基于STM32的多路模拟量数据采集设计Word格式文档下载.docx
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数据采集，STM32，模数转换
TheDesignofMulti-channelDataAcquisitionSystemBasedonSTM32
ABSTRACT
ThispaperintroducesthehardwaredesignandsoftwaredesignofdataacquisitionbasedonSTM32.Thedataacquisitionsystemisanindispensablelinkbetweenanaloganddigitaldomains.Itplaysaveryimportantrole.Thefocusofthisarticleisthedataacquisitionsystem,andthefocusofthehardwarepartofthesystemisthesingle-chipmicrocomputerchip.DatacollectionandcommunicationcontroluseamodulardesignanduseSTM32MCUtorealizethemsleves.Thehardwarepartisasingle-chipmicrocomputerasthecore,anditalsoincludesadisplaymoduleandtheserialinterface.ThesystemisdirectlycontrolledbytheprogramSTM32chip.Three-measuredvoltageusesadedicatedDMAchanneldataacquisitionandthedatatransmissiontogettheSTM32built-inADCanalogdigitalconversionmodule,anditrealizesthedataacquisitionthroughthedigitalconversion,andconvertsthedatathroughtheSTM32,GPIOtocontrolLCDscreenanddisplaythecollectedresults.SoftwarepartoftheapplicationofCsoftwareusethedataacquisitionsystem,analogdigitalconversionsystem,datadisplay,anddatacommunicationsandotherprocedurestodesign.
Keywords:
dataacquisition,STM32,ADC
1绪论
1.1研究背景及其目的意义
近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。
大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。
从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。
20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。
这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。
20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。
数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。
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，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，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。
1.2国内外研究现状
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。
它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。
各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。
近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。
该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。
该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：
（1）传感器：
利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；
（2）计算机接口：
将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；
（3）软件：
中文及英文的应用软件。
受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。
如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。
本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
1.3该课题研究的主要内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。
它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机（如IBMPC系列）使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到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,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于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.
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。
在现代信号处理系统中，多通道数据采集系统广泛应用于各种商用以及工业领域中，随着信号处理系统计算量的增加，一个高速稳定的信号采集系统对于后续的数字信号处理有着重要的意义。
同时，这些信号之间是相互关联的，需要进行相关分析，这就需要同步采集多通道信号，并能准确无误存储。
现有的多数采集系统，只能循环采集多路信号，不能实时同步采集，无法对多通道信号进行相关信息的分析，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了传统采集系统的不足。
2数据采集系统设计
2.1数据采集系统
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。
原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。
由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。
在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：
分辨率、转换时间、转换误差等等。
而STM32单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制、数据传输、数据转换等一系列的任务，然后通过控制液晶屏显示。
数据采集系统不仅需要硬件设置，还需要软件的相应配置才能调试好硬件，是系统正常工作。
硬件电路的调试与硬件设计和软件配置息息相关。
在硬件设计时必须确保所有的元器件都设计正确后方可把元器件焊接上进行调试。
软件配置和硬件调试基于KeiluVision5软件。
系统硬件包括电源电路、串口电路、液晶屏显示、数据采集电路等。
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统框图
2.2方案论证
2.2.1A/D模数转换
ADC的开关控制，通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位可给ADC上电。
当第一次设置ADON位时，它将ADC从断电状态下唤醒。
ADC上电延迟一段时间后（tSTAB），再次设置ADON位时开始进行转换。
通过清除ADON位可以停止转换，并将ADC置于断电模式。
在这个模式中，ADC几乎不耗电（仅几个μA）。
由时钟控制器提供的ADCCLK时钟和PCLK2（APB2时钟）同步。
RCC控制器为ADC时钟提供一个专用的可编程预分频器。
ADC通道的选择上有16个多路通道。
可以把转换组织成两组：
规则组和注入组。
在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换。
例如，可以如下顺序完成转换：
通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。
规则组由多达16个转换组成。
规则通道和它们的转换顺序在ADC_SQRx寄存器中选择。
规则组中转换的总数应写入ADC_SQR1寄存器的L[3:
0]位中。
注入组由多达4个转换组成。
注入通道和它们的转换顺序在ADC_JSQR寄存器中选择。
注入组里的转换总数目应写入ADC_JSQR寄存器的L[1:
如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在转换期间被更改，当前的转换被清除，一个新的启动脉冲将发送到ADC以转换新选择的组。
在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。
此模式可通过外部触发启动或通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位启动，此时CONT位是1。
每个转换后：
（1）如果一个规则通道被转换：
（a）转换数据被储存在16位的ADC_DR寄存器中
（b）EOC（转换结束）标志被设置
（c）如果设置了EOCIE，则产生中断。
（2）如果一个注入通道被转换：
（a）转换数据被储存在16位的ADC_DRJ1寄存器中
