基于STM32单片机的存储式数据采集系统设计

第２１卷　第１７期　Ｖｏ１．２１　Ｎｏ．１７　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１３年９月　Ｓｅｐ．２０１３　基于ＳＴＭ３２单片机的存储式数据采集系统设计　郝雯　，沈金鑫　，梅成　（１．南京理工大学机械工程学院，江苏南京２１００９４；２．哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨１５００００）　摘要：针对引线式测量无法实时地采集信号的问题，设计了一种存储式数据采集系统。经过信号处理部分对传感器　的信号进行放大，利用ｓＴＭ３２单片机的片内ＡＤＣ将采集数据进行ＭＤ转换后，对数据进行软件滤波。然后保存到片　内存储器中；当数据达到一定量之后。将转换数据转移至外存储器中。为了实现体积微小型化，系统采用片内ＡＤＣ实　现Ａ／Ｄ转换，以尽量减少器件的使用。经过仿真和测试，该系统能够完成数据实时采集的要求　关键词：存储式；数据采集；ＳＴＭ３２；单片机；系统设计　中图分类号：Ｖ４３５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）１７—０ｏ８０—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＨＡＯ　Ｗｅｎ　，ＳＨＥＮ　Ｊｉｎ—ｘｉｎ　，ＭＥＩ　Ｃｈｅｎｇ２　（１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ａｃｏｕｓｔｃｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｎｇ　Ｕｎｗｅｎｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００００，Ｃｈｉａ）ｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　Ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｕｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎ　ｌｅａｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ｉｎ　ｔｇｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ａｍｐｌｉｉｆｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｓｉｎａｇｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ，Ｔｈｅ　ＳＴＭ３２　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｏｌｒｌｅｒ　ｃｈｉｐ　ＡＤＣ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ａ／Ｄ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｄａｔａ，ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ＷａＳ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｄａｔａ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｓａｖｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｍｏ￣ｃｈｉｐ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｒｅａｃｈｅｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｍｏｕｎｔ，ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｍｅｍｏ￣．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ－ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ｃｈｉｐ　ＡＤＣ　ｉｎ　Ａ／Ｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｔｏ　ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ．Ａｆｔｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｙｐｅ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＳＴＭ３２；ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｎ　ｇ现阶段。数据采集的方案主要有引线式和存储式两种。　引线式主要采用微型计算机、高速数据采集卡和数据采集软　件来实现【ｌ】，利用微型计算机主频高、内存大、硬盘容量大的　１总体方案设计　存储式数据采集系统是基于ＳＴＭ３２微控制器和数据存　储器的弱电信号采集系统，可应用于各种弱电信号的采集与　存储。整个系统由信号调理模块、ＳＴＭ３２主控制器、数据存储　器、ＲＳ一４８５通讯接口和电源模块组成。传感器信号经过信号　处理部分对信号进行放大、滤波。