基于ARM系統(tǒng)的AD多路采集控制

1、目錄1.引言12.硬件概述22.1stm32功能特性概述22.2 stm32時鐘電路2 2.3 stm32復(fù)位電路33 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計3 3.1 系統(tǒng)設(shè)計要求33.2 系統(tǒng)設(shè)計方案44 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計44.1 最小系統(tǒng)的設(shè)計44.2 stm32f103系列規(guī)格說明44.3 stm32f103rbt6處理器64.4 電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計75 系統(tǒng)調(diào)試及軟件設(shè)計85.1 最小系統(tǒng)板調(diào)試85.2 系統(tǒng)整體調(diào)試86 總結(jié)10參考文獻11附錄12基于arm系統(tǒng)的ad多路采集控制摘要：設(shè)計了一個基于arm芯片的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對路數(shù)據(jù)的采集，信號的采集方式可以是單路采集也可以是多

2、路循環(huán)采集，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的變化。數(shù)據(jù)采集的結(jié)果以數(shù)字的形式在串口助手窗口顯示。經(jīng)軟硬件綜合調(diào)試，驗證了方案的可行性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；arm；ad轉(zhuǎn)換；stm1.引言數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將采集傳感器輸出的溫度、壓力、流量、位移等模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，進行相應(yīng)的計算存儲和處理;同時，可將計算所得的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)測和控制。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心是各種類型的嵌入式處理器。目前，采用arm技術(shù)的微處理器占據(jù)了主流，其應(yīng)用遍

3、及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、dsp、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線移動應(yīng)用等各類產(chǎn)品市場。而 arm微處理器的cortex系列專為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計。其中，cortex-m3適于高性能、低成本需求的嵌入式應(yīng)用。2.硬件概述2.1stm32功能特性概述 stm32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的arm cortex -m3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：stm32f103“增強型”系列和stm32f101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72mhz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36mhz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)

4、品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32k到128k的閃存，不同的是sram的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72mhz時，從閃存執(zhí)行代碼，stm32功耗36ma，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5ma/mhz。圖 1 stm32b2m103xx2.2 stm32時鐘電路rtc是stm32的脈搏，是單片機的驅(qū)動源。使用任何一個外設(shè)都必須打開相應(yīng)的時鐘。這樣的好處就是，如果不使用一個外設(shè)的時候，就把它的時鐘關(guān)掉，從而可以降低系統(tǒng)的功耗，打到節(jié)能，實現(xiàn)低功耗的效果。stm32的時鐘可以由以下3個時鐘源提供：1、 hsi：高速內(nèi)部時鐘信號stm32單片機內(nèi)帶的時鐘（8m頻率）精度較差。2、 h

5、se：高速外部時鐘信號精度高，來源（1）hse外部晶振/陶瓷諧振器（晶振）； （2）hse用戶外部時鐘。3、 lse：低速外部晶體32.768khz，主要提供一個精確地時鐘源，一般作為rcc時鐘使用。 圖2 晶振電路2.3 stm32復(fù)位電路我在該設(shè)計中使用了手動復(fù)位和上電自動復(fù)位組合電路，復(fù)位開關(guān)通過復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號的優(yōu)點是信號的波形比較好，復(fù)位電路可以去掉開關(guān)的抖動。 圖3 復(fù)位電路3 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計3.1 系統(tǒng)設(shè)計要求本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求實現(xiàn)多路直流電壓的實時采集和順序轉(zhuǎn)換。經(jīng)過部分采集處理后，由串行數(shù)據(jù)總線將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機界面，經(jīng)過換算，以檢測采集的電源正常與否

6、;同時在輸出端產(chǎn)生4路數(shù)字信號，以用作輸出測試與控制。3.2 系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)上述設(shè)計要求和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，將系統(tǒng)劃分為兩個部分：最小系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。最小系統(tǒng)采用基于arm cortex-m3架構(gòu)的微控制器stm32f103rbt6為主控cpu，利用其內(nèi)置16通道adc對輸入的多路直流電壓信號進行實時采集和轉(zhuǎn)換，內(nèi)置外設(shè)usart將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過串口發(fā)送在pc端由串口調(diào)試助手顯示。 采集系統(tǒng)采用4路直流電壓的采集，采用比例分壓的方法，利用排阻進行采集電壓的比例轉(zhuǎn)換，以達到adc轉(zhuǎn)換的參考基準電壓要求。電壓信號的輸入采用比例分壓的方法，將4路模擬電壓利用串口通信輸入到最小系統(tǒng)進行處理。電壓

