韓衛(wèi)潔+陳江鋒+董興+田軍

摘 ?要： 為了對(duì)凍土區(qū)土壤環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理和檢測(cè)，在此選取ADS8341作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，STM32F103ZET6芯片作為微處理器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了將ADS8341芯片和STM32F103ZET6芯片相結(jié)合用于采集土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的硬件電路和A/D采集軟件控制過程。經(jīng)過實(shí)際的檢測(cè)與分析，該設(shè)計(jì)可以對(duì)凍土區(qū)土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的采集、處理以及對(duì)數(shù)據(jù)的保存，以便后期數(shù)據(jù)的查詢和土壤環(huán)境總體趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞： ADS8341; STM32F103ZET6; 接口電路; 采集控制

中圖分類號(hào)： TN964?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2014）24?0084?03

Interface design of high?speed data acquisition module based on ADS8341 and ARM

HAN Wei?jie1， CHEN Jiang?feng2， DONG Xing1， TIAN Jun1

（1. School of Construction Machinery， Changan University， Xian 710064， China;

2. School of Materials Science and Engineering ， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract： ?In order to conduct ?real?time acquisition， processing and detection of the frozen soil environment data， ADS8341 is chosen as A/D conversion chip and STM32F103ZET6 chip as MPU. The data acquisition circuit and A/D acquisition software control process based on ADS8341 and STM32F103ZET6 was designed. The actual tested and analyzed results show that the interface circuit can achieve real?time effective acquisition， processing and storage of the frozen soil environment data， which contribute to the future query of the relevant data and prediction of the trend of soil environment.

Keywords： ADS8341; STM32F103ZET6; interface circuit ; acquisition control

為實(shí)現(xiàn)某凍土區(qū)石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道周圍土壤溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在同一時(shí)間需要多路采集和處理溫度信號(hào)，由于系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)性和采集準(zhǔn)確度有嚴(yán)格的要求，采用ADS8341作為專用的A/D轉(zhuǎn)換芯片而不是使用ARM芯片自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，微處理器選用STM32F103ZET6芯片，該芯片是由ST公司生產(chǎn)的STM32F103“增強(qiáng)型”系列處理器芯片。其時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，具有512 KB的FLASH[1?2]。ADS8341芯片可實(shí)現(xiàn)16位數(shù)字量輸出，4路模擬量采集通道，并且可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)微處理器軟件編程和操作，對(duì)不同的檢測(cè)信號(hào)可設(shè)計(jì)并采用特定的采集方法，從而使系統(tǒng)更便于操作和推廣。

1 ?ADS8341與STM32F103ZET6接口電路設(shè)計(jì)

1.1 ?ADS8341芯片

ADS8341是Texas Instruments公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的具有串行接口和兩個(gè)字節(jié)數(shù)字量輸出的高速逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片[3]。ADS8341 具有SPI串行總線功能，可實(shí)現(xiàn)4路獨(dú)立模擬輸入或兩路差動(dòng)模擬輸入，16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的輸出。ADS8341選用5 V供電，其具有86 dB的信噪比。當(dāng)ADS8341選用5 V供電和采樣頻率為100 kHz時(shí)，其最低的功率損耗為8 mW，VREF（基準(zhǔn)電壓）的選取范圍為500 mV～5 V，對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓范圍為0～VREF ，當(dāng)ADS8341芯片工作在低功耗模式時(shí)，其功率消耗很小[3]。供電電壓以2.7 V分界，高于 2.7 V時(shí)，正常使用，反之，低于 2.7 V時(shí)，正常工作。ADS8341采用SSOP?16封裝，其體積很小，便于電路板布局和加工。其在-40～85 ℃時(shí)可正常工作，超出這個(gè)溫度范圍芯片無(wú)法正常工作[4]。ADS8341芯片可在同一時(shí)間對(duì)4路模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，所以在需要采集多路模擬輸入時(shí)使用ADS8341芯片，因此本采集系統(tǒng)選用ADS8341芯片將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)[4]。

1.2 ?ADS8341與STM32F103ZET6接口電路設(shè)計(jì)

