摘要：在現(xiàn)代工業(yè)控制" title="工業(yè)控制">工業(yè)控制中利用計算機進行高速數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集已成為其重要組成部分,，但是僅靠單片機等進行工業(yè)控制還存在著不完善的地方,。為此提出基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集方法,，并根據(jù)目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,，選定ARM7" title="ARM7">ARM7芯片STM32F103VBT6作為主控芯片,，給出系統(tǒng)框圖并設(shè)計了前端調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路,、調(diào)試電路,。采用Linux操作系統(tǒng)，在Linux平臺上進行了應(yīng)用程序設(shè)計,。實踐表明,，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),；嵌入式系統(tǒng)；ARM,；Linux

0 引言
    在工業(yè)測量控制領(lǐng)域,，需要獲取大量的實時現(xiàn)場參數(shù)，由于環(huán)境惡劣復(fù)雜多變,，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多為工控機來完成,，但工控機體積大、功耗大,，可靠性較差,、安裝不方便同時成本也不低,。另外還有專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨立工作,，利用DSP(數(shù)字信號處理器)和MCU(微控制器)完成,。缺點是價格很高，人機交互能力差,。嵌入式處理器的高速發(fā)展有效地彌補了工控機的不足,，尤其是ARM處理器。它不僅集合上述采集系統(tǒng)的優(yōu)點,，克服了其缺點，同時還加入了一些新的功能,，新的特性,。新功能新特性的加入，又進一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域,，應(yīng)用范圍,，能針對不同的需求，具有很大的靈活性,。
    該方案采取ARM處理器來實現(xiàn),，ARM處理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外設(shè),，相比傳統(tǒng)控制器如單片機更強大的性能是其主要特點?，F(xiàn)今的ARM處理器性能已經(jīng)具備處理簡單的信號處理的能力，在系統(tǒng)設(shè)計中采用ARM處理器無疑能從各個方面受益,，包括性能,、功能、成本,、功耗等各個方面,。

1 系統(tǒng)土作原理、硬件設(shè)計
    該課題研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的數(shù)據(jù)采集硬件平臺和基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件平臺,，開發(fā)了一個集嵌入式控制,、高速數(shù)據(jù)采集、實時處理及友好人機交互界面于一體的平臺,，能對現(xiàn)場信號進行高速采集,、處理與顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要包括：前端調(diào)理模塊,，A／D轉(zhuǎn)換模塊,、微處理器主模塊、人機接口單元,。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

1．1 信號調(diào)理模塊
    信號調(diào)理模塊對傳感大過來的信號進行調(diào)理,，通過信號調(diào)理的隔離、放大,、濾波等,，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善。設(shè)計合適的信號調(diào)理電路,，不但要考慮信號調(diào)理本身的內(nèi)容,，還要考慮信號調(diào)理電路的應(yīng)用環(huán)境以及被測參數(shù)所代表的意義。
1．2 ARM處理器
    多任務(wù)系統(tǒng)中,，內(nèi)核負責(zé)管理各個任務(wù),，或者說為每個任務(wù)分配CPU。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺搭建的第一步就是做好ARM核的選擇,，ARM體系的各種系列如ARM7,，ARM9等分別針對不同的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場合。
    該系統(tǒng)采用基于32位的ARM Cortex-M3處理器STM32F103VBT6作為主控芯片,，它具有非常豐富的片內(nèi)資源,，例如實時時鐘(RTC)、定時器(TIM),、通用I／O接口(GPIO),、DMA控制器、A／D轉(zhuǎn)換器,、USART接口,、I2C接口、SPI接口和CAN總線接口還包括20 kB的片內(nèi)SRAM,，128 KB的片內(nèi)FLASH以及一個支持USB 2．O規(guī)范的全速USB外圍設(shè)備等,，它是整個系統(tǒng)的主控單元，協(xié)調(diào)其它模塊完成數(shù)據(jù)采集,、存儲,、處理、控制,、傳輸?shù)榷囗椆δ堋?/p>

