ARM嵌入式系统课程设计报告高速数据采集系统的设计

西华大学嵌入式技术实践课程报告摘要近年来，随着计算机技术、电子技术等技术的发展，如何对数据进行采集和处理显得越发重要，数据采集的速度和精度是数据采集系统发展的两个主要方向。单片机、ARM、DSP等各种微处理器的广泛应用，为数据采集系统提供了一个有效的平台。对信号进行高速和高精度的采集以及对采集数据处理的研究和设计是本课题的主要任务。本文基于ARM7S3C44B0X处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统，利用ARM7S3C44B0X丰富的功能接口和较高的工作频率，实现对信号的采集和数据处理的功能。本文介绍了数据采集系统的国内外研究现状和发展趋势，对本系统的主要芯片进行了选型尤其是模数转换芯片AD7663的接口电路。将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。并提供了原理图和总体电路图，并编写了程序代码，最后提出了关于高速高精度数据采集系统设计的观点。该系统具有成本低、功耗低、识别性能强及智能程度高等优点，具有较为广阔的应用前景。关键词：ARM，S3C44B0X，数据采集系统，AD7663西华大学嵌入式技术实践课程报告一．绪论1.1课题的背景及研究意义随着工业技术的发展，数据采集装置具有越来越广泛的应用领域。在工业生产过程中，受产品质量、生产成本等多方面因素影响，通常需要对工业现场的一些参数进行监控。数据采集装置是解决这一问题的有效手段。在科学研究中，应用数据采集装置可获得被测对象的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要段之一。在生产实践中，为了得到我们需要的数据，通常需要将一些由传感器输出的模拟信号转换成数字信号。再通过计算机或者处理系统进行相应的处理。这种过程即被称为数据采集。数据采集装置在各个领域被广泛应用，己渗透到了工业现场、地质勘测、医药器械、电子通信、航空航天等各个领域，为人类更好的获取各种信息提供了便利的条件。综上可知，研究通用化高精度数据采集技术和网络技术，可以有效提高生产管理的自动化水平，对于提高我国劳动生产率和推动经济发展具有非常重要的意义。1.2论文的主要内容本文以基于ARM的嵌入式系统为核心，并综合应用高精度数据采集方法和网络通信接口技术，实现了基于ARM的通用高精度数据采集装置。在分析国内数据采集系统的基础上，考虑到数据的采集速度、精度和系统可扩展性，ARM7微控制器S3C44B0X，设计出一套通用性较强的数据采集系统。实现了高速和高精度信号采集，显示及传输等功能。西华大学嵌入式技术实践课程报告3二．数据采集系统的总体设计2.1数据采集系统设计目标本文设计了一种基于ARM7S3C44B0X处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统。它的主要设计目标是：(1)实时性强。系统的主要工作是对大量的过程状态参数实时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。因此要求硬件上必须要有实时时钟和优先级中断信息处理电路。(2)可靠性高。他是系统设计的一个重要要求。由于数据采集系统往往是安放在被控对象的工作环境中，所以不仅数据、湿度大，而且腐蚀多，干扰也很多，要求系统有较好的抗干扰能力和采集速度。(3)结构简单，功耗低，性能优良。2.2系统的整体设计本文设计的高速高精度数据采集系统有硬件和软件两部分组成。而硬件部分主要完成数据采集、存储功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理。该系统的控制核心S3C44B0X。它为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降低成本，S3C44B0X提供了丰富的内置部件：8KBCache，可选的内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选FP/EDO/SDRAM控制器），带PWM功能的5通道定时器，I/O端口，RTC，8通道10为ADC，IIC总线接口，IIS总线接口，同步SIO接口和PLL倍频器。S3C44B0X采ARM7TDMI内核，0.25um工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。它低功耗，精简，出色和全静态的设计特别适用于成本和功耗敏感的应用。同样S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII(SAMSUNGARMCPU嵌入式微处理器总线结构)。S3C44B0X的显著特性时它的CPU核，是由ARM公司设计的16或32位的ARM7TDMI最高为66MHz的RISC处理器。微处理器S3C44B0X提供全面的，通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。系统以S3C44B0X为数据采集模块核心处理器，采用模块化方法设计，西华大学嵌入式技术实践课程报告4按照功能的不同，分为电源电路、通道选择电路、模数转换电路、通信电路、多路开关及信号调理电路、计算机人机交互界面部分，数据采集系统整体结构图2-2所示2-2高速高精度数据采集系统的电路框图数据采集系统工作流程：传感器输入的模拟信号经过信号调理电路的处理（包括隔离、变换、放大、滤波等各种处理）以满足数模转换芯片对输入电平和信号质量的要求，然后通过多路开关进行信号选择，选通的信号由高性能高速电压反馈放大器AD8021的进一步的处理获得更精确，精度更高的模拟信号，在微处理器的控制下模拟信号通过16位逐次渐近型模数转换器AD7663的转换处理存入数据缓存，进一步通过S3C44B0X处理器的控制的显示、键盘模块实现人机交换功能。同时多路开关的选择与控制有微处理器控制。软件部分的设计分为两个部分，分别为数据采集系统控制软件和数据程序处理两个部分。软件设计共包括五部分：通道选择，数据采集处理，数据存储，数据显示和键盘控制。模拟通道一多路开关电压跟随微处理器显示键盘模拟通道二……模拟通道七模拟通道八模拟转换数据缓存西华大学嵌入式技术实践课程报告5三．数据采集模块的硬件设计与实现本设计主要有五个模块，分别是：多路开关及信号调理模块，模数转换模块，存储模块，键盘模块，显示模块。3.1多路开关及信号调理模块设计3.1.1信号调理模块信号采集系统中，绝大多数模拟量输入都带有大量的噪声不能直接输入到模数转换器中去，需要对信号进行调理。