采用軟件實(shí)現(xiàn)ADS8341與STM32F103ZET6接口控制連接[5]。本設(shè)計(jì)中ADS8341采用外部時(shí)鐘供電模式，最高頻率為72 MHz， A/D轉(zhuǎn)換輸入引腳DIN接STM32F103ZET6的PA2，A/D轉(zhuǎn)換輸出引腳DOUT接STM32F103ZET6的PA4，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束控制引腳BUSY接STM32F103ZET6的PA3，A/D轉(zhuǎn)換片選引腳CS_1接STM32F103ZET6的PA1，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘引腳DCLK接STM32F103ZET6的PA0。當(dāng)采用軟件連接時(shí)，STM32F103ZET6使用芯片14（DIN）引腳把控制字命令逐位傳送給ADS8341，實(shí)現(xiàn)芯片的初始化。芯片的第2～第5引腳（CH0～CH3）為四路模擬輸入通道，6引腳為COM引腳，當(dāng)不使用COM引腳時(shí)，即COM接?IN、選中的的CHX（X=0～3） 接+IN，采用的是單通道輸入模式，當(dāng)使用COM引腳時(shí)采用的是差分輸入模式[3]。本文選擇單通道模擬輸入模式即選取CHX（X=0～3）中的一個(gè)模擬輸入通道[3]。其具體的接口電路如圖1所示[5]。

為了保證A/D采樣精度，還需要注意：正確區(qū)別模擬、數(shù)字地。由于ADS8341芯片內(nèi)部對(duì)模擬地和數(shù)字地有明確的區(qū)分，所以必須正確地區(qū)分和使用它們[5]。PCB電路板設(shè)計(jì)布線時(shí)，需將模擬地和數(shù)字地分開與在ADS8341芯片相接處，在設(shè)計(jì)多層板時(shí)必須將電源層和地層分開。VREF的布線應(yīng)盡量短，防止其他信號(hào)對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重影響[6]。

2 ?A/D采集控制

由硬件電路知，ADS8341芯片工作所需的CLK時(shí)鐘信號(hào)不能自己產(chǎn)生而是由 ?STM32F103ZET6向其提供所需的時(shí)鐘信號(hào)[4]。在STM32F103ZET6的準(zhǔn)確控制之下，嚴(yán)格按照ADS8341芯片的采樣時(shí)序圖由PA0引腳提供ADS8341的工作時(shí)鐘。為了更加高效地采集數(shù)據(jù)，選用100 kHz 作為實(shí)際的采樣率。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)，以片選信號(hào)（15引腳）的下降沿作為起始標(biāo)志，最初的8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)將8位的控制字通過DIN引腳傳送給ADS8341芯片，當(dāng)ADS8341芯片接收完控制字的第八位后，等待一個(gè)時(shí)鐘周期，然后A/D轉(zhuǎn)換芯片通過硬件方式將BUSY引腳設(shè)置為高電平，BUSY引腳為高電平標(biāo)志著轉(zhuǎn)換已完成，已經(jīng)產(chǎn)生了16位的數(shù)據(jù)，隨后16位數(shù)據(jù)將在16個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿的作用下逐位的從DOUT引腳輸出，此時(shí)只需要將輸出的數(shù)據(jù)放到事先定義好的數(shù)組中便可以將其存儲(chǔ)起來，以便后續(xù)的輸出或查看[4]。當(dāng)MSB出現(xiàn)時(shí)BUSY引腳才被設(shè)置為低電平，此過程用一個(gè)CLOCK周期完成，16位數(shù)據(jù)逐位地輸出需要16個(gè)CLOCK周期，因此單次采樣最少需要25個(gè)時(shí)鐘周期，本系統(tǒng)采用的單片機(jī)采用8 b傳輸數(shù)據(jù)，因此需額外增加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)用于LSB位，為滿足采樣周期和快速采樣要求，決定選用24個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為每次采樣的時(shí)鐘周期[4]。當(dāng)控制字的首位出現(xiàn)在輸入引腳上時(shí)，上一次的LSB同時(shí)出現(xiàn)在DOUT引腳上。當(dāng)BUSY引腳拉低后，標(biāo)志通道的轉(zhuǎn)換已全部完成，STM32F103ZET6開始讀取數(shù)據(jù)，完成后將片選信號(hào)設(shè)置為高電平，輸出引腳和忙標(biāo)志引腳進(jìn)入高阻態(tài)，等待直到再次的轉(zhuǎn)換開始[4]。ADS8341的工作時(shí)序如圖2所示。