利用ＳＴＭ３２单片机的片内　ＡＤＣ模块实现Ａ，Ｄ转换，对数据进行递推中位值平均滤波之　后，将数据首先保存至ＳＴＭ３２片内存储器中，当数据达到一　定量之后，将转换数据转移至大容量的外存储器中。数据采　集系统总体框图如图１所示。　特点，通过数据采集卡将模拟信号转换为数字信号，ＰＣ机上　的数据采集软件直接对数字信号进行相应的处理，可以实现　高速率、高分辨率、大容量的数据采集１２－３１。　存储式主要采用高速Ａ／Ｄ转换器、数据存储器和单片机　或ＦＰＧＡ、ＤＳＰ等实现。使用单片机或ＦＰＧＡ、ＤＳＰ作为主控制　器，通过Ａ／Ｄ转换器将模拟信号转化为数字信号，并将采集　的数据保存至数据存储器中。可以实现采集存储装置的微小　型化。　引线式方案主要使用ＮＩ（美国国家仪器）的ＬａｂＶＩＥＷ软　件配套其高速数据采集卡．能胜任一般性的高速数据采集任　务。但是其数据采集卡价格昂贵，而且一般的数据采集均为　中低速。引线式由于体积较大，不便于携带，不能用于对运动　物体的数据采集嗍。存储式方案主要针对运动的物体，实现高　速、短时间、中小容量的数据采集，例如飞行器在飞行过程中　的各种参数的采集。具有便携性、微小型等特点，广泛用于各　种试验参数的数据采集。　收稿日期：２０１３—０３—０５　稿件编号：２０１３０３０５３　图１系统总体框图　Ｆｉｇ．１　Ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　上位机　作者简介：郝雯（１９８９一），女，河南洛阳人，硕士研究生。研究方向：固体火箭发动机测试。　８０—．　—．郝雯，等基于ＳＴＭ３２单片机的存储式数据采集系统设计　１３。ＳＴＭ３２Ｆ１０３嵌入了一个嵌套矢量中断控制器．可以处理　４３个可屏蔽中断通道，提供１６个中断优先级。　主控制器选用ＳＴＭ３２ＦｌＯ３Ｔ４，拥有１６　ｋＢ的程序空间，　６　ｋＢ的ＲＡＭ，２个ｌ２位的ＡＤＣ，２个ＵＳＡＲＴ，１个ＳＰＩ接口　２系统硬件设计　系统硬件部分由信号调理电路、主控制器、数据存储器、　ＲＳ－４８５通讯接口和电源电路组成。信号调理对输入信号进　行放大，使信号在Ａ／Ｄ转换能够转换的电压范围内，以满足　采样的要求：主控制器完成模拟信号的Ａ／Ｄ转换、滤波和存　储；ＲＳ一４８５通讯接口将存储数据上传给计算机；电源模块为　整个采集系统的各个模块提供工作电压。数据采集系统硬件　功能模块构成如图１所示。　２．１信号调理电路　等片上资源。主控制器模块电路如图３所示。　０ＳＣ－ＩＮ　ＮＲＳＴ　＿一ｌ０象　　叫　２０１　：。　０ＳＣ—ＯＵＴ　｝－＿—＿＿－ｃＮＤ　２ＯｐＦ　图３主控制器模块电路　Ｆｉｇ．３　Ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ＡＤ６２３是一个集成单电源仪表放大器。它能在单电源（＋　３Ｖ到＋１２Ｖ）下提供满电源幅度的输出【５】。它允许使用单个增　益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性。在无外接　２．３数据存储模块　Ａ　Ｉ１２５ＤＦＤ２ｌ是ＡＴＭＥＬ公司的带有ＳＰＩ接口的ＦＬＡＳＨ　电阻条件下，ＡＤ６２３被设置为单增益（Ｇ＝１）。在外接电阻后，　ＡＤ６２３可编程设置增益，增益最高可达１　０００倍。　型数据存储器，容量为２ＭＢ，最大操作频率为６６ＭＨｚ，适用于　数据存储。与传统的Ｆｌａｓｈ存储器需要多个地址线和一个并　行接口相比，ＡＴ２５ＤＦ０２１使用串行接口按顺序访问其内部　的数据。这种简单的串行接口，可以简化硬件布局，从而提高　系统的可靠性，最大限度地减少开关噪声。并减小封装尺寸　信号调理电路采用仪表放大器ＡＤ６２３来实现．信号调理　电路如图２所示。　和引脚数目。主要用于高密度、低针数、低电压、低功耗的工　业应用。　数据存储模块采用数据存储芯片ＡＴ２５ＤＦ０２１来实现。　数据存储模块电路如图４所示。　ＣＳ　ＳＤＩ　＋３．３Ｖ　ＧＮＤ　图２信号调理电路　Ｆｊｇ．２　Ｓｉ　ａ１　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　２．２主控制器模块　图４数据存储模块　Ｆｉｇ．４　Ｄａｔａ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ＳＴＭ３２Ｆ１０３是ＳＴＭ３２系列的增强型芯片．工作频率为　７２　ＭＨｚ，工作性能为１．２５　ＤＭＩＰＳ／ＭＨｚ。片上集成了Ｆｌａｓｈ最　多可达５１２　ｋＢ，ＳＲＡＭ最多可达６４　ｋＢ的高速存储器和通过　ＡＰＢ总线连接的丰富和增强的外设以及多达８Ｏ个的Ｉ／Ｏ接　口，并且拥有２个Ｉ２Ｃ接１：３，３个ＳＰＩ接口和５个ＵＳＡＲＴ接　口阿；片上还带有２个ｌ２位ＡＤＣ、１个１２位的双通道ＤＡＣ、　２．４通讯接口模块　ＲＳ－－４８５接口是采用平衡驱动器和差分接收器的传输方　式，抗共模干扰能力强，抗噪声干扰性好。本数据采集系统的　通讯接口采用ＲＳ－－４８５接口，通讯接口电路负责将数据采集　系统中的数据上传至上位机进行进一步的数据分析与处理。　通讯接口模块电路如图５所示。　ｌ１个１６位计时器，支持ＣＡＮ接口、ＵＳＢ２．０接口和ＳＤＩＯ接　ＧＮＤ　图５通讯接口模块　Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｍｏｄｕｌｅ　２．５电源电路　电压。因为数据采集系统采用可充电锂电池供电。为了降低　整个数据采集系统的功耗，实现低功耗设计，系统所选用的　－电源电路给采集系统的各个模块的所有元件提供工作　８１－－　《电子设计工程）２０１３年第１７期　耄电　源芯片采用言压的芯片　ＳＰＸ１１１７　一．３萋　３　，电源电路如图所示３６电压即‘　票ｏ　　４结论　。　’　。　＋３．３ｖ　３　１　Ｕ　Ｆ　图６电源电路　Ｆｉｇ．６　Ｐｏｗｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　３系统软件设计　本系统设计中．