基于ARM7的工业控制数据采集系统的研究

摘要：在现代工业控制中利用计算机进行高速数据采集已成为其重要组成部分，但是仅靠单片机等进行工业控制还存在着不完善的地方。为此提出基于嵌入式的数据采集方法，并根据目前嵌入式系统的发展现状，选定ARM7芯片STM32F103VBT6作为主控芯片，给出系统框图并设计了前端调理电路、A／D转换电路、调试电路。采用Linux操作系统，在Linux平台上进行了应用程序设计。实践表明，嵌入式数据采集系统提高了系统的可扩展性和灵活性，在工业测量与控制领域有较为广阔的应用前景。
关键词：数据采集系统；嵌入式系统；ARM；Linux

0 引言
    在工业测量控制领域，需要获取大量的实时现场参数，由于环境恶劣复杂多变，数据采集系统多为工控机来完成，但工控机体积大、功耗大，可靠性较差、安装不方便同时成本也不低。另外还有专用的数据采集系统，可以独立工作，利用DSP(数字信号处理器)和MCU(微控制器)完成。缺点是价格很高，人机交互能力差。嵌入式处理器的高速发展有效地弥补了工控机的不足，尤其是ARM处理器。它不仅集合上述采集系统的优点，克服了其缺点，同时还加入了一些新的功能，新的特性。新功能新特性的加入，又进一步拓展了其应用领域，应用范围，能针对不同的需求，具有很大的灵活性。
    该方案采取ARM处理器来实现，ARM处理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外设，相比传统控制器如单片机更强大的性能是其主要特点。现今的ARM处理器性能已经具备处理简单的信号处理的能力，在系统设计中采用ARM处理器无疑能从各个方面受益，包括性能、功能、成本、功耗等各个方面。

1 系统土作原理、硬件设计
    该课题研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的数据采集硬件平台和基于嵌入式Linux操作系统的数据处理软件平台，开发了一个集嵌入式控制、高速数据采集、实时处理及友好人机交互界面于一体的平台，能对现场信号进行高速采集、处理与显示。数据采集系统硬件模块主要包括：前端调理模块，A／D转换模块、微处理器主模块、人机接口单元。系统的基本结构框图如图1所示。

1．1 信号调理模块
    信号调理模块对传感大过来的信号进行调理，通过信号调理的隔离、放大、滤波等，使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善。设计合适的信号调理电路，不但要考虑信号调理本身的内容，还要考虑信号调理电路的应用环境以及被测参数所代表的意义。
1．2 ARM处理器
    多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU。数据采集系统硬件开发平台搭建的第一步就是做好ARM核的选择，ARM体系的各种系列如ARM7，ARM9等分别针对不同的嵌入式系统应用场合。
    该系统采用基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6作为主控芯片，它具有非常丰富的片内资源，例如实时时钟(RTC)、定时器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D转换器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN总线接口还包括20 kB的片内SRAM，128 KB的片内FLASH以及一个支持USB 2．O规范的全速USB外围设备等，它是整个系统的主控单元，协调其它模块完成数据采集、存储、处理、控制、传输等多项功能。

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1．3 模数转换电路
    衡量一个采集系统性能的重要指标是它的采样速度和采样精度，因此A／D芯片是数据采集系统中的最重要的器件之一，对于模拟信号的数据采集，不仅要考虑如何与前端信号调理部分和后端信号处理部分的配合问题，还要考虑数据采集本身的一些要求。也就是说，不仅要考虑模拟输入的相关参数、测量系统的信号类型和连接方式、采样方式等方面，同时还要考虑采集模块如何与后面的微处理器模块相连接的问题。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。对于一般的工业采集系统在保证精度和速度的条件下，要尽量提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。通常选择逐次逼近型或并行比较型A／D转换器。该系统使用TI公司的16位高速采样模／数转换器(ADC)ADS8317，实现模拟信号到数字信号的快速转换。
    ADS8317的电源电压从2．7～5．5 V，在全速工作时仅需要很少的电流，而在低速工作时，能使高速器件绝大部分时间处于关断模式，从而使在10 kHz数据速率时的平均功耗小于0．2 mW。器件广泛应用在以电池为能源的系统，远程数据采集，单独的数据采集，工业控制，机器人以及震动分析和多通道系统的同时采样。该系统选用了两个多路复用器MPC506，从它的OUT端输出的信号到ADS8317进行A／D转换的电路如图2所示。

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1．4 调试接口电路
    STM32F103VBT6作为主控芯片具有一个符合IEEE STDll49．1-1990标准的20PIN的JTAG调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。该系统通过JTAG接口进行程序调试烧写程序到FLASH中，它连接了STM32F103VBT6内部的5根信号线TD1，TMS，TCK，TD0，NRESE-T，其中4根是输入，分别外接了上拉电阻，保证信号的可靠传输。NRESET为内部JTAG接口电路的复位引脚，通过1 kΩ电阻连接系统复位信号就可以使用MULTI-ICE仿真器进行调试。电路如图3所示。

2 软件设计
    对嵌入式系统而言，其软件设计与硬件平台密切相关，硬件环境的不同，会影响操作系统的选择，硬件方案确定之后，操作系统的选择就相对轻松了。
    选择嵌入式操作系统类型时，除了经济成本，主要考虑的是它们的性能评价指标，此外还有这样一些要素：对开发工具如编译器、键接器、调试器等的支持程度；可移植性及移植的难度；内存是否支持MMU；是否具有可剪裁性，是否支持用户自定制能力；实时性能优劣及网络功能是否强大等，也是我们要重点考虑的。
    目前，开放源代码的免费软件Linux操作系统，已成为用得最多的软实时嵌入式操作系统，这源于其独有的特点和优势：开发成本低、内核可定制、完善的集成开发环境、可移植性好。本系统采用的是Linux操作系统，在Linux平台上进行了应用程序设计，流程图如图4所示。

3 结语
    本系统采用ARM7开发设计，具有精度高、运行稳定、实时性好、抗干扰能力强、性价比高的特点，可以在各种工业场合中广泛应用。
    采用基于ARM7的嵌入式微处理器，可以使系统小型化，便于提高性能以及与各种外设连接扩展，同时降低了成本，且在具体应用稳定可靠。