如圖3所示為采集流程圖。程序設(shè)計(jì)時(shí)，通過定時(shí)器0控制采集系統(tǒng)的采樣率，將采集程序與定時(shí)器程序相結(jié)合，可以按編程者的需求方便的控制采集過程。程序開始運(yùn)行時(shí)，首先將對(duì)ADS8341芯片和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束以后，A/D轉(zhuǎn)換過程開始。轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志（BUSY引腳）接PA3引腳，在此對(duì)BUSY脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每完成一次采集，計(jì)數(shù)變量累加1（初值設(shè)為0），系統(tǒng)等待BUSY拉低判斷轉(zhuǎn)換是否完成（即BUSY信號(hào)是否拉低）。當(dāng)完成時(shí)，從DOUT引腳讀取輸出數(shù)據(jù);當(dāng)相反時(shí)，表明轉(zhuǎn)換過程非正常，對(duì)系統(tǒng)復(fù)位，重新采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以1 000個(gè)數(shù)據(jù)為一次采集周期，因此要判斷是否達(dá)到1 000個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的的后續(xù)處理。

部分程序代碼如下：

//主函數(shù)代碼：

int main（void）

{

Stm32_Clock_Init（9）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置

uart_init（72，9600）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//串口初始化

delay_init（72）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //延時(shí)初始化

TIM3_Int_Init（10，7199）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//計(jì)時(shí)1ms

io_Init（）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //I/O口初始化

while（1）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //循環(huán)

}

//定時(shí)器中斷服務(wù)程序

void TIM3_IRQHandler（void）

{

q++; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //計(jì)數(shù)變量

if（TIM3?>SR&0X0001） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//溢出中斷

{

RCC?>APB1ENR|=0<<1;

TIM3?>CR1|=0X00;

read8341 （0x94）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//采集數(shù)據(jù)

}

if（q==1000） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//計(jì)數(shù)變量判斷

{

q=0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//計(jì)數(shù)變量清零

sendu1000（）; ? ? ? ? ? ? ?//將采集的1 000個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送到串口

}

TIM3?>SR&=～（1<<0）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //清除中斷標(biāo)志位

RCC?>APB1ENR|=1<<1;

TIM3?>CR1|=0X01;

}

//A/D采集程序

void read8341（u8 port）

{

u8 i=0;

u8 al，ah;

ah=0;

al=0;

DLCK=0;

CS_1=0;

BUSY=0;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（port&0x80）

{

DIN=1;

}

else

{

DIN=0;

}

DLCK=1;

DLCK=0;

port<<=1;

}

for（i=0;i<8;i++）

{

DOUT=0;

DLCK=1;

ah<<=1;

if（DOUT） ah|=0x01;

}

for（i=0;i<8;i++）

{

DOUT=0;

DLCK=1;

al<<=1;

if（DOUT） al|=0x01;

}

sendch（ah）;

sendch（al）;

CS_1=1;

}

3 ?結(jié) ?論

基于ADS8341芯片和STM32F103ZET6芯片的高速數(shù)據(jù)采集方案，選用 STM32F103ZET6芯片作為單片機(jī)， ADS8341芯片作為轉(zhuǎn)換芯片，具有高效的數(shù)據(jù)傳輸效率以及非常方便的軟件編程環(huán)境。結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)方案可非常高效、實(shí)時(shí)以及準(zhǔn)確地對(duì)土壤狀態(tài)進(jìn)行采集處理，具有傳輸速度快，過程穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在日后實(shí)際推廣應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行多次試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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