于　鵬（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所空間機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新研究室，吉林長春130033）

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基于ARM Cortex-M3的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

于鵬
（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所空間機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新研究室，吉林長春130033）

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等信息行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越得到人們的重視和應(yīng)用。以某研究院數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究室橫向項(xiàng)目為基礎(chǔ)，闡述了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了一套基于ARM Cortex-M3的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先對(duì)系統(tǒng)選型及開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行了簡要介紹，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)，最后說明綜合調(diào)試的方法和遇到的關(guān)鍵問題及其解決辦法。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；ARM Cortex-M3；無線傳輸；高精度

0　引言

信息行業(yè)發(fā)展的速度讓人吃驚，在此影響下一些相對(duì)傳統(tǒng)的行業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集的重要性也越來越明顯，它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界的連接橋梁，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相繼問世，數(shù)據(jù)采集進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代［1］。

本文將結(jié)合橫向項(xiàng)目，針對(duì)建筑行業(yè)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來幫助獲得應(yīng)變、震動(dòng)等專業(yè)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行分析仿真。系統(tǒng)將基于嵌入式技術(shù)，針對(duì)不同信號(hào)的采集設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種節(jié)點(diǎn)，靈活設(shè)計(jì)傳輸方式，既可以采用以太網(wǎng)，又可以采用無線網(wǎng)，而且還要將各種傳輸方式都接入上位機(jī)所在局域網(wǎng)，使系統(tǒng)更好地適應(yīng)具體的工作環(huán)境。

1　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1主控模塊

主控模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行都是由這里控制，所以主控芯片的性能直接影響系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。

本系統(tǒng)的主控芯片選用TI公司的LM3S9B96，它采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，主流外設(shè)一應(yīng)俱全，而且集成了以太網(wǎng)控制器。主控芯片及其外圍部分電路見圖1，芯片外接16 MHz的晶振作為其頻率源，經(jīng)鎖相環(huán)倍頻后可達(dá)到200 MHz，以太網(wǎng)控制器單獨(dú)外接一個(gè)25 MHz的晶振，用復(fù)位芯片MAX811為芯片提供穩(wěn)定的復(fù)位電平，將芯片的JTAG口引出用于程序的下載和仿真跟蹤調(diào)試，LDO腳接一個(gè)線性穩(wěn)壓芯片F(xiàn)AN2558以保證內(nèi)核工作穩(wěn)定，LED1則是一個(gè)雙色LED，用于系統(tǒng)工作時(shí)的狀態(tài)指示［2］。

另外主控模塊還設(shè)計(jì)有串口電平轉(zhuǎn)換電路，方便系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)直連輔助調(diào)試，電路如圖2所示。

1.2電源模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源保障，它的穩(wěn)定直接關(guān)系到系統(tǒng)各模塊的穩(wěn)定工作，而且各電路模塊所需電壓不盡相同，所以電源模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜。

首先是電源輸入選擇電路，系統(tǒng)有外接DC 12 V和7.4 V鋰電池兩種供電方式，當(dāng)外接直流電源時(shí)自動(dòng)切換到鋰電池充電狀態(tài)，切換電路如圖3所示，供電方式的切換通過繼電器實(shí)現(xiàn)。

圖1　主控芯片LM3S9B96及其外圍部分電路

圖2　串口電平轉(zhuǎn)換電路

圖3　供電方式切換電路

圖4　鋰電池充電電路

而鋰電池的充電控制用電流源芯片MAX1640實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

其次是穩(wěn)壓電路，輸入電源經(jīng)過線性穩(wěn)壓得到數(shù)字+5 V，再經(jīng)升壓模塊升至±15 V，而后經(jīng)過LM317和LM337構(gòu)成的組合電路隔離穩(wěn)壓后得到模擬±15 V，用于電壓預(yù)處理電路和電壓型傳感器供電；數(shù)字+5 V通過LT1086-3.3 V進(jìn)一步穩(wěn)到+3.3 V，用于主控芯片等部分芯片的供電。圖5給出了部分線性穩(wěn)壓電路。

