数据采集系统设计.docx

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1、数据采集系统设计 摘 要：设计一种基于STM32和CPLD的数据采集系统，实现现场数据的采集、传输、显示和存储。数据采集过程由CPLD限制，采纳Verilog HDL语言设计输入通道选通和A/D采集限制程序，进行数据的滤波、放大、转换，实现多通道数据的采集；在STM32中实现数据处理、传输，并在PC机中开发上层数据管理软件，实现数据的显示、存储。系统可实现多通道数据采集实时显示的要求，电路设计方法简洁、牢靠性高，能满意实际应用的要求。 关键词：STM32; CPLD; 实时数据; 数据管理 中图分类号：TN730-34； TP212 文献标识码：A 文章编号：1014-373X(2022)01

2、-0157-03 Design of data acquisition system CAI Chang, QI Wen-jun, NONG Deng, LI Lin, ZHOU Nan (GuangZhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou 510650, China) Abstract： A data acquisition system was designed based on STM32 and CPLD to realize acquisition, transport, display and storage

3、of on-line data. The sampling process was controlled by the CPLD to realize multi-channel data acquisition. Verilog HDL language was adopted in this system, two modules were designed by the programmer, including input channel connection module and A/D acquisition module, so as to realize filtering,

4、amplifying and converting of on-line data. The data was processed and transformed by STM32. The upper software of data management was developed in PC to realize the displaying and storage of data. It has been found that the system can meet the real-time display requirement of multi-channel data acqu

5、isition. The system circuit design method is simple and reliable. It meets the requirement of practical application. Keywords： STM32; CPLD; real-time data; management of data 收稿日期：2022-07-28 0 引 言 随着自动限制和计算机技术的成熟和发展，以及它们和传统工业的结合，加工设备的自动化程度有了大幅度的提高，各种限制设备与限制技术得到了广泛应用，大大提高了加工制造的效率，当然这种高效的生产对检测量的精确性和实时

6、性也提出了更高的要求，而依靠传统的数据采集方法(即由操作工人凭借简易测量工具进行测量)已无法满意这种要求。 目前，生产设备的参数采集手段主要有便携式检测仪和在线检测系统1-6，采纳便携式仪器须要花费大量的人力和时间，采集到的数据不能实时反映设备加工的状态，具有肯定局限性；一般的在线检测系统，检测数据相对单一，不能满意多成分分析的须要；对于一些大型的在线检测系统，虽然能满意实时检测和精度要求，但系统体积浩大、投资多、难以推广运用，并且国内许多在线检测系统，对检测到的数据缺乏综合利用和管理，不能很好地为工艺和装置的优化节能及节能减耗改造服务。因此开发出具有实时数据采集、存储、传输等功能的在线数据采

7、集系统是非常必要的。 1 系统的整体方案与工作原理 数据采集系统是基于CPLD和STM32的弱信号采集电路，可用于各种弱信号检测的应用探讨中，整个系统由信号滤波、信号放大、数据采样处理和主计算机传输接口等组成7-8。信号滤波防止信号产生“混叠现象”；信号放大对输入信号进行调理，使信号在A/D转换能够转换的电压范围内，以满意采样的要求；数据采样处理完成模拟信号的采样保持和数字化；与主计算机的数据接口，将数据上传给计算机，满意信号检测的实时性，进行数据的存储、显示等。数据采集电路板硬件功能模块构成如图1所示。 图1 数据采集电路板硬件功能模块构成 2 系统硬件结构 整个系统由信号预处理、信号采集和

8、数据传输三大模块组成，其中信号预处理进行信号滤波、信号放大，预处理模块由MC1558,MC1556等组成；信号采集进行信号选通、A/D转换;信号采集模块由AD508、A/D转换芯片、CPLD组成；数据传输进行数据的软件滤波、通过通信口与上位机进行通信，数据传输由STM32芯片、信号输出接口模块组成。 2.1 信号预处理电路 由于待采集电压信号输入动态范围较宽，且极性各异，采纳输入电压范围可调的信号预处理电路。信号预处理电路如图2所示，信号放大倍数为R1R2/(101101)。 图2 信号预处理电路 2.2 信号采集模块 CPLD是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的，同以往的GAL、P

9、AL等相比，CPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用场合9。采纳Altera公司的EPM7328SQI101作为数据采集的限制芯片，负责信号采样、A/D转换、数据输入限制等。EPM7328SQI101具有128个宏单元，84个用户I/O管脚，工作电压为5.0 V，具有2 500个可用门和ISP，管脚间延迟为6.0 ns，计数器速度可高达125 MHz，可以很好地满意系统的须要。信号采集电路如图3所示。 图3 信号采集电路图 ADG508是一款8通道CMOS模拟多路选择器，具有高速转换速度和低内阻特性，通道切换具有防短路功能。在CPLD限制下，它可对采集信号进行有序通道切换。A/D

10、转换芯片选用AD1017，AD1017是ADI(Analog Devices)公司推出的一款高速16位A/D转换器，输入电压范围为-10+10 V，单极5 V电压供电，采样频率可达101 kHz。数据采样系统最大采样速率可达50 kHz，信号辨别率可达0.3 mV。通过采纳多路转换开关ADG508与16位A/D协作运用，降低了成本。 2.3 数据传输模块 STM32是数据通信芯片，主要负责数据处理、传输限制、参数设置等。采纳STM32F103xB系列ARM芯片，该系列芯片是意法半导体基于Contex-M3内核的32位微处理器，可以满意高性能、低功耗和低成本特性的嵌入式应用。芯片具备73 MHz

