讀取一個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換器值。此程序讓用戶指定哪一個(gè)通道工作，然后讀取指定通道的值，并顯示出來(lái)。由于A/D轉(zhuǎn)換器的精度有10位和8位，這里設(shè)置為10位，因此獲得的數(shù)據(jù)范圍在0～3FF之間。

　　A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程不同于一般的外圍設(shè)備。初始化后，必須有一個(gè)觸發(fā)命令高速A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其激活的某一個(gè)通道上的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中。用戶可以從狀態(tài)寄存器中了解到A/D轉(zhuǎn)換器是否已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成，然后通過讀取數(shù)據(jù)寄存器得到A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

　　A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖見圖3。

　　對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行編程，使用AT91庫(kù)（在/pe-riph/adc目錄下），與A/D轉(zhuǎn)換器相關(guān)的代碼部分［3］如下：

　　a）adc．h：A/D轉(zhuǎn)換器用戶接口結(jié)構(gòu)定義StructADC、控制寄存器ADC-CR、模式寄存器ADC-MR和其他一些重要寄存器的各個(gè)重要位的定義、A/D轉(zhuǎn)換器中斷服務(wù)程序函數(shù)定義。

　　b）Lid_adc．h：A/D轉(zhuǎn)換器描述符定義、庫(kù)函數(shù)的定義。

　　e）Lid_adc．c：庫(kù)函數(shù)的詳細(xì)代碼。包括：初始化ADC at91_adc_open、關(guān)閉ADC at91_adc_close、獲得狀態(tài)寄存器的值at91_adc_get_status、設(shè)置控制寄存器的值at91_adc_trig_cmd、讀取A/D轉(zhuǎn)換的值at91_adc_read、打開指定的A/D轉(zhuǎn)換通道at91_adc_channel_open、關(guān)閉指定的A/D轉(zhuǎn)換通道 at91_adc_channel_close、獲取通道開和關(guān)的狀態(tài)at91_adc_channel_geI_status等。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一個(gè)基于ARM7的數(shù)據(jù)采集方案。該方案通過硬件的具體設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。利用ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可以使方案更穩(wěn)定，而且可以達(dá)到功耗小、性能高的效果，適合在多種工業(yè)場(chǎng)合中應(yīng)用。