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摘 要：設(shè)計一種基于STM32和CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示和存儲。數(shù)據(jù)采集過程由CPLD控制，采用Verilog HDL語言設(shè)計輸入通道選通和A/D采集控制程序，進行數(shù)據(jù)的濾波、放大、轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集；在STM32中實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、傳輸，并在PC機中開發(fā)上層數(shù)據(jù)管理軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲。系統(tǒng)可實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集實時顯示的要求，電路設(shè)計方法簡單、可靠性高，能滿足實際應(yīng)用的要求。

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關(guān)鍵詞：STM32; CPLD; 實時數(shù)據(jù); 數(shù)據(jù)管理

中圖分類號：TN710-34； TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0157-03

Design of data acquisition system

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CAI Chang， QI Wen-jun， NONG Deng， LI Lin， ZHOU Nan

(GuangZhou Research Institute of Non-ferrous Metals， Guangzhou 510650， China)

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Abstract：

A data acquisition system was designed based on STM32 and CPLD to realize acquisition， transport， display and storage of on-line data. The sampling process was controlled by the CPLD to realize multi-channel data acquisition. Verilog HDL language was adopted in this system， two modules were designed by the programmer， including input channel connection module and A/D acquisition module， so as to realize filtering， amplifying and converting of on-line data. The data was processed and transformed by STM32. The upper software of data management was developed in PC to realize the displaying and storage of data. It has been found that the system can meet the real-time display requirement of multi-channel data acquisition. The system circuit design method is simple and reliable. It meets the requirement of practical application.

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Keywords： STM32; CPLD; real-time data; management of data

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收稿日期：2011-07-28

0 引 言

隨著自動控制和計算機技術(shù)的成熟和發(fā)展，以及它們和傳統(tǒng)工業(yè)的結(jié)合，加工設(shè)備的自動化程度有了大幅度的提高，各種控制設(shè)備與控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了加工制造的效率，當然這種高效的生產(chǎn)對檢測量的精確性和實時性也提出了更高的要求，而依靠傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法(即由操作工人憑借簡易測量工具進行測量)已無法滿足這種要求。

目前，生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)采集手段主要有便攜式檢測儀和在線檢測系統(tǒng)[1-6]，采用便攜式儀器需要花費大量的人力和時間，采集到的數(shù)據(jù)不能實時反映設(shè)備加工的狀態(tài)，具有一定局限性；一般的在線檢測系統(tǒng)，檢測數(shù)據(jù)相對單一，不能滿足多成分分析的需要；對于一些大型的在線檢測系統(tǒng)，雖然能滿足實時檢測和精度要求，但系統(tǒng)體積龐大、投資多、難以推廣使用，并且國內(nèi)很多在線檢測系統(tǒng)，對檢測到的數(shù)據(jù)缺乏綜合利用和管理，不能很好地為工藝和裝置的優(yōu)化節(jié)能及節(jié)能減耗改造服務(wù)。因此開發(fā)出具有實時數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)裙δ艿脑诰€數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是十分必要的。

1 系統(tǒng)的整體方案與工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于CPLD和STM32的弱信號采集電路，可用于各種弱信號檢測的應(yīng)用研究中，整個系統(tǒng)由信號濾波、信號放大、數(shù)據(jù)采樣處理和主計算機傳輸接口等組成[7-8]。信號濾波防止信號產(chǎn)生“混疊現(xiàn)象”；信號放大對輸入信號進行調(diào)理，使信號在A/D轉(zhuǎn)換能夠轉(zhuǎn)換的電壓范圍內(nèi)，以滿足采樣的要求；數(shù)據(jù)采樣處理完成模擬信號的采樣保持和數(shù)字化；與主計算機的數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)上傳給計算機，滿足信號檢測的實時性，進行數(shù)據(jù)的存儲、顯示等。數(shù)據(jù)采集電路板硬件功能模塊構(gòu)成如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集電路板硬件功能模塊構(gòu)成

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由信號預(yù)處理、信號采集和數(shù)據(jù)傳輸三大模塊組成，其中信號預(yù)處理進行信號濾波、信號放大，預(yù)處理模塊由MC1558，MC1556等組成；信號采集進行信號選通、A/D轉(zhuǎn)換;信號采集模塊由AD508、A/D轉(zhuǎn)換芯片、CPLD組成；數(shù)據(jù)傳輸進行數(shù)據(jù)的軟件濾波、通過通信口與上位機進行通信，數(shù)據(jù)傳輸由STM32芯片、信號輸出接口模塊組成。

2.1 信號預(yù)處理電路

由于待采集電壓信號輸入動態(tài)范圍較寬，且極性各異，采用輸入電壓范圍可調(diào)的信號預(yù)處理電路。信號預(yù)處理電路如圖2所示，信號放大倍數(shù)為R1×R2/(100×100)。

圖2 信號預(yù)處理電路

2.2 信號采集模塊

CPLD是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同以往的GAL、PAL等相比，CPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路的應(yīng)用場合[9]。采用Altera公司的EPM7128SQI100作為數(shù)據(jù)采集的控制芯片，負責信號采樣、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸入控制等。EPM7128SQI100具有128個宏單元，84個用戶I/O管腳，工作電壓為5.0 V，具有2 500個可用門和ISP，管腳間延遲為6.0 ns，計數(shù)器速度可高達125 MHz，可以很好地滿足系統(tǒng)的需要。信號采集電路如圖3所示。

