謝春華，陳芳，劉利梅，馬丹

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢430070；2.武漢亞為電子科技有限公司，湖北武漢430074；

3.黃石市第五中學(xué)，湖北黃石435006)

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微型多功能數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

謝春華1,2，陳芳2，劉利梅2，馬丹3

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢430070；2.武漢亞為電子科技有限公司，湖北武漢430074；

3.黃石市第五中學(xué)，湖北黃石435006)

摘要：為了減小數(shù)據(jù)采集卡的體積，降低使用成本，介紹了一種采用STM32單片機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡。利用STM32內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)計(jì)數(shù)、脈沖捕捉等功能，外部信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理和采集后直接由單片機(jī)USB接口輸出，上位機(jī)LabVIEW程序接收數(shù)據(jù)完成顯示和控制功能，實(shí)現(xiàn)了高速、寬量程、功能全、價(jià)格低、體積小、使用方便、顯示形式多樣的目的。

關(guān)鍵詞：STM32；數(shù)據(jù)采集卡；USB通信

數(shù)據(jù)采集卡是一種將傳感器或其他待檢測(cè)設(shè)備發(fā)出的電信號(hào)按照一定的采樣周期發(fā)送或存儲(chǔ)至上位機(jī)，結(jié)合上位機(jī)軟件完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)的采集控制系統(tǒng)設(shè)備，它廣泛運(yùn)用于儀器儀表、安防監(jiān)控、智能交通、醫(yī)學(xué)影像、雷達(dá)圖像、機(jī)器視覺(jué)等各大領(lǐng)域。然大多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡外觀較大(一般長(zhǎng)寬高為92 mm×85 mm×8 mm以上)、通道較多(一般在8通道以上)、使用不便(一般使用PCI接口)、通用性差(受上位機(jī)接口限制)、價(jià)格較貴(一般在500元以上)[1]，因此開(kāi)發(fā)出體積小、適用性強(qiáng)、成本低、使用方便的數(shù)據(jù)采集卡具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。

本設(shè)計(jì)主要選取微型高速、具有A/D輸入、PWM頻率測(cè)量、脈沖計(jì)數(shù)、I/O功能、USB通信功能的單片機(jī)STM32作為處理器(長(zhǎng)寬高為7 mm×7 mm×1.4 mm)，通過(guò)設(shè)計(jì)外圍電路來(lái)擴(kuò)展輸入信號(hào)的量程，單片機(jī)嵌入式程序完成信號(hào)采集，單片機(jī)自帶的USB口完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸(最多可接127個(gè)相同的采集卡)，LabVIEW編制的上位機(jī)顯示與控制程序完成終端顯示與控制。整個(gè)采集卡的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)顯示與控制軟件設(shè)計(jì)三部分。

1總體設(shè)計(jì)

采集卡硬件設(shè)計(jì)主要分為最小系統(tǒng)電路和轉(zhuǎn)換與擴(kuò)展電路兩部分，最小系統(tǒng)電路主要作用是形成單片機(jī)運(yùn)行的基本電路，轉(zhuǎn)換與擴(kuò)展電路主要作用是電源供電電壓的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大A/D輸入信號(hào)的量程和信號(hào)的處理與保護(hù)。嵌入式軟件設(shè)計(jì)主要由A/D采集程序、PWM頻率測(cè)量程序、脈沖計(jì)數(shù)程序、開(kāi)關(guān)量I/O輸入輸出程序和USB通信程序組成，主要作用是采集傳感器或其他待檢設(shè)備發(fā)出的模擬信號(hào)、PWM頻率信號(hào)、脈沖個(gè)數(shù)信號(hào)和開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)并通過(guò)USB通信發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)控制要求向采集卡發(fā)出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)，采集卡根據(jù)上位機(jī)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。上位機(jī)顯示與控制軟件設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用可視化編程語(yǔ)言LabVIEW，將采集的數(shù)據(jù)在電腦上用數(shù)字或虛擬儀表顯示出來(lái)，并根據(jù)控制要求向采集卡發(fā)出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。采集卡的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　采集卡總體設(shè)計(jì)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1　最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從成本、體積大小和綜合性能考慮，采用意法半導(dǎo)體公司的48Pin增強(qiáng)型高速單片機(jī)STM32F103作為主控芯片。STM32F103是基于的ARM 32位的CortexTM-M3內(nèi)核架構(gòu)，穩(wěn)定工作頻率可達(dá)72 MHz，是具有豐富資源、高速時(shí)鐘的精簡(jiǎn)指令的微處理器。STM32F103擁有從64 kB或128 kB的閃存程序可選存儲(chǔ)器，高達(dá)20 kB的SRAM，2個(gè)12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口調(diào)試模式等[2]。最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2　最小系統(tǒng)原理圖