信号调理电路用来对传感器输入的信号进行隔离，变换，放大，滤波等各种处理，以满足模数转换芯片对输入电平和信号质量的要求。调理电路如图3-1所示。RR-5C+5-5+5C-VS4+IN3-IN2REF5+VS7+RG8-RG1OUT6AD623+VS7OUT3-IN4OUT5-VS2+IN8CLK1GND6MAX291图3-1信号调理电路AD623是高精度、低噪声的仪表放大器，R1是输入限流电阻，R2是增益电阻，调节此电阻的值可改变AD623的增益G，算式为G=100/R1（kΩ）+1。MAX291是滤波器，截止频率其由电容C1决定。若设为100Hz：fc（kHz）=1000/3C1（pF），计算得C1取值为3300pF。使用中还要注意：MAX291的零点漂移达-200mV~-400mV，因而可在输出端串接一个10μF左右的钽电容，隔去MAX291引入的直流分量[8]。3.1.2多路开关的选择本系统选用的是8通道的模拟数据选择器MAX308，输出哪路信号通西华大学嵌入式技术实践课程报告6过总线控制。带串行接口的16位模数转换集成电路（ADC），它包含有跟踪/保持电路的一个低漂移、低噪声、掩埋式齐纳电压基准电源。它的转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308kb/s点，满量程输入电压范围为±5V，功耗为210mW。可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口，该输入可以接收TTL或CMOS的信号电平，时钟频率0.1-5.5MHz，其电路图如图3-2所示。A01EN2IN14IN25IN36IN47OUT8IN89IN710IN611IN512A215A116MAX308EPE(16)UinUinUinUinUinGPG1GPG2+5GPG0UinUinUin图3-2多路开关MAX308IN1~IN8是模拟输入通道，模拟信号由此输入。A0~A2是通道选择信号，其选择由微处理器S3C44B0X控制。3.2模数转换模块模数转换是把数据采集系统采集到的模拟信号转换成系统可以识别并处理的数字信号。它的精度与速度如何将影响到系统的现实性和系统的性能。本设计采用的是，本模块的设计目的就是为了实现这功能[9]。3.2.1信号驱动放大器信息本模块由两部分组成：信号驱动放大器AD8021与具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性的基准电压源ADR421提供基准电压的模数转换芯片AD7663。信号驱动放大器AD8021是一款出众的高性能，高速电压反馈放大器，可以用于16bit分辨率系统。AD8021具有低压噪声和低电流噪声，是当今西华大学嵌入式技术实践课程报告7的高速低噪声运算放大器产品中静态电源电流（7mA@±5V）最低的产品。AD8021工作电压范围较宽，为±2.25V～±12V，也可以采用5V单电源供电，因此非常适合高速低功耗仪器仪表。输出禁用引脚可以将静态电源电流进一步降低至1.3mA。与同类放大器相比，AD8021不仅技术性能出众，而且价格优势明显，静态电流也低得多。AD8021是一款高速、通用放大器，非常适合各种增益配置，可以用于信号处理链路以及控制环路。AD8021REFERENCE1-IN2+IN3-VS4-DISABLE8+Vs7Vout6Ccomp5AD8021AD80212pF+5IN图3-3信号驱动AD8021采用标准8引脚SOIC与MSOP封装，工作数据范围为：-40°C～+85°C。芯片电路如图3-3所示。传感器输入的信号通过多路开关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路AD8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片AD7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换。3.2.2模数转换芯片的选择A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换工程主要包括采样、量化、编码三个步骤。A/D芯片是数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标，目前市面上A/D转换器的品种较多，每种芯片具有不同的控制方式和应用条件。比较常用的ADC按转换电路结构和工作原理主要分为四类：积分型AD转换器、逐次逼近型、并行比较型ADC、∑-Δ转换器。其中，积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50Hz或60Hz）的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用有用（如西华大学嵌入式技术实践课程报告8热电偶输出的量化）。逐次逼近型模数转换器在1个时钟周期内只能完成1位转换。N位转换需要N个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。它的优点是原理简单，便于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。并行比较式A/D转换器原理直观，转换速度极快（最高1GHz的采样速率），常用于数字通信和高速数据采集领域。缺点是功耗大，制造成本高且易产生离散的、不确定的误码输出。∑-Δ模数转换器采样速率较低，但采样精度会做得很高，且成本低廉，一般限于对低频较窄的转换。INDATA0DATA1DATA2DATA3DATA5DATA4DATA6DATA7DATA8DATA9DATA10DATA11DATA12DATA13DATA14DATA15GPG3nGCS3nOEnRESETAGND1AVDD2NC3BYTESWAP4OB/~2C5NC6NC7SER/~PAR8D09D110D2/SCLK011D3/SCLK11213D4/EXT/~INT14D5/INVSYNC15D6/INVSCLKD7/RDC/SDIN16OGND17OVDD18DVDD19DGND20D8/SDOUT21D9/SCLK22D10/SYNC2324D11/RDERROR25D1226D1327D1428D15BUSY29DGND30~RD31~CS32RESET33PD34~CNVST35AGND3637REF38REFGND