1、-i-本科毕业论文（20 届）基于 ARM 的远程多路数据采集设计研究所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期-ii-基于 ARM 的远程多路数据采集设计研究目录前言 .2第 1 章 系统总体设计 .3第 1.1 节 系统设计任务与要求 .3第 1.2 节 系统设计方案 .3第 2 章 系统硬件设计 .5第 2.1 节 最小系统设计 .5第 2.2 节 数据采集系统设计 .6第 2.3 节 远程设备设计 .7第 2.4 节 LCD 显示模块 .8第 3 章 系统软件设计 .9第 3.1 节 Keil Vision4 简介 .9第 3.2 节 多路数据采集设计 .10第 3.3 节
2、 RS485 远程通信 .12第 3.4 节 显示模块 .12第 4 章 系统调试 .14第 4.1 节 调试环境与方法 .14第 4.2 节 调试内容 .14第 4.3 节 调试数据 .15结论 .16参考文献 .16致谢 .17附录 .18附录 1：设备调试图 .18附录 2：ADC+DMA .19附录 3：RS485 远程 .20附录 4：显示模块 .21附录 5：main 函数 .23第 1 页基于 ARM 的远程多路数据采集设计研究12 电子转(1216936020)王希萍（苏州大学应用技术学院）【摘要】：论文介绍了一种基于意法半导体公司的 STM32 单片机和 RS485 串口总线
3、的多通道数据采集系统的设计与实现。系统中数据采集系统与通信控制部分采用了模块化的设计，利用了单片机 STM32 的 ADC 模块和 RS485 串口总线来实现，硬件部分以ARM 的 Cortex-M3 处理器为核心，还包括 ADC 模块，显示模块，和串行接口部分。与其他不同的是该系统的 ADC 工作在 DMA 方式中，因此不需要 CPU 的干涉，系统可以快速进行数据采集。系统中输入多路数据是由现场模拟的电压信号产生，ADC 进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的结果通过 LCD 显示出来，也可以通过 RS485 串口总线传输到主设备，在主设备系统中实时显示采集到
4、的数据并摇杆的上下键调节采集速度，达到远程数据采集的目的。软件部分应用 Keil uVision4.7通过 C 语言编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行设计。【关键词】：STM32；多路数据采集；远程控制；【Abstract】: This paper introduces the design and implementation of a multi channel data acquisition system of STM32 single chip microcomputer and RS485 serial bus company of meani
5、ng law semiconductor based. Data acquisition system and the communication control part of the system uses a modular design, using the ADC module and RS485 serial bus chip STM32 to realize the hardware part, with Cortex-M3 processor ARM as the core, including ADC module, display module, and serial in
6、terface. And the other difference is the ADC of the system operating in the DMA mode, so there is no need to CPU interference, system can be used for fast data acquisition. In the system of multi-channel data is input voltage signal generated by field simulation, ADC analog to digital conversion, co
7、nversion of analog data to digital quantity, displayed and converted the results through the LCD, can also through the RS485 serial bus to the main equipment, the main equipment in the system is also benefit real time data acquisition of signal display, to achieve the purpose of remote data acquisit
8、ion. Application software KeiluVision4.7 through C language control software, the data acquisition system, ADC system, data display, data communication program design.【Keywords】:STM32; Multi-channel data acquisition;The remote control;第 2 页前言近年来，数据采集与其应用越来越人们的受到广泛关注，数据采集系统也有了迅速的发展，在应用中由于现场的特殊性，远程的数据
9、采集系统更广泛的应用预备各个领域。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用 1。但传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持，不管采用什么样的数据存储器，它的存
