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

摘要：數(shù)據(jù)采集是獲取信號對象信息的過程。本文設計了一個基于ARM Cortex-M3處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用內置的豐富的外設資源，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(xiàn)對現(xiàn)場電壓信號的實時監(jiān)測。
關鍵詞：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、位移等模擬信號轉換成計算機能識別的數(shù)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(shù)據(jù)進行顯示或打印，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(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技術的微處理器占據(jù)了主流，其應用遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設計
1．1 系統(tǒng)設計要求
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要求實現(xiàn)150路直流電壓的實時采集和順序轉換。經(jīng)過部分采集處理后，由串行數(shù)據(jù)總線將轉換數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機界面，經(jīng)過換算，以檢測采集的電源正常與否；同時在輸出端產生5路PWM方波信號，以用作輸出測試與控制。
1．2 系統(tǒng)設計方案
根據(jù)上述設計要求和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計規(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架構的微控制器STM32F103RBT6為主控CPU，利用其內置16通道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(jīng)過串口發(fā)送在PC端由串口調試助手顯示。
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(jīng)過采集板，級聯(lián)輸入到最小系統(tǒng)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(xiàn)轉換結果的存儲，利用串口轉發(fā)數(shù)據(jù)，在上位機顯示轉換結果。
根據(jù)上述設計方案，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)的硬件設計
根據(jù)系統(tǒng)構成原理，硬件設計上，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)，通過選擇相應的輸入通道和轉換通道，實現(xiàn)信號采集和轉換結果的顯示。