基于ARM