1、洛阳理工学院 毕业设计（论文） I 基于 ARM 的高速高精度数据采集系统设计 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
2、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 洛阳理工学院 毕业设计（论文） II The Design of High speed and High precision Data Acquisition System Based on ARM ABS
3、TRACT In recent years, with computer technology, electronic technology and technology development, how to collect and process the data becomes more important. The speed and accuracy of data collection are the two main directions of the data acquisition system. MCU, ARM, DSP and other microprocessors
4、 are widely used provides an effective platform for data acquisition system. High speed and high precision signal acquisition as well as the research and design of collected data is the main task of this project. Based on the ARM7S3C44B0X this paper introduces the design and implement of a high spee
5、d， high accuracy， multiple channel data acquisition system. Using rich function interface and higher operating frequency of S3C44B0X achieves signal acquisition and data processing functions. This article describes the research status and development trend of the data acquisition system, selects the
6、 main chips of the system and the AD7663 analog digital converter. According to the modular idea, the system is divided several functional units and analyzes each functional module and provides a schematic diagram and general diagram .Some point of view to the design of the high accuracy data acquis
7、ition system was put forward at the end of this article. The system has low cost, low power consumption, recognition performance is strong and intelligent degree in higher advantages, which has relatively broad application prospects. KEY WORDS: ARM,S3C44B0X,Data Acquisition System,AD7663 洛阳理工学院 毕业设计
8、（论文） III 目 录 前 言 . 1 第 1 章 绪论 . 3 1.1 课题的背景及研究意义 . 3 1.2 国内外研究现状和发展趋势 . 4 1.3 论文的主要内容 . 5 第 2 章 数据采集系统的总体设计 . 7 2.1 数据采集的相关原理 . 7 2.1.1 数据采集系统基本构成 . 7 2.1.2 数据采样原理 . 8 2.2 多路数据采集系统的总体 方案 . 9 2.2.1 数据采集系统设计目标 . 9 2.2.2 系统的整体设计 . 9 第 3 章 数据采集模块的硬件设计与实现 .13 3.1 多路开关及信号调理模块设计 .13 3.1.1 信号调理模块 .13 3.1.2
9、多路开关的选择 .14 3.2 模数转换模块 .15 3.2.1 信号驱动放大器信息 .15 3.2.2 基准电压源 ADR421 .16 3.2.3 模数转换芯片的选择 .16 3.2.4 模数转换芯片 AD7663 介绍 .19 3.3 存储模块设计 .20 3.3.1 存储模块电路设计 .20 3.3.2 硬件和存储器设置 .23 3.4 键盘模块设计 .23 3.4.1 键盘线路模 块设计 .24 3.4.2 寄存器的设置 .24 3.5 显示模块的设计 .25 洛阳理工学院 毕业设计（论文） IV 3.5.1 LCD 接口电路的设计 .25 3.5.2 LCD 控制寄存器的设置 .2
10、7 3.6 时钟电路的设计 .28 3.7 ARM 处理器的选择 .29 3.7.1 S3C44B0X 的结构介绍 .29 3.7.2 S3C44B0X 芯片介绍 .30 3.7.3 S3C44B0X 芯片引脚介绍 .31 第四章 数据采集系统的软件设计 .36 4.1 主程序流程 .36 4.2 数据转换程序 .39 4.3 键盘程序扫描程序 .41 结 论 .45 谢 辞 .46 参考文献 .47 附 录 .49 外文资料翻译 .55 洛阳理工学院 毕业设计（论文） 1 前 言 随着数字化时代的来临，数字信号的处理技术已经渗透到人们生活的方方面面，化工、医学、工业及科研等各个领域中，都必须
11、对相应的信号进行检测与处理。人们通常根据采样定理将传感器传送来的模拟信号转换成数字信号， 再对这些数字信号进行处理。数据采集可以说是数字信号处理的核心，数据采集的好坏将直接影响未来的工作。数据采集的目的在于测量电气信号或物理量，如电压、温度、压力、流量、液位等。一个完整的数据采集系统应当包括信号、传感器或执行机构、信号调理、数据采集设备和软件等部分。社会的发展和科技的进步使信号处理系统的智能性越来越强，实时性越来越好，数据采集的精度和速度也越来越高，对数据采集系统提出了更高的要求。除了基本数据采集的功能外，还必须针对不同行业领域、不同的现场环境实现多种工作模式、多种量程范围、多种控制方法、多种