采用ＡＲＭ公司推出的集成开发环境　Ｋｅｉｌ　４为开发平台，并使用ＳＴ官方的集成开发库。应用程序　包括主程序、数据采集及处理程序、数据存储程序、串行通信　程序等主要部分。整个系统的流程图如图７所示。主程序主　要负责对于系统时钟、ＧＰ１０、嵌套中断的配置以及定时器、　ＡＤＣ和串行通讯模块的初始化。　数据采集及处理程序中。由定时器Ｔ１每隔一个采样周　期触发一次ＡＤＣ转换，转换结束则会进入中断服务程序．　然后读取转换结果并对数据进行递推中位值平均滤波．以保　证数据的可靠性，并将滤波之后的数据保存至Ｓ　Ｉ＇Ｍ３２片内存　储器。　当　Ｄ转换的数据的数量达到２５６　Ｂ的时候．进行一　次数据存储，将数据通ＳＰＩ接口存人ＤＡＴＡ　ｎ　ＳＨ中，以　实现存储式数据采集。当数据采集完成之后，通过ＲＳ一４８５　通讯接口将存储的数据发送到上外机。整个系统的流程图　如图７所示。　图７系统流程图　Ｆｉｇ．７　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　需要说明的是．数据采集系统的采样速率、采样时间、数　据存储的起始地址均需要利过专用的上位机软件通过ＲＳ一　４８５通讯接口进行设定和擦除。数据采集的触发方式采用硬　件触发。　－８２－　该存储式数据采集系统设计，经过调试，其采样性能和　数据传输都已经达到设计要求。系统中选用单电源低功耗芯　片，并采用ＳＴＭ３２片内ＡＤＣ实现Ａ／Ｄ转换．降低了整个系统　的功耗，而且减少了芯片的数量，使得电路板小巧、轻便，从　而将存储式数据采集系统应用于很多体积小的场合。经样机　试验测试，该存储式数据采集系统可以满足一般性的数据采　集需要。　参考文献：　［１】王铁流，李宗方，陈东升．基于ＳＴＭ３２的ＵＳＢ数据采集模块　的设计与实现【Ｊ］．测控技术，２００９，２８（８）：３７－４０．　ＷＡＮＧ　Ｔｉｅ・ｌｉｕ，ＬＩ　Ｚｏｎｇ－ｆａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｄｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ．Ｂａｓｅｄ　ｔｈｅ　Ｓ田　３２　ＵＳＢ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ【Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２０ｏ９，２８（８）：３７－４０．　【２１昊家平，沈建华．基于ＳＴＭ３２微控带】器的过采样技术研究　与实现［Ｊ】．计算机技术与发展，２０１０（２）：２０９—２１２．　ＷＵ　Ｊｉａ－ｐｉｎｇ．ＳＨＥＮ　Ｊｉａｎ－ｈｕａ．　Ｏｖｅｒｓａｍｐｌｉｎｇ　ＳＴＭ３２　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ－ｂａｓｅｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２０１０（２）：２Ｏ９—２ｌ２．　【３】张旭，亓学广，李世光，等．基于ＳＴＭ３２电力数据采集系统　的设计［Ｊ］．电子测量技术，２０１０，３３（１１）：９０—９３．　ＺＨＡＮＧ　Ｘｕ，ＱＩ　Ｘｕｅ－ｇｕａｎｇ，ＬＩ　Ｓｈｉ－ｇｕａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｂａｓｅｄ　ＳＴＭ３２　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，３３（１１）：９０－９３．　『４１吴怀超，周勇．基于虚拟仪器和ＭＳＰ４３０单片机的数据采集　系统的开发［Ｊ】．化工自动化及仪表，２０１ｌ，３８（１）：５２—５５．　ＷＵ　Ｈｕａｉ－ｃｈａｏ，ＺＨＯＵ　Ｙｏｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ＭＳＰ４３０　ＭＣＵ［Ｊ１．　Ｂａｓｅｄ　ｔｈｅ　ｒＭ３２　ａｎｄ　ＣＡＮ　ｂｕｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｎｏｄｅ　ｄｅｓｉｇｎ，２０１１，３８（１）：５２—５５．　【５】王建新，任勇峰，焦新泉．仪表放大器ＡＤ６２３在数采系统中　的应用［Ｊ】．计算机信息，２００７（２３）：１６９—１７０．　ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｘｉｎ，ＲＥＮ　Ｙｏｎｇ—ｆｅｎｇ，ＪＩＡＯ　Ｘｉｎ－ｑｕａｎ．　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ　ＡＤ６２３　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２００７（２３）：１６９－１７０．　【６】张河新，王晓辉，黄晓东．基于ＳＴＭ３２和ＣＡＮ总线的智能数　据采集节点设计叨．化工自动化及仪表，２００８，３９（１）：７８—８０．　ＺＨＡＮＧ　Ｈｅ．ｘｉｎ．ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｈｕｉ．ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｄｏｎｇ．Ｂａｓｅｄ　ｔｈｅ　ｓ删３２　ａｎｄ　ＣＡＮ　ｂｕｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｎｏｄｅ　ｄｅｓｉｎｇ［Ｊ］．Ｂａｓｅｄ　ｔｈｅ　ＳＴＭ３２　ａｎｄ　ＣＡＮ　ｂｕｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｎｏｄｅ　Ｄｅｓｉｎｇ，２００８，３９（１）：７８—８０．