7、信號經(jīng)過采集板，級聯(lián)輸入到最小系統(tǒng)板中，利用cpu內(nèi)置adcl中的10個轉(zhuǎn)換輸入通道，依次進行轉(zhuǎn)換。設(shè)置cpu_內(nèi)部dma模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲，利用串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在上位機顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成原理，硬件設(shè)計上，最小系統(tǒng)和采集系統(tǒng)兩部分通過并行接口實現(xiàn)多塊板級聯(lián)，通過選擇相應(yīng)的輸入通道和轉(zhuǎn)換通道，實現(xiàn)信號采集和轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示。最小系統(tǒng)中，采用stm32f103rbt6微控制器，工作頻率可達72mhz，內(nèi)置2個12位adc，16個外部模擬信號輸入通道，可達1 u s轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換范圍是o3.6v;支持7個dma通道，可操作多種通用外設(shè)，如定時器、adc、usart

8、等;內(nèi)置3個同步16位定時器。4.1 最小系統(tǒng)的設(shè)計按照stm32最小系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范和本系統(tǒng)的功能要求，最小系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示：電源模塊外圍電路模塊系統(tǒng)復(fù)位adc通道輸入cpustm32f103kbt6 usart串行通信圖4 最小系統(tǒng)設(shè)計框圖電源模塊：cpu為3.3v供電，最小系統(tǒng)外部輸入電源為5v，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片lm1117-3.3獲得3.3v輸出電壓，以提供系統(tǒng)電源。電源的輸入輸出端并接濾波電容，分別濾除電源的高頻和低頻噪聲。 usart串行通信接口模塊：支持同步單向通信、半雙工單線通信、和全雙工模式。具有用于多緩沖器配置的dma方式，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。單獨的發(fā)送器和接收器使能位，

9、發(fā)送方為同步傳輸提供時鐘。10個帶標志的中斷源。除此之外還有外部時鐘，復(fù)位系統(tǒng)，adc參考電壓，jtag調(diào)試接口的設(shè)計。4.2 stm32f103系列規(guī)格說明stm32f103系列使用高性能的arm cortex-m3 32位的risc內(nèi)核，工作頻率為72mhz，內(nèi)置高速存儲器，具有豐富的增強型i/o端口和連接到兩條高性能的外設(shè)總線的外設(shè)。stm32f103系列都至少包含2個12位的adc、1個高級定時器、3個通用16位定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個ic、2個spi同步串行接口、3個usart異步串行接口、1個usb全速接口和一個can接口。i/o翻轉(zhuǎn)速度可達18mhz。 stm32

10、f103系列中等容量增強型系列產(chǎn)品供電電壓為2.0v至3.6v，包含-40至+85溫度范圍。一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。stm32f103系列中等容量系列產(chǎn)品提供包括從36腳至100腳的6種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，期間中的外設(shè)配置不盡相同。下面給出該系列產(chǎn)品中的產(chǎn)品功能和外設(shè)配置一覽表，如表（1）所示：表1 stm32f103系列中等容量產(chǎn)品功能和外設(shè)配置4.3 stm32f103rbt6處理器電壓調(diào)壓器調(diào)壓器有三個操作模式：主模式、低功耗模式和關(guān)斷模式（1） 主模式用于正常的運行操作（2） 低功耗模式用于cpu的停機模式（3） 關(guān)斷模式用于cpu的待機模式：調(diào)壓器的輸出為

11、高阻狀態(tài)，內(nèi)核電路 的供電切斷，調(diào)壓器處于零消耗狀態(tài) 該調(diào)壓器在復(fù)位后始終處于工作狀態(tài)，在待機模式下關(guān)閉處于高阻輸出。adc(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)stm32f103xx增強型產(chǎn)品內(nèi)嵌2個12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，每個adc共用多達13個外部通道，可以實現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換。在掃描模式下，自動進行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。adc接口上的其它邏輯功能包括：（1） 同步的采樣和保持（2） 交叉的采樣和保持（3） 單次采樣adc可以使用dma操作模擬看門狗功能允許非常精準的監(jiān)視一路、多路或所有選中的通道，當被監(jiān)視的信號超出預(yù)置的閾值時，將產(chǎn)生中斷。由標準定時器和高級控制定時器產(chǎn)生的事件，可以分別內(nèi)部級聯(lián)