10、储容量都是有限的，所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新，这样不利于用户对数据进行整体分析，因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握 1。传统的数据是经过 CPU 采集数据，这使的处理器在执行多个任务时会很忙碌，处理速度也会变慢。本系统将利用 ARM Cortex-M3 微处理器采集 8 路数据，在本系统设计中 ADC 选择工作在 DMA 方式下，DMA 提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须 CPU 干预，数据可以通过 DMA 快速地移动，这就节省了 CPU 的资源，从而可以使系统进行快速的多路数据采集。利用 RS-485 串口总线做系统的远程多路数据传输，远程数据
11、采集解决了由于被采集信息现场环境的特殊性，无法直接对数据进行采集的问题。本文对远程数据采集的结构进行了分析，重点介绍多通道数据采集和远程控制系统的的设计过程。第 3 页第 1 章 系统总体设计第 1.1 节 系统设计任务与要求1.1.1. 系统设计任务利用 ARM Cortex-M3 微处理器的 ADC 对多路数据进行采集，将采集到的数据通过显示模块显示在从设备的 LCD 上，也可以通过串口助手将采集到的数据结果通过串口助手显示在 PC 机上。远程控制部分，通过 RS-485 总线利用串口接口将从设备采集到的信号结果传送到主设备中，实现实时的远程多路数据采集。1.1.2. 系统设计要求(1)、
12、 焊接 8 通道的现场模拟数据信号(2)、 配置 ADC 方式，采集外设的多通道模拟信号，并对信号进行 AD 转换(3)、 编写串口程序，利用 RS-485 进行远程控制多路数据采集(4)、 设计 LCD 界面，实时显示系统多路采集的数据第 1.2 节 系统设计方案1.2.1. 设计方案比较方案一：MCS51 单片机MCS51 单片机是一个 8 位 CPU，利用 MCS51 设计多路数据采集需通过外接模块AD 转换器 ADC0809 进行模数转换、串口模块、MAX485 芯片，显示模块。其数据输入到 CPU 处理,再利用 ADC0809AD 转换器进行模拟量转换成数字量，并将转换后的数据通过显
13、示模块进行显示，同时也通过串行口 MAX485 传输到上位机。MCS51 单片机的显示模块结构简单，界面单一。方案二：ARM 系统STM32F103ZET6 微控制器，其工作频率可达 72MHz，内置 2 个 12 位 ADC，16 个外部模拟信号输入通道，可达 1s 转换时间，转换范围是 03.6V；支持 7 个 DMA 通道，可操作多种通用外设，如定时器、ADC、USART 等 2。由于 STM32 单片机内置 12 位AD 转换器、USART，只需对其 ADC 模块和 USART 模块进行软件配置。根据上述设计要求，将系统划分为最小系统模块、现场模拟电压输入信号、远程控制模块和显示模块四
14、个部分进行设计。STM32 官方提供的固件库，也称固件函数库或标准外设库。通过使用固件函数库，无需深入掌握底层硬件细节，开发者就可以轻松应用每一个外设。因此，使用固态函数库可以大大减少程序编写时间，进而降低开发成本。由于 STM32 内置的 ADC1 可以设置工作在 DMA 方式下，DMA 提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须 CPU 干预，数据可以通过 DMA第 4 页快速地移动，这就节省了 CPU 的资源，从而可以使系统进行快速的多路数据采集。STM32 的 LCD 显示模块丰富，可以对界面程序进行编写，从视觉和应用上使显示界面更加友好、丰富。第二种方案，结构简
15、单，高集成度、能实时完成数据的采集、显示、传输及存储，具有高性能、低功耗、低成本、低开发难度等优点，在程序编写上都是模块化的，程序编写相对轻松。所以在本课题中将采用方案二进行系统设计。1.2.2. 具体设计方案本文设计利用 ARM Cortex-M3 微处理器采集 8 路数据，根据上述设计要求，将系统划分为四个模块进行设计。最小系统模块采用 ARM Cortex-M3 架构的微控制器 STM32F103ZET 为主控 CPU，利用其内置 16 通道 ADC 对输入的多路直流电压信号进行实时采集和转换。 现场模拟电压输入信号，采用比例分压的方法，将 8 路模拟电压输入到最小系统处理。利用 CPU
16、 内置的 ADC1 中的 8 个转换输入通道，依次进行转换。设置 CPU 内部DMA 模块实现转换结果的存储。远程传输多路数据，利用 STM32 内置的 USART 将采集转换后的电压信号通过RS485 串口总线传输到主设备。LCD 显示模块，利用 STM32 官方提供的固件库函数，编写设计 LCD 界面。由于系统采集的数据通道较多，显示模块将通过三个界面对系统内容进行展示。第二、三界面为主界面，通过数据指示条、波形显示窗口以及数据显示框，对系统采集后的数据实时显示。根据系统设计方案的思想，可以了解到课题的总体设计结构，见图 1-1 所示。图 1-1 系统结构图第 5 页第 2 章 系统硬件设
17、计根据系统构成原理，硬件设计上由设备最小系统模块、数据采集模块、远程控制模块以及显示模块四个部分进行设计。在最小系统中通过选择相应的输入通道和转换通道，实现信号转换、采集和远程传输。第 2.1 节 最小系统设计按照 STM32 最小系统的设计规范和本系统的功能要求，最小系统构成如图 2-1 所示：图 2-1 最小系统根据图 2-1 的 STM32F03ZET6 最小系统图，STM32 功能强大，下面仅列出STM32F103ZET6 的核心资源参数，本课题设计研究主要用到以下模块 1：(1)、 内核：Cortex-M332-bitRISC；工作频率：72MHz，1.25DMIPS/MHz；工作电