（b）JEOC（注入转换结束）标志被设置
（c）如果设置了JEOCIE位，则产生中断。
2.2.2DMA采集
直接存储器存取（DMA）用来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的资源来做其他操作。
两个DMA控制器有12个通道（DMA1有7个通道，DMA2有5个通道），每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。
还有一个仲裁器来协调各个DMA请求的优先权。
DMA控制器和Cortex™M3核心共享系统数据总线，执行直接存储器数据传输。
当CPU和DMA同时访问相同的目标（RAM或外设）时，DMA请求会暂停CPU访问系统总线达若干个周期，总线仲裁器执行循环调度，以保证CPU至少可以得到一半的系统总线（存储器或外设）带宽。
DMA的主要特性：
（a）12个独立的可配置的通道（请求）：
DMA1有7个通道，DMA2有5个通道。
（b）每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求，每个通道都同样支持软件触发。
这些功能通过软件来配置。
（c）在同一个DMA模块上，多个请求间的优先权可以通过软件编程设置（共有四级：
很高、高、中等和低），优先权设置相等时由硬件决定（请求0优先于请求1，依此类推）。
（d）独立数据源和目标数据区的传输宽度（字节、半字、全字），模拟打包和拆包的过程。
源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。
（e）支持循环的缓冲器管理。
（f）每个通道都有3个事件标志（DMA半传输、DMA传输完成和DMA传输出错），这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求。
（g）存储器和存储器间的传输。
（h）外设和存储器、存储器和外设之间的传输。
（i）闪存、SRAM、外设的SRAM、APB1、APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标。
（j）可编程的数据传输数目：
最大为65535。
2.2.3显示部分
液晶显示屏（LCD）用于数字型钟表和许多便携式计算机的一种显示器类型。
LCD显示使用了两片极化材料，在它们之间是液体水晶溶液。
电流通过该液体时会使水晶重新排列，以使光线无法透过它们。
因此，每个水晶就像百叶窗，既能允许光线穿过又能挡住光线。
液晶显示器（LCD）目前科技信息产品都朝着轻、薄、短、小的目标发展，在计算机周边中拥有悠久历史的显示器产品当然也不例外。
在便于携带与搬运为前题之下，传统的显示方式如CRT映像管显示器及LED显示板等等，皆受制于体积过大或耗电量甚巨等因素，无法达成使用者的实际需求。
而液晶显示技术的发展正好切合目前信息产品的潮流，无论是直角显示、低耗电量、体积小、还是零辐射等优点，都能让使用者享受最佳的视觉环境。
本次设计采用的为TFT型液晶屏,TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。
首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是荧光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。
然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。
因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。
本系统采用的显示屏由程序控制，从载有字库的SD卡加载字库后可直接使用，方便有效而且快捷简单，不易出错。
3硬件部分设计
3.1芯片介绍
3.1.1STM32概况
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
按内核架构分为不同产品：
其中STM32F1系列有：
STM32F103“增强型”系列
STM32F101“基本型”系列
STM32F105、STM32F107“互联型”系列
增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；
基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前，意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列；
新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。
内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。
新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合STM32平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。
截至2010年7月1日，市面流通的型号有：
基本型：
STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8、STM32F101RB、STM32F101VB
增强型：
STM32F103C8、STM32F103R8、STM32F103V8、STM32F103RB、STM32F103VB、STM32F103VE、STM32F103ZE
STM32型号的说明：
以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例，该型号的组成为7个部分，其命名规则如表3-1：
表3-1STM32命名表
1
STM32
STM32代表ARMCortex-M内核的32位微控制器。
2
F
F代表芯片子系列。
3
103
103代表增强型系列。
4
R
R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚，I代表176脚。
5
B
B这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash，G代表1M字节Flash。
6
T
T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。
7
6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃。
3.1.2STM32历史
意法半导体
（STMicroelectronics）集团于1987年6月成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。
1998年5月，SGS-THOMSONMicroelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司,意法半导体是世界最大的半导体公司之一。
从成立之初至今，ST的增长速度超过了半导体工业的整体增长速度。
自1999年起，ST始终是世界十大半导体公司之一。
据最新的工业统计数据，意法半导体（STMicroelectronics）是全球第五大半导体厂商，在很多市场居世界领先水平。
例如，意法半导体是世界第一大专用模拟芯片和电源转换芯片制造商，世界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商，而且在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居世界前列。
意法半导（STMicroelectronics）整个集团共有员工近50000名，拥有16个先进的研发机构、39个设计和应用中心、15主要制造厂，并在36个国家设有78个销售办事处。
公司总部设在瑞士日内瓦，同时也是欧洲区以及新兴市场的总部；
公司的美国总部设在德克萨斯州达拉斯市的卡罗顿；
亚太区总部设在新加坡；
日本的业务则以东京为总部；
中国区总部设在上海，负责香港、大陆和台湾三个地区的业务。
STM32L系列产品基于超低功耗的ARMCortex-M4处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术：
130nm专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。
该系列属于意法半导体阵容强大的32位STM32微控制器产品家族，该产品家族共有200余款产品，全系列产品共用大部分引脚、软件和外设，优异的兼容性为开发人员带来最大的设计灵活性。
STM32F0系列产品基于超低功耗的ARMCortex-M0处理器内核，整合增强的技术和功能，瞄准超低成本预算的应用。
该系列微控制器缩短了采用8位和16位微控制器的设备与采用32位微控制器的设备之间的性能差距，能够在经济型用户终端产品上实现先进且复杂的功能。
3.1.3系统作用
集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARMCortex-M3内核。
和8/16位设备相比，ARMCortex-M332位RISC处理器提供了更高的代码效率。
STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。
嵌入式Flash存储器和RAM存储器：
内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。
多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。
可变静态存储器（FSMC）：
FSMC嵌入在TM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持四种模式：
Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。
3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。
没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。
嵌套矢量中断控制器（NVIC）：
可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。
紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧
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