12、到adc的開始觸發(fā)和注入觸發(fā)，應(yīng)用程序能使ad轉(zhuǎn)換與時鐘同步。通用輸入輸出接口（gpio）stm32f103rbt6處理器具有51個多功能雙向5v兼容的i/o口，使用時可以作為通用gpio口，也可作為復(fù)用afio口。復(fù)用i/o中，本系統(tǒng)外設(shè)所使用的有：定時器4通道四tim4-ch4復(fù)用pb9口;usart1引腳usart1-tx、usart1-rx復(fù)用pa9、pa10：adc 轉(zhuǎn)換通道ch0ch9分別復(fù)用pa0pa7及pb0、pb1。對于復(fù)用功能的端口可以配置成以下模式：輸入模式(浮空、上拉或下拉)或復(fù)用功能輸出模式，此時輸入驅(qū)動器被配置成浮空輸入模式。adc通道端口用作adc輸入時將對應(yīng)端口

13、配置為模擬信號輸入模式;usart數(shù)據(jù)傳輸時，tx、rx復(fù)用端口分別配置為備用功能推拉模式和輸入浮動模式。通用定時器（timx）stm32f103xx增強型產(chǎn)品中，內(nèi)置了多達3個可同步運行的標準定時器（tim2、tim3和tim4）。每個定時器都有一個16位的自動加載遞加/遞減計數(shù)器、一個16位的預(yù)分頻器和4個獨立的通道，每個通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、pwm和單脈沖模式輸出，在最大的封裝配置中可提供最多12個輸入捕獲、輸出比較或pwm通道。它們還能通過定時器鏈接功能與高級控制定時器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。在調(diào)試模式下，計數(shù)器可以被凍結(jié)。任一標準定時器都能用于pwm輸出。每個定時

14、器都有獨立的dma請求機制。4.4 電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計 電壓采集系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的第二部分，主要實現(xiàn)多路電壓信號順序選擇輸入，獲得adc采集端的輸入電壓信號，并能選擇不同的adc通道，以實現(xiàn)4路電壓信號采集與最小系統(tǒng)板級聯(lián)。本部分主要包括電壓采集模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊、以及輸入輸出接口等。電壓采集模塊：電路中采用電阻比例分壓的方法，獲取輸入電壓信號，以達到cpu采集轉(zhuǎn)換的基準電壓的要求。在實際硬件設(shè)計中，采用比例阻值的排阻代替分離電阻以便于電路板的繪制和整體布局。數(shù)據(jù)選擇模塊：采用16選1輸出的模擬開關(guān)cd4067作為數(shù)據(jù)選擇器，輸出控制由cpu四個端口輸入高低電平作為二進制組合以確定輸出的數(shù)據(jù)通道

15、。輸入輸出接口：本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和最小系統(tǒng)兩部分采用40針排線連接，各個采集板上可以同時選擇兩個不同的通道，級聯(lián)后各板將數(shù)據(jù)選擇器的輸出信號送至相應(yīng)的adc轉(zhuǎn)換通道。5 系統(tǒng)調(diào)試及軟件設(shè)計設(shè)計并加工好外圍印刷電路板后，開始硬件和軟件的調(diào)試。調(diào)試過程中采用逐個功能單元調(diào)試，一個功能單元調(diào)試正常后再調(diào)試下一功能模塊，確保電路板出問題時可以很快發(fā)現(xiàn)問題點，再將各功能單元組合設(shè)置，逐步完成軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計要求。系統(tǒng)調(diào)試所使用的開發(fā)環(huán)境為mdk，仿真工具為st-linkii，使用usb接口。5.1 最小系統(tǒng)板調(diào)試將電源模塊、復(fù)位、外部晶振焊到電路板上，組成最小系統(tǒng)，分模塊，分步驟，調(diào)試系統(tǒng)

16、各部分。加電調(diào)試前檢測是否有電源短路，確保電路安全。電源模塊：電路外部輸入電壓為5v，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后在lmlll7-3.3v輸出端得到3.3v的輸出。加電后，首先通過萬用表測量電壓輸出是否正確，然后通過示波器觀察輸出電平的波形是否滿足系統(tǒng)對電源精度的要求，如不滿足，可以通過加大濾波電容的方法解決。最小系統(tǒng)供電正常后，連接仿真器，通過軟件平臺可以檢測到最小系統(tǒng)cpu，表明cpu焊接正常。調(diào)試過程中會用到外部晶振，需要檢測晶振電路，將系統(tǒng)上電，使用示波器檢測晶振管腳，觀察波形，看晶振是否起振。然后編寫一個簡單的led測試程序來觀察cpu是否能正常工作，通過軟件設(shè)置電路中l(wèi)ed連接的 i/o端口(pb

