郝 雯，沈金鑫，梅 成

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)采集的方案主要有引線式和存儲(chǔ)式兩種。引線式主要采用微型計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件來實(shí)現(xiàn)[1]，利用微型計(jì)算機(jī)主頻高、內(nèi)存大、硬盤容量大的特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件直接對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，可以實(shí)現(xiàn)高速率、高分辨率、大容量的數(shù)據(jù)采集[2-3]。

存儲(chǔ)式主要采用高速A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和單片機(jī)或FPGA、DSP等實(shí)現(xiàn)，使用單片機(jī)或FPGA、DSP作為主控制器，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將采集的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，可以實(shí)現(xiàn)采集存儲(chǔ)裝置的微小型化。

引線式方案主要使用NI（美國國家儀器）的LabVIEW軟件配套其高速數(shù)據(jù)采集卡，能勝任一般性的高速數(shù)據(jù)采集任務(wù)，但是其數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格昂貴，而且一般的數(shù)據(jù)采集均為中低速。引線式由于體積較大，不便于攜帶，不能用于對運(yùn)動(dòng)物體的數(shù)據(jù)采集[4]。存儲(chǔ)式方案主要針對運(yùn)動(dòng)的物體，實(shí)現(xiàn)高速、短時(shí)間、中小容量的數(shù)據(jù)采集，例如飛行器在飛行過程中的各種參數(shù)的采集，具有便攜性、微小型等特點(diǎn)，廣泛用于各種試驗(yàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。

1 總體方案設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于STM32微控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的弱電信號(hào)采集系統(tǒng)，可應(yīng)用于各種弱電信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理模塊、STM32主控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RS-485通訊接口和電源模塊組成。傳感器信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理部分對信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，利用STM32單片機(jī)的片內(nèi)ADC模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推中位值平均濾波之后，將數(shù)據(jù)首先保存至STM32片內(nèi)存儲(chǔ)器中，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到一定量之后，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至大容量的外存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall system block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由信號(hào)調(diào)理電路、主控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RS-485通訊接口和電源電路組成。信號(hào)調(diào)理對輸入信號(hào)進(jìn)行放大，使信號(hào)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；主控制器完成模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、濾波和存儲(chǔ)；RS-485通訊接口將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)；電源模塊為整個(gè)采集系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供工作電壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件功能模塊構(gòu)成如圖1所示。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V到+12V）下提供滿電源幅度的輸出[5]。它允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的靈活性。在無外接電阻條件下，AD623被設(shè)置為單增益（G=1）。在外接電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，增益最高可達(dá)1 000倍。

信號(hào)調(diào)理電路采用儀表放大器AD623來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 Signal conditioning circuit

2.2 主控制器模塊

STM32F103是STM32系列的增強(qiáng)型芯片，工作頻率為72 MHz，工作性能為1.25 DMIPS/MHz。片上集成了Flash最多可達(dá)512 kB，SRAM最多可達(dá)64 kB的高速存儲(chǔ)器和通過APB總線連接的豐富和增強(qiáng)的外設(shè)以及多達(dá)80個(gè)的I/O接口，并且擁有2個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口和5個(gè)USART接口[6]；片上還帶有2個(gè)12位ADC、1個(gè)12位的雙通道DAC、11個(gè)16位計(jì)時(shí)器，支持CAN接口、USB2.0接口和SDIO接口。STM32F103嵌入了一個(gè)嵌套矢量中斷控制器，可以處理43個(gè)可屏蔽中斷通道，提供16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。

主控制器選用STM32F103T4，擁有16 kB的程序空間，6 kB的RAM，2個(gè)12位的ADC，2個(gè)USART，1個(gè)SPI接口等片上資源。主控制器模塊電路如圖3所示。

圖3 主控制器模塊電路Fig.3 Main controller module circuit

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

AT25DF021是ATMEL公司的帶有SPI接口的FLASH型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量為2MB，最大操作頻率為66MHz，適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。與傳統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器需要多個(gè)地址線和一個(gè)并行接口相比，AT25DF021使用串行接口按順序訪問其內(nèi)部的數(shù)據(jù)。這種簡單的串行接口，可以簡化硬件布局，從而提高系統(tǒng)的可靠性，最大限度地減少開關(guān)噪聲，并減小封裝尺寸和引腳數(shù)目。主要用于高密度、低針數(shù)、低電壓、低功耗的工業(yè)應(yīng)用。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片AT25DF021來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊Fig.4 Data storage module

2.4 通訊接口模塊

RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的傳輸方式，抗共模干擾能力強(qiáng)，抗噪聲干擾性好。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通訊接口采用RS-485接口，通訊接口電路負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與處理。通訊接口模塊電路如圖5所示。

圖5 通訊接口模塊Fig.5 Communication interface module

2.5 電源電路

電源電路給采集系統(tǒng)的各個(gè)模塊的所有元件提供工作電壓。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用可充電鋰電池供電，為了降低整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所選用的均為低工作電壓的芯片，整個(gè)系統(tǒng)只需要+3.3V的電壓即可。電源芯片采用SPX1117－3.3，電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路Fig.6 Power circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用ARM公司推出的集成開發(fā)環(huán)境Keil 4為開發(fā)平臺(tái)，并使用ST官方的集成開發(fā)庫。應(yīng)用程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、串行通信程序等主要部分。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖7所示。主程序主要負(fù)責(zé)對于系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO、嵌套中斷的配置以及定時(shí)器、ADC和串行通訊模塊的初始化。

數(shù)據(jù)采集及處理程序中，由定時(shí)器T1每隔一個(gè)采樣周期觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束則會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，然后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并對數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推中位值平均濾波，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，并將濾波之后的數(shù)據(jù)保存至STM32片內(nèi)存儲(chǔ)器。

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的數(shù)量達(dá)到256 B的時(shí)候，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)通SPI接口存入DATA FLASH中，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成之后，通過RS－485通訊接口將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送到上外機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程圖Fig.7 System flow chart

需要說明的是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率、采樣時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的起始地址均需要利過專用的上位機(jī)軟件通過RS－485通訊接口進(jìn)行設(shè)定和擦除，數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式采用硬件觸發(fā)。

4 結(jié) 論

該存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過調(diào)試，其采樣性能和數(shù)據(jù)傳輸都已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)中選用單電源低功耗芯片，并采用STM32片內(nèi)ADC實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗，而且減少了芯片的數(shù)量，使得電路板小巧、輕便，從而將存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于很多體積小的場合。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)測試，該存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足一般性的數(shù)據(jù)采集需要。

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