圖3 信號采集電路圖

ADG508是一款8通道CMOS模擬多路選擇器，具有高速轉(zhuǎn)換速度和低內(nèi)阻特性，通道切換具有防短路功能。在CPLD控制下，它可對采集信號進行有序通道切換。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用AD977，AD977是ADI(Analog Devices)公司推出的一款高速16位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為-10~+10 V，單極5 V電壓供電，采樣頻率可達100 kHz。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)最大采樣速率可達50 kHz，信號分辨率可達0.3 mV。通過采用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)ADG508與16位A/D配合使用，降低了成本。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

STM32是數(shù)據(jù)通信芯片，主要負責數(shù)據(jù)處理、傳輸控制、參數(shù)設(shè)置等。采用STM32F103xB系列ARM芯片，該系列芯片是意法半導體基于Contex-M3內(nèi)核的32位微處理器，可以滿足高性能、低功耗和低成本特性的嵌入式應(yīng)用。芯片具備72 MHz時鐘頻率，擁有豐富的外設(shè)裝置，包括128 KB嵌入式閃存、20 KB的SRAM、兩個ADC接口、三個UART、支持USB、CAN和七個DMA通道等豐富的外圍模塊，以其高速的指令執(zhí)行速度、方便的JTAG調(diào)試方式和低功耗等特性為數(shù)據(jù)采集與處理的設(shè)計提供了一個較為完善的平臺。數(shù)據(jù)傳輸電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸電路圖

STM32F103VBT6的所有I/O端口兼容CMOS和TTL，在5 V引腳上的輸入電壓最小值為-0.3 V，最大值為5.5 V，低電平電壓范圍為-0.5~0.8 V，高電平電壓范圍為2.0~5.0 V，經(jīng)EPM7128輸出的數(shù)據(jù)直接與STM32F103VBT6連接，簡化了電路。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集、濾波處理、串口與PC機的通信，數(shù)據(jù)采集軟件由信號采集與通信模塊軟件、上位機監(jiān)控軟件兩部分組成。

3.1 信號采集與通信模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件驅(qū)動程序(又稱單片機程序)是固化到CPU模塊內(nèi)的軟件，采用模塊化設(shè)計，主要模塊包括：信號采集控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊兩大部分。信號采集控制模塊軟件固化到CPLD中，數(shù)據(jù)通信模塊軟件固化到STM32中。

信號采集控制模塊軟件利用Altera公司的Quartus開發(fā)軟件實現(xiàn)，采用Verilog HDL語言設(shè)計，主要功能包括輸入通道選通、數(shù)據(jù)采樣控制。通過CPLD芯片分別控制ADG508和AD977，進行模擬量輸入通道的選擇和啟動A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的采集算法過程中，根據(jù)香農(nóng)定理，采樣頻率大于被采集信號的2倍頻率。信號采集模塊軟件流程圖如圖5所示。

圖5 信號采集模塊軟件流程圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件在Real View MDK環(huán)境下編寫，主要功能包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、串口通信。STM32通過握手信號啟動CPLD的數(shù)據(jù)采集程序，在讀取信號RD的上升沿讀取上次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時啟動A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換下一路信號。軟件設(shè)計上，采用極值滑動平均濾波抑制疊加在模擬輸入信號上的噪聲；應(yīng)用軟件攔截技術(shù)、軟件看門狗技術(shù)、故障處理自恢復(fù)技術(shù)等措施使受干擾而“跑飛”的程序回到正常的軌道上；采用I/O自檢等程序預(yù)先發(fā)現(xiàn)故障并定位故障所在，提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)據(jù)通信模塊軟件流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)通信模塊軟件流程圖

3.2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

用戶應(yīng)用服務(wù)程序直接面向用戶，是控制數(shù)據(jù)采集軟件的最上層，不僅提供與用戶交互的界面，還能通過發(fā)送各種控制命令來控制采集模塊的工作。利用微軟公司開發(fā)的軟件開發(fā)平臺VC++ 6.0設(shè)計上層界面，進行數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲。采用串口傳輸協(xié)議， 將底層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔籔C機，并在VC++ 6.0設(shè)計的上層界面中實時顯示。

制定通信協(xié)議[10]：通信雙方的波特率設(shè)定為9 600 b/s；幀格式：一個起始位，八個數(shù)據(jù)位，一個可編程的第九位，一個停止位；工作方式：PC機采用查詢方式，STM32采用中斷方式；功能標志：發(fā)送請求標志#0F1H，接收請求標志#0FFH；校驗：通信雙方采用

求和校驗的方式，即發(fā)送一串字符，雙方計算累加和，與PC機比較，有錯即重發(fā)。

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CPLD選取輸入通道、控制A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣；利用STM32具有的豐富外設(shè)接口進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信，提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，使系統(tǒng)易于升級和擴展。本系統(tǒng)開發(fā)周期短、運行穩(wěn)定、性能可靠、使用方便。配合上位機采集界面，方便進行操作使用以及各種采樣數(shù)據(jù)的存儲，在多種模擬量輸入的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的應(yīng)用中前景十分廣闊，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集中將是本研究下一步將要進行的工作。

參 考 文 獻

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作者簡介：

蔡 暢 男，1983年出生，湖南邵陽人，碩士研究生。主要研究方向為信息技術(shù)研究、集成電路設(shè)計。