17、6)輸出模式，觀察是否有閃爍。dma調(diào)試：dma用來提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。dma通道配置包括：設(shè)置外設(shè)寄存器、數(shù)據(jù)存儲器的基地址，確定數(shù)據(jù)量和通道優(yōu)先級，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、循環(huán)模式、外設(shè)和存儲器的增量模式等。adc1對應(yīng)dma通道1請求，adc通道配置中使能dma請求。dma可以用于主要的外設(shè)：spi、ic、usart、通用、基本和高級控制定時器tim和adc。 除此之外還有usart調(diào)試、adc調(diào)試等。5.2 系統(tǒng)整體調(diào)試最小系統(tǒng)板各功能單元調(diào)試通過后，將最小系統(tǒng)板與數(shù)據(jù)采集板級聯(lián)進行系統(tǒng)整體調(diào)試。 系統(tǒng)調(diào)試主要包括：外設(shè)和系統(tǒng)時鐘初始化，gpio初始化，us

18、art初始化和adc、定時器初始化及adc通道設(shè)置和串口收發(fā)配置等。系統(tǒng)調(diào)試流程如圖5所示：rcc初始化nvic初始化gpio初始化adc初始化dma初始化uxart初始化信號自動采集等待一次采樣完成傳輸結(jié)束串口傳送數(shù)據(jù)軟件自動adc結(jié)束開始圖5 整體流程圖圖6 串口顯示按照上述流程完成程序設(shè)計，編譯、鏈接、運行，觀察輸入輸出情況。打開串口調(diào)試助手，在數(shù)據(jù)接收區(qū)內(nèi)以十六進制依次顯示經(jīng)過adc所獲得的輸入信號的轉(zhuǎn)換結(jié)果，圖中顯示了4路采樣輸出后的電壓值。調(diào)節(jié)滑動變阻器，可以串口助手窗口看到輸出電壓值的變化。電路能夠正常工作，且軟件調(diào)試成功，實現(xiàn)了設(shè)計要求。證明外圍電路的設(shè)計思路正確，軟件編程正確

19、，能夠滿足設(shè)計要求的需要。6 總結(jié)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用微處理器stm32f103rbt6內(nèi)置的16路adc通道、dma控制器、usart通信接、定時器等豐富的外設(shè)資源，在系統(tǒng)實現(xiàn)上簡化了相關(guān)模塊的設(shè)計，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。經(jīng)過系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件配置實現(xiàn)順序采集轉(zhuǎn)換輸入的多路電壓信號，并利用上位機界面顯示采集的信號，實現(xiàn)了輸入信號的實時監(jiān)測和管理，達到了系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。在本次實習活動中，不僅需要動手也需要動腦，是軟件與硬件的結(jié)合。在外圍電路的制作過程中，使我們詳細的了解的電路的制作過程。增強的我們的動手能力。軟件的編寫過程，是對我們以前學過的嵌入式知識的總結(jié)與進一步提高。讓我們對軟件編

20、程有了更深一步的體會。參考文獻1 田澤. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程m . 北京:北京航空航天大學出版社,2005.3 2 周立功. arm 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程m . 北京:北京航空航天大學出版社,2005. 3 吳明暉. 基于arm 的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用m . 北京:人民郵電出版社,2004. 4 朱永宏，馬梅方，梅杓春.國外電子測量技術(shù). 維普資訊網(wǎng) 第2期,2008 附錄1多路采樣外圍電路2采樣外圍電路圖3 軟件程序（1）主程序* 文件名 ：main.c * 描述 ：用3.5.0版本建的工程模板。 * 實驗平臺：野火stm32開發(fā)板 * 庫版本 ：st3.5.0 * 作者 ：wildfi

21、re team * 論壇 ：/forum-1008-1.html * 淘寶 ：*/#include stm32f10x.h#include usart1.h#include adc.hextern _io u16 adc_convertedvalue;/ 局部變量，用于存從flash讀到的電壓值 float adc_convertedvaluelocal4; int i;/ 軟件延時void delay(_io u32 ncount) for(; ncount != 0; ncount-);/* * 函

22、數(shù)名：main * 描述 : 主函數(shù) * 輸入 ：無 * 輸出 : 無 */int main(void)systeminit(); /* usart1 config */usart1_config();/* enable adc1 and config adc1 to dma mode */adc1_init();printf(rn -這是一個adc實驗-rn); while(1)while(usart_getflagstatus(usart1,usart_flag_txe)=reset);/等待傳輸完成否則第一位數(shù)據(jù)容易丟失 for(i=0;idr; /dma_initstructure.dma_memorybaseaddr = (u32)&ad_value; /dma內(nèi)存基地址 dma_initstructure.dma_dir = dma_dir_peripheralsrc; dma_initstructure.dma_buffersize = 5; dma_initstructur