1．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
    衡量一個采集系統(tǒng)性能的重要指標是它的采樣速度和采樣精度,，因此A／D芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的最重要的器件之一，對于模擬信號的數(shù)據(jù)采集,，不僅要考慮如何與前端信號調(diào)理部分和后端信號處理部分的配合問題,，還要考慮數(shù)據(jù)采集本身的一些要求。也就是說,，不僅要考慮模擬輸入的相關(guān)參數(shù),、測量系統(tǒng)的信號類型和連接方式、采樣方式等方面,，同時還要考慮采集模塊如何與后面的微處理器模塊相連接的問題,。目前市面上A／D轉(zhuǎn)換器的品種較多,，每種芯片具有不同的控制方式和應(yīng)用條件。對于一般的工業(yè)采集系統(tǒng)在保證精度和速度的條件下,，要盡量提高采樣速度,，以滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求,。通常選擇逐次逼近型或并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器,。該系統(tǒng)使用TI公司的16位高速采樣模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS8317，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的快速轉(zhuǎn)換,。
    ADS8317的電源電壓從2．7～5．5 V,，在全速工作時僅需要很少的電流，而在低速工作時,，能使高速器件絕大部分時間處于關(guān)斷模式,，從而使在10 kHz數(shù)據(jù)速率時的平均功耗小于0．2 mW。器件廣泛應(yīng)用在以電池為能源的系統(tǒng),，遠程數(shù)據(jù)采集，單獨的數(shù)據(jù)采集,，工業(yè)控制,，機器人以及震動分析和多通道系統(tǒng)的同時采樣。該系統(tǒng)選用了兩個多路復(fù)用器MPC506,，從它的OUT端輸出的信號到ADS8317進行A／D轉(zhuǎn)換的電路如圖2所示,。

1．4 調(diào)試接口電路
    STM32F103VBT6作為主控芯片具有一個符合IEEE STDll49．1-1990標準的20PIN的JTAG調(diào)試接口，通過這個接口可以控制芯片的運行并獲取內(nèi)部信息,。該系統(tǒng)通過JTAG接口進行程序調(diào)試燒寫程序到FLASH中,，它連接了STM32F103VBT6內(nèi)部的5根信號線TD1，TMS,，TCK,，TD0，NRESE-T,，其中4根是輸入,，分別外接了上拉電阻，保證信號的可靠傳輸,。NRESET為內(nèi)部JTAG接口電路的復(fù)位引腳,，通過1 kΩ電阻連接系統(tǒng)復(fù)位信號就可以使用MULTI-ICE仿真器進行調(diào)試。電路如圖3所示,。

2 軟件設(shè)計
    對嵌入式系統(tǒng)而言,，其軟件設(shè)計與硬件平臺密切相關(guān)，硬件環(huán)境的不同,，會影響操作系統(tǒng)的選擇,，硬件方案確定之后,，操作系統(tǒng)的選擇就相對輕松了。
    選擇嵌入式操作系統(tǒng)類型時,，除了經(jīng)濟成本,，主要考慮的是它們的性能評價指標，此外還有這樣一些要素：對開發(fā)工具如編譯器,、鍵接器,、調(diào)試器等的支持程度；可移植性及移植的難度,；內(nèi)存是否支持MMU,；是否具有可剪裁性，是否支持用戶自定制能力,；實時性能優(yōu)劣及網(wǎng)絡(luò)功能是否強大等,，也是我們要重點考慮的。
    目前,，開放源代碼的免費軟件Linux操作系統(tǒng),，已成為用得最多的軟實時嵌入式操作系統(tǒng)，這源于其獨有的特點和優(yōu)勢：開發(fā)成本低,、內(nèi)核可定制,、完善的集成開發(fā)環(huán)境、可移植性好,。本系統(tǒng)采用的是Linux操作系統(tǒng),，在Linux平臺上進行了應(yīng)用程序設(shè)計，流程圖如圖4所示,。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)采用ARM7開發(fā)設(shè)計,，具有精度高、運行穩(wěn)定,、實時性好,、抗干擾能力強、性價比高的特點,，可以在各種工業(yè)場合中廣泛應(yīng)用,。
    采用基于ARM7的嵌入式微處理器，可以使系統(tǒng)小型化,，便于提高性能以及與各種外設(shè)連接擴展,，同時降低了成本，且在具體應(yīng)用穩(wěn)定可靠,。