為了減小PCB板的面積，芯片的布置采取了菱形布置，引線采用8 mil發(fā)散的形式。

2.2　轉(zhuǎn)換與擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換與擴(kuò)展電路的核心是將供電電路進(jìn)行必要的降壓和升壓，單片機(jī)A/D輸入信號(hào)的量程從0~3.3 V提高至-12~12 V之間以及PWM頻率測(cè)量、脈沖計(jì)數(shù)、開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行光耦隔離保護(hù)。

單片機(jī)的工作電壓要求為DC 3.3 V，而一般外接的電源轉(zhuǎn)換器為DC 5 V或DC 12 V。為了減少其體積，可選擇上位機(jī)USB接口DC 5 V供電，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117芯片轉(zhuǎn)換成DC 3.3 V，原理圖的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　DC 5 V轉(zhuǎn)DC 3.3 V電路原理圖

由于A/D轉(zhuǎn)換量程的提高，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要有DC 12 V供電，所以需要將DC 5 V升壓至DC 12 V。

采用芯片MC34063完成升壓工作，原理圖的設(shè)計(jì)如圖4所示[3]。

圖4　DC 5 V轉(zhuǎn)DC 12 V電路原理圖

單片機(jī)A/D輸入電壓范圍為0~3.3 V，為了實(shí)現(xiàn)A/D輸入電壓在-12~12 V的寬量程要求，采用電阻R24、R29分壓至-3.3~3.3 V之間。

用LM358運(yùn)放實(shí)現(xiàn)同相加法器電路，進(jìn)行電壓線性變換，電壓變換關(guān)系如下式。

式中：u11是R24、R29的分壓電壓；u12是電源電壓3.3 V。

u0輸出電壓在0~6.6 V之間，最后經(jīng)電阻R30、R32分壓成0~3.3 V，原理圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　A/D輸入電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

PWM頻率測(cè)量、脈沖計(jì)數(shù)、開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)要進(jìn)行光耦隔離保護(hù)，原理圖的設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　光耦隔離保護(hù)電路原理圖

3嵌入式軟件設(shè)計(jì)

3.1　A/D采集程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)僅有2個(gè)12位逐次逼近型A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器，但USB使用設(shè)備可以連接多達(dá)127個(gè)，因此可以通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)微型數(shù)據(jù)采集卡的方式來(lái)彌補(bǔ)采集數(shù)量不足的問(wèn)題。

為了保證采樣速度，采樣最小時(shí)間選擇為1 μs，A/D獨(dú)立模式，單通道、單次、右對(duì)齊、按規(guī)則通道轉(zhuǎn)換完成的方式。

A/D采集程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7　A/D采集程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2　PWM頻率測(cè)量程序設(shè)計(jì)

頻率測(cè)量方法一般有測(cè)頻法、測(cè)周法、多周期同步法，為了保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，這里選擇測(cè)頻法[4]。

STM32單片機(jī)有3個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，可在輸入引腳上設(shè)置脈沖上升沿觸發(fā)中斷，在2個(gè)相近的觸發(fā)中斷之間計(jì)算脈沖周期即可實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。計(jì)數(shù)過(guò)程中要開(kāi)啟定時(shí)計(jì)數(shù)器溢出中斷，計(jì)算溢出的次數(shù)以保證脈沖周期計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。為提高定時(shí)計(jì)數(shù)器的精度，定時(shí)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率選擇為72 MHz，則最大采樣率為72 MHz/s。PWM頻率測(cè)量程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

3.3　脈沖計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)可設(shè)置輸入引腳上升沿觸發(fā)中斷，計(jì)算中斷次數(shù)即為脈沖個(gè)數(shù)。由于定時(shí)計(jì)數(shù)器為16位，最大計(jì)數(shù)值是65 535。脈沖計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

由于開(kāi)關(guān)量輸入輸出程序比較簡(jiǎn)單，故本文不再贅述。

圖8　PWM頻率測(cè)量程序設(shè)計(jì)流程圖

圖9　脈沖計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)流程圖

3.4　USB通信程序程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)自帶USB2.0全速接口，并且擁有自帶完整的USB通信庫(kù)文件，只需做相應(yīng)的修改即可完成通信任務(wù)[5]。