18、压：2-3.6V；封装：LQFP144；存储资源：512KFlash，64KRAM（103Z 带 E 后缀的存储器最大） ；接口资源：3xSPI，5xUSART，2xI2S，2xI2C，1xFSMC，1xLCD，1xSDIO，1xUSB，1xCAN；模数转换：3xAD（12 位，1us，分时 21 通道） ，2xDA（12 位） ；调试下载：支持 JTAG/SWD 接口的调试下载，支持 IAP；(2)、 复位按键(3)、 用户按键(4)、 摇杆：便于 I/O 输入测试；上、下、左、右、按下，共 5 个状态。(5)、 FSMC+SPI 接口（FSMC-A+SPI）：方便接入 LCD+触摸屏模块。
19、(6)、 USART1 接口：方便接入 RS232、RS485、USBTO232 等模块。(7)、 USART2 接口；方便接入 RS232、RS485、USBTO232 等模块。(8)、 5V 与 3.3V 电源输入输出接口：常用于对外供电，或与用户板进行共地处理。第 6 页(9)、 MCU 引脚接口：引出所有引脚，方便与外设进行 I/O 连接。(10)、 下载与调试接口：支持 JTAG/SWD 接口的下载与调试。电源模块：CPU 为 3.3V 供电，最小系统的外部输入电源也为 3.3V。USART 串口通信接口模块：支持同步单向通信、半双工单线通信、全双工模式。具有用于多缓冲器配置的 DM
20、A 方式，可以实现高速数据通信。单独的发送器和接收器使能位，发送方为同步传输提供时钟。第 2.2 节 数据采集系统设计2.2.1. 现场模拟信号电路自制一 8 通道模拟现场电压信号电路，数据采集器 8 路输入 3.3V 直流电压，利用电阻分压的方法调整可变电阻改变阻值，获取电位器两端电压信号，通过 ADC 引脚输入到CPU 采集。在该电路中，随着电位器阻止变化，8 个通道的 AD 转换电压值在 01.00V之间变化。电路中电容是耦合电容，去除电源杂波干扰，使电路更加稳定，4.7K 电阻在电路中起到分压的作用。电路中的精度不做要求，能达到模拟现场数据信号的要求即可。电路图如图 2-3 所示。50
21、%47KR14.7kC13u3.VADC143%47KR24.7kC23u3.VADC250%47KR34.7kC33u3.VADC368%47KR44.7kC43u3.VADC453%47KR54.7kC53u3.VADC550%47KR64.7kC63u3.VADC645%47KR74.7kC73u3.VADC750%47KR84.7kC83u3.VADC8图 2-2 8 路模拟数据采集电路2.2.2. ADC 逐次逼近型模拟数字转换器采用逐次逼近法的 A/D 转换器是由一个比较器、D/A 转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图 2-24所示。第 7 页图 2-3 逐次比较工作原理基本
22、原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法 8转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 转换器，经 D/A 转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量 Vi 进行比较，若 VoVi，该位 1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为 1，将寄存器中新的数字量送D/A 转换器，输出的 Vo 再与 Vi 比较，若 VoVi，该位 1 被保留，否则被清除。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制
23、电路的控制下进行的。第 2.3 节 远程设备设计RS-485 总线的电气接口具有两种。一种是四线制接口，另一种是二线制的接口。本课题运用的是二线制的接口，可以实现半双工的通信，即任意时刻总线上只有一个设备处于发送数据状态 7。RS-485 总线传输速率最高可达 10Mbps，最大距离为 1300m，为了保证通信的可靠性和传输距离，传输速率一般不要设置太高，传输电缆采用带屏蔽的多芯铜双绞线 3。系统由一个主设备和一个从设备组成，主设备和从设备都采用STM32F103 芯片控制，主从设备的硬件结构框图如图 1-1 所示。它可以使 STM32 单片机USART 串口方便地接入到 RS485 总线网络
24、中，在硬件系统中外围模块如图 2-4 所示，其供电电源为 3.3V。RS485 接口电路图如图 2-5 所示。第 8 页图 2-4 RS485 外围模块图图 2-5 RS485 接口电路图第 2.4 节 LCD 显示模块系统中应用的显示模块式 3.2 寸的 LCD 触摸屏，其控制芯片是 SSD1289，触摸面板控制芯片是 XPT2046。液晶显示器(Liquid Crystal Display: LCD)的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。在 STM32 上开发 LCD 显示，可以有
25、两种方式来对 LCD 进行操作，一种是通过普通的 IO 口，连接 LCM 的相应引脚来进行操作，第 2 种是通过 FSMC 来进行操作。本系统是通过第 2 种方式对 LCD 进行操作。FSMC 是可变静态存储控制器的简称，STM32 系列中内部集成 256 KB 以上 FlaSh，后缀为 xC、 xD 和 xE 的高存储密度微控制器特有的存储控制机制。之所以称为“可变” ，是由于通过对特殊功能寄存器的设置，FSMC 能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度，从而使得 STM32 系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器，而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。