11、时钟频率，拥有丰富的外设装置，包括128 KB嵌入式闪存、20 KB的SRAM、两个ADC接口、三个UART、支持USB、CAN和七个DMA通道等丰富的外围模块，以其高速的指令执行速度、便利的JTAG调试方式和低功耗等特性为数据采集与处理的设计供应了一个较为完善的平台。数据传输电路如图4所示。 图4 数据传输电路图 STM32F103VBT6的全部I/O端口兼容CMOS和TTL，在5 V引脚上的输入电压最小值为-0.3 V，最大值为5.5 V，低电平电压范围为-0.50.8 V，高电平电压范围为2.05.0 V，经EPM7328输出的数据干脆与STM32F103VBT6连接，简化了电路。 3

12、软件设计 依据设计任务的要求，系统软件主要完成数据的采集、滤波处理、串口与PC机的通信，数据采集软件由信号采集与通信模块软件、上位机监控软件两部分组成。 3.1 信号采集与通信模块软件设计 数据采集系统的固件驱动程序(又称单片机程序)是固化到CPU模块内的软件，采纳模块化设计，主要模块包括：信号采集限制模块和数据传输模块两大部分。信号采集限制模块软件固化到CPLD中，数据通信模块软件固化到STM32中。 信号采集限制模块软件利用Altera公司的Quartus开发软件实现，采纳Verilog HDL语言设计，主要功能包括输入通道选通、数据采样限制。通过CPLD芯片分别限制ADG508和AD10

13、17，进行模拟量输入通道的选择和启动A/D转换。数据的采集算法过程中，依据香农定理，采样频率大于被采集信号的2倍频率。信号采集模块软件流程图如图5所示。 图5 信号采集模块软件流程图 数据传输模块软件在Real View MDK环境下编写，主要功能包括数据接收、数据处理、串口通信。STM32通过握手信号启动CPLD的数据采集程序，在读取信号RD的上升沿读取上次A/D转换结果，同时启动A/D转换器转换下一路信号。软件设计上，采纳极值滑动平均滤波抑制叠加在模拟输入信号上的噪声；应用软件拦截技术、软件看门狗技术、故障处理自复原技术等措施使受干扰而“跑飞”的程序回到正常的轨道上；采纳I/O自检等程序预

14、先发觉故障并定位故障所在，提高系统的牢靠性。数据通信模块软件流程图如图6所示。 图6 数据通信模块软件流程图 3.2 上位机监控软件设计 用户应用服务程序干脆面对用户，是限制数据采集软件的最上层，不仅供应与用户交互的界面，还能通过发送各种限制吩咐来限制采集模块的工作。利用微软公司开发的软件开发平台VC+ 6.0设计上层界面，进行数据的实时显示、存储。采纳串口传输协议， 将底层采集到的数据传输到上位PC机，并在VC+ 6.0设计的上层界面中实时显示。 制定通信协议10：通信双方的波特率设定为9 600 b/s；帧格式：一个起始位，八个数据位，一个可编程的第九位，一个停止位；工作方式：PC机采纳查

15、询方式，STM32采纳中断方式；功能标记：发送恳求标记#0F1H，接收恳求标记#0FFH；校验：通信双方采纳 求和校验的方式，即发送一串字符，双方计算累加和，与PC机比较，有错即重发。 4 结 论 数据采集系统采纳CPLD选取输入通道、限制A/D转换，实现数据采样；利用STM32具有的丰富外设接口进行数据处理、数据通信，提高了系统设计的敏捷性，使系统易于升级和扩展。本系统开发周期短、运行稳定、性能牢靠、运用便利。协作上位机采集界面，便利进行操作运用以及各种采样数据的存储，在多种模拟量输入的数据采集和限制系统的应用中前景非常广袤，将数据采集系统应用到工业现场数据的采集中将是本探讨下一步将要进行的

16、工作。 参 考 文 献 1郑国军,戴巧琪,肖德瑞,等.基于STM32的便携式体检装置设计J.医学信息,2022(8):11019-11011. 2刘明贵,于謇,梁昊.基于STM32的岩土工程无线采集系统J.仪表技术与传感器,2022(5):95-101. 3赵锡钧.基于RS 485接口的单片机串行通信J.计算机技术,2000(4):56-58. 4张震,王剑,黄国辉,等.高性能温度采集仪的研制J.机电工程,2022,27(3):80-84. 5郝寿朋,刘瑞玲.基于CAN总线的数据采集与限制系统设计J.现代电子技术,2022,34(8):36-38，42. 6苏永芝,耿玉玲.基于FPGA+DSP

17、的高速中频采样信号处理平台的实现J.现代电子技术,2022,34(7):34-36. 7贺胜洪,钱雪军.基于CPLD技术的多通道编码器数据采集系统J.自动化与仪器仪表,2003,109(5):4-7. 8赵丽,肖龙腾,胡叼福,等.基于TMS320F2812与AD1016的数据采集系统的设计与实现J.天津工程师范学院学报,2022,20(1):30-33. 9周治良,李宏顺,岁哲,等.基于单片机和CPLD实时数据采集显示系统设计J.电子设计工程,2022,17(10):88-90. 10周凯,郭黎利.基于MAX485实现PC机与单片机通信的程序设计J.信息技术,2022(4):10-12. 作者简介： 蔡 畅 男，11013年诞生，湖南邵阳人，硕士探讨生。主要探讨方向为信息技术探讨、集成电路设计。 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页