12、数 据传送和显示方式以及实时时钟的功能等，因此，数据采集仪器仪表的种类繁多，更新的速度越来越快。通用的数据采集系统不能满足专门的场合，这就迫使许多公司开发出各种专用的数据采集系统。近年来，嵌入式系统在通讯、工业控制等领域的应用，使嵌入式技术得到了极大的发展。以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统叫做嵌入式系统。嵌入式微处理器的功能越来越强大，可以满足大部分数据采集的要求，为了便于开发，有些微处理器还集成了 AD 和 DA 单元。一些微处理器 还集成了多种通讯接口和寄存器，可以根据不同的场合进行扩展。目前嵌入式应用技
13、术是科研人员开发的热点和重点之一。 本文设计了基于 ARM7S3C44B0X 处理器的一种高速、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。并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。根据模块化的思想，将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。其中对五个模块的电路设计予以详细的分析介绍。随后文章详细分析了系统的硬件设计， 并提供了原理图和总体电路图，同时编写了程序。最后提出了关于洛阳理工学院 毕业设计（论文） 2 高速高精度数据采集系统设计的观点。 洛阳理工学院 毕业设计
14、（论文） 3 第 1 章 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
15、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 1。 传统的数据采集装置，都是针对特定的要求研制开发的，应用范围窄。对于新的需求，数据采集装置需要进行重新设计，浪费了时间和精力。同时数据采集的高精度特性越来越受到重视，在航空航天、导航系统、环境监测等很多领域都需要应用高精度的数据采集装置。因此设计一款通用的高精度 数据采集装置就显得尤为重要。网络化技术是数据采集发展的另一个重要技术。随着工业技术的飞速发展，要求测试和处理的信息量越来越大，而且被测对象的空间位置分散，测试任务复杂，测试系统庞大，测试单元数量多，各个测试单元与主控计算机的数据交换量越来越大。同时由于工业
16、现场的恶劣条件，远程监控显得越来越重要随着这些重要行业对自动化，可靠性要求的提高，传感器技术的长足发展，信号处理和信息分析技术的提高，对于被采集后的数据的精确性要求也随之提高。因此数据采集装置网络化和远程化的要求也越来越受到重视。 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 2。 洛阳理工学院 毕业设计（论文） 4 1.2 国内外研究现状和发展趋势 上个世纪 50 年代，数据采集装置开始出现。以美国研制的数据采集测试系统为代表，该系统主要应用于军事领域。目的是数据采集装置使用中不依靠相关的测试文件
17、，可以由对该数据采集装置不是十分熟悉的人员进行操作。装置灵活性好，并且可以自动规划完成采集任务。同时使得很多应用传统方法无法完成的采集任务得以解决，从而获得了初步的认可。 上世纪 80 年代，随着计算机的普及， 开始出现通用的数据采集装置，这个时期的数据采集装置主要由采集器、接口总线和控制计算机组成。所使用的接口总线以 GPIB 为主要代表。 80 年代后期，数据采集装置主要由工控机、单片机和集成电路组成。将部分硬件由软件代替，降低了成本和体积，而性能大大增加。 上世纪 90 年代后，发达国家的数据采集技术已经广泛应用于军事、航空航天和工业领域。随着集成电路技术的发展，出现了高性能的单片数据采
18、集系统（ DAS）。 DAS 的分辨率可达 16 位，采样速度达每秒几十万次。数据采集技术成为一门技术。这个时期的数据采集装置采用模块化结构，接口 总线分为并行总线和串行总线。并行总线的代表为 VXI 和 PXI，适用于本地数据采集，多应用于军事领域。串行总线以 RS-485 和现场总线 CAN 为代表，适用于远程工业控制领域，但这两种数据采集装置均存在数据吞吐率低的缺点 3。 改革开放后，随着计算机技术、测量与控制技术、通信技术及电子技术的飞速发展，国内数据采集装置有了很大发展。 国内市场上出现了种类繁多的数据采集装置。典型代表有单通道数据采集装置 SP201 和 SC247 系列，双通道数
19、据采集装置 EG3300 和 YE5938系列，小型数据采集装置 902 和 921 系列， 温度、压力数据采集装置SMC-9012 系列，大型多通道数据采集系统 eM3000 等。生产厂家会为这些系统配备专用的软件包。这些软件包可以完成对设备的维修管理和基本频谱分析。应用它们可以解决数据采集装置的常见故障诊断和基本状态监测。经过近年来在工业现场的不断应用，数据采集装置质量优良，工作稳定可靠，基本上已达到国外数据采集器的中期水平。这些数据采集装置的主控 洛阳理工学院 毕业设计（论文） 5 CPU 主要采用单片机或 DSP，通信总线主要为 PCI 总线或 ISA 总线。现在具有代表性的数据采集装
20、置基本上以数据采集卡为核心。 PCI 卡占据了数据采集卡的绝大部 分市场。这种数据采集卡需要插在 PC 机的 PCI 插槽上，所以需要将被测信号从工业现场传给 PC 机，进而由 PC 机控制数据采集任务。但是工业现场环境较为复杂，工业现场到 PC 机的距离通常很长。正是这一制约因素，使得信号在传输过程中会出现各种问题。例如信号被衰减，有干扰信号混入，或者产生失真等等，导致最终采集到的信号误差很大。为了解决这一致命的缺点，数据采集装置开始使用现场总线技术，如 CAN、 RS-485 等总线，数据采集装置在工业现场采集数据并通过现场总线将数据传输到远程 PC 机处理，这种数据采集装置的优点是可以
21、远程传输，但较低的传输速度限制了此类数据采集装置的应用领域 4。 进入 21 世纪，以 Internet 为代表网络通信技术发展和应用取得了前所未有的突破，数据采集的网络传输技术随着 Internet 技术的发展取得了一定的成果。网络化的数据采集优势体现在：采集范围大、数据传输吞吐率高、远程控制等。网络化远程监控己经成为数据采集技术发展的必然趋势。目前，国内的数据采集卡市场由外国公司主导，高速和高精度数据采集方面尤为突出。 目前国内外数据采集系统具有以下特点： (1) 利用各种微控制芯片来处理，采集速度越来越快，精 度越来越高。 (2) 系统向着多参数、网络化方向发展。 (3) 系统自动化、智
22、能化程度不断提高。 (4) 系统功耗逐渐降低，可扩展性进一步提高 5。 1.3 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，选用了 Samsung 公司的 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，显示及传洛阳理工学院 毕业设计（论文） 6 输等功能。本文的主要研究内容如下： 第一章：本章首先介绍了课题研究的背景，然后介绍了本文所作的主要工作和本文结构安排。 第二章：系统相关技术介绍及总体设计，讲述数据采集的基本理论和数据采集系统的总体设计。 第三章：本章主要论述采集系统的硬件设计。首先讲述采集卡硬件总体设计，然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现。 第四章：本章介绍了数据采集系统的软件设计，数据采集模块功能实现流程及一些子程序的设计和总体程序设计。