1.3采樣模塊

采樣模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，其任務(wù)就是對(duì)ICP傳感器、應(yīng)變傳感器等進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理，所以采樣模塊是實(shí)現(xiàn)任務(wù)的第一步，即將微小的傳感器信號(hào)放大濾波后送入AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量［3］。

作為采樣模塊的核心，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)和靜態(tài)節(jié)點(diǎn)所選用的AD芯片不同。動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)選用AD7716對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行采樣，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)選用AD7734，兩款芯片均外接一個(gè)6 MHz晶振為其提供采樣時(shí)鐘，與主控芯片通過SPI進(jìn)行通信，兩且AD7716還外接了一個(gè)LED作為采樣指示燈，其電路如圖6所示。

1.4通信模塊

通信模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)ICP傳感器、應(yīng)變傳感器等進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理，所以采樣是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的第一步，通信是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的第二步，要將AD芯片轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。有線傳輸方式用以太網(wǎng)，主控芯片已經(jīng)集成，只需配置外圍電路即可［4］。無線傳輸方式有兩種，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)采用WiFi無線網(wǎng)，用以色列ConnectOne公司的Nano WiReach WiFi聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)，通過串口與主控芯片相連；靜態(tài)節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無線網(wǎng)，用美國Digi公司的XBee-PRO射頻模塊實(shí)現(xiàn)，同樣通過串口與主控芯片相連。

圖5　線性穩(wěn)壓電路

圖6　AD7716采樣電路

2.1主控程序

主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的宏觀控制，調(diào)用各功能函數(shù)共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的主程序僅有2個(gè)函數(shù)，初始化函數(shù)init（）和主函數(shù)main（）。初始化函數(shù)init（）負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化；主函數(shù)main（）是整個(gè)程序的入口函數(shù)，對(duì)其他文件和函數(shù)依功能需求進(jìn)行組織和調(diào)用，主程序流程圖如圖7所示。

2.2采樣程序

系統(tǒng)的采樣方式設(shè)計(jì)有三種，即動(dòng)作采樣、定時(shí)采樣和觸發(fā)采樣。動(dòng)作采樣是上位機(jī)發(fā)送采樣命令后，系統(tǒng)開始采樣相應(yīng)長度數(shù)據(jù)；定時(shí)采樣是在某一設(shè)定時(shí)刻開始采樣相應(yīng)長度數(shù)據(jù)；觸發(fā)采樣是一直監(jiān)視某個(gè)采樣值，一旦其大于規(guī)定值時(shí)開始采樣相應(yīng)長度數(shù)據(jù)，并且開始時(shí)刻前一段時(shí)間內(nèi)的采樣值也要保留，以便分析觸發(fā)時(shí)刻前后的變化。雖然有三種采樣方式，但分析后可知，只需編寫兩個(gè)函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)三種采樣方式，即一個(gè)只負(fù)責(zé)采樣一定長度數(shù)據(jù)的普通采樣函數(shù)和一個(gè)監(jiān)視采樣值并進(jìn)行一定緩存的觸發(fā)采樣函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)用和組合，即可實(shí)現(xiàn)這三種采樣方式。

動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的AD7716的采樣采用中斷方式，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后會(huì)觸發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中對(duì)其進(jìn)行采樣并將數(shù)據(jù)緩存。對(duì)AD7716進(jìn)行初始化后其便開始采樣，就會(huì)觸發(fā)中斷，所以在系統(tǒng)不進(jìn)行采樣時(shí)將外部中斷口禁能，在進(jìn)入普通采樣函數(shù)時(shí)將其使能。靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的采樣程序和動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)相比，只因AD芯片不同而存在一些差異。