在庫(kù)中修改usb_desc.c文件，依次設(shè)置設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、報(bào)告描述符。使用端點(diǎn)2輸入，端點(diǎn)1輸出，1次傳輸最大32 B，輸入輸出報(bào)告為8 B。修改usb_int.c文件設(shè)置中斷控制方式，修改usb_endp.c文件中的USB_SendData和USB_ReceiveData函數(shù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

uint32_t USB_SendData(uint8_t *data,uint32_t dataNum)

{

UserToPMABufferCopy(data,ENDP2_TXADDR,dataNum);

SetEPTxCount(ENDP2,REPORT_COUNT);

SetEPTxValid(ENDP2);

return dataNum;

}

uint32_t USB_ReceiveData(uint8_t *data,uint32_t dataNum)

{

uint32_t len=0;

if(dataNum>sizeof(USB_Receive_Buffer)){

dataNum = sizeof(USB_Receive_Buffer);

}

for(len=0;len

*data=USB_Receive_Buffer[len];

data++;

}

return dataNum;

}

USB通信程序設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。

圖10　USB通信程序設(shè)計(jì)流程圖

4上位機(jī)顯示與控制軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)顯示部分程序要接收采集卡采集的數(shù)據(jù)，可在LabVIEW上使用USB動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)接收USB采集數(shù)據(jù)，使用圖形化界面直接數(shù)字顯示、虛擬示波器動(dòng)態(tài)顯示或虛擬儀表面板顯示[6]。

上位機(jī)控制部分程序可使用圖形化設(shè)置按鈕完成相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸出設(shè)置并通過(guò)USB口輸出。圖形化程序設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示，上位機(jī)顯示與控制軟件界面如圖12所示。

圖11　圖形化程序設(shè)計(jì)流程圖

圖12　上位機(jī)顯示與控制軟件界面

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用STM32單片機(jī)A/D、定時(shí)計(jì)數(shù)器、脈沖捕捉、USB通信等內(nèi)部功能完成了一個(gè)微型數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)，結(jié)合LabVIEW上位機(jī)顯示與控制程序，實(shí)現(xiàn)了如下功能：

1)高速、寬量程、多種信號(hào)(模擬信號(hào)、PWM頻率信號(hào)、脈沖信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào))采集；

2)USB通信接口，使用方便、擴(kuò)展容易(最多可接127個(gè))；

3)顯示形式多樣(數(shù)字顯示、虛擬示波器動(dòng)態(tài)顯示或虛擬儀表面板顯示)，I/O控制簡(jiǎn)單；

4)體積小(長(zhǎng)寬高為96 mm×52 mm×5 mm)、重量輕、價(jià)格便宜。

本微型數(shù)據(jù)采集卡已在武漢亞為電子科技有限公司實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，通過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試與實(shí)踐使用證明該微型數(shù)據(jù)采集卡運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，取得了較好效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬海潮.超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，17(4)：287-292.

[2]意法半導(dǎo)體有限公司.STM32F103×8 datasheet.pdf[EB/OL].[2013-08-05].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00161566.pdf.

[3]意法半導(dǎo)體有限公司.MC36063 datasheet.pdf[EB/OL].[2013- 04-24].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00001232.pdf.

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[6]程龍飛，何聞.基于LabVIEW的USB數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓，2009，37(7)：105-108，140.

責(zé)任編輯：陳亮

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The Design and Development of Miniature Multi-functional Data Acquisition

CardXIE Chunhua1，2，CHEN Fang2，LIU Limei2，MA Dan3

(1.Hubei Water Resources Technical College,Wuhan 430070；2.Wuhan Vavii Electronic Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430074；

3.The Fifth Middle School of Huangshi,Huangshi 435006)

Abstract：The design of data acquisition card based on the STM32 microcontroller was introduced to reduce the size and cost.STM32 has internal functions like A/D converter,timing and counting,pulse capture,the external signal was acquired and output directly on MCU USB interface,and the data was received,displayed and controlled through the LabVIEW program on the computer.High speed,wide measuring range,multi-function,lower price,smaller size,convenient use,multiple display were achieved in the data acquisition card.

Key words：STM32；data acquisition card；USB communication

中圖分類號(hào)：TP368.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-0436(2015)04-0034-06

作者簡(jiǎn)介：謝春華(1978—)，男，碩士，講師，工程師。

收稿日期：2015-03-20