2.3通信程序

通信程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能，發(fā)送函數(shù)可以發(fā)送采樣數(shù)據(jù)、參數(shù)或狀態(tài)結(jié)構(gòu)體，并且可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)選擇發(fā)送方式，其程序流程圖如圖8所示。

2　系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

圖7　主控程序流程圖

圖8　通信程序流程圖

這里需要注意的是W iFi模塊需用串口通過AT指令進(jìn)行控制。ZigBee模塊同樣通過串口與主控芯片進(jìn)行通信，采用透明傳輸模式，上電后自動(dòng)進(jìn)入此模式，所以只要事先將模塊配置好，對(duì)于主控芯片而言就相當(dāng)于一個(gè)無線串口，收發(fā)數(shù)據(jù)直接操作所用串口即可［5］。

3　系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試中經(jīng)常用到虛擬串口，它是RealView MDK的調(diào)試器提供的一個(gè)比較方便的功能［6］，將MDK自帶例程中的Retarget.c添加到系統(tǒng)工程中，然后重寫fputc（）函數(shù)，程序如下：

int fputc（int ch，F(xiàn)ILE*f）

｛

if（DEMCR&TRCENA）

｛

while（ITM-Port32（0）==0）；

ITM-Port8（0）=ch；

｝

return（ch）；

｝

這樣，在程序中調(diào)用打印函數(shù)printf（），就可以在Debug（printf）Viewer調(diào)試窗口輸出打印信息。

一臺(tái)上位機(jī)同時(shí)控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)采集最多四路ICP傳感器或應(yīng)變傳感器，具有22位高精度，無線數(shù)據(jù)傳輸通過W iFi無線網(wǎng)，速度較快可達(dá)400 kb/s，直接通過局域網(wǎng)連接上位機(jī)，適合大量高速數(shù)據(jù)的近距采集；靜態(tài)節(jié)點(diǎn)可分時(shí)采集八路應(yīng)變傳感器，具有24位高精度，無線傳輸通過ZigBee無線網(wǎng)，距離較遠(yuǎn)可達(dá)1 km，適合小量低速數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距采集。

通過聯(lián)合上位機(jī)調(diào)試，單節(jié)點(diǎn)可穩(wěn)定工作，完成系統(tǒng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。但由于時(shí)間及水平有限，多節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接上位機(jī)工作時(shí)不穩(wěn)定，有數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；另外采用以太網(wǎng)傳輸方式時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)通過DHCP方式獲得IP地址，不能建立TCP連接；功能方面也還不夠人性化，不夠完善。這些問題都有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ARM Cortex-M3嵌入式內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路ICP或應(yīng)變傳感器同時(shí)進(jìn)行大量高速近距采集和小量低速遠(yuǎn)距采集，并且具有高精度。靈活設(shè)計(jì)以太網(wǎng)、WiFi和ZigBee無線網(wǎng)多種傳輸方式，使系統(tǒng)能更好地適應(yīng)工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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于鵬（1987 -），通信作者，男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人控制。E-mail：sshjunzi@163.com。

引用格式：于鵬.基于ARM Cortex-M3的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（10）：24-27.

Research and realization of the data acquisition system based on ARM Cortex-M3

Yu Peng
（Innovation Lab of Space Robot System，Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China）

Abstract：W ith the rapid development of the information industry，such as the computer and Internet，the data acquisition system has gotmore attention and app lication.Based on the horizontal project of laboratory of the data acquisition system of a research institute，this article elaborated the hardware and software design of the data acquisition system，and achieved a set of data acquisition system based on ARM Cortex-M 3. Firstly this paper gave a brief introduction of system selection and development platform，then elaborated the design of the hardware circuit and software program，and finally explained the method of integrated debugging and the key issues encountered and their solutions.

Key w ords：data acquisition；ARM Cortex-M3；wireless transmission；high precision

作者簡介：

收稿日期：（2016-02-18）

中圖分類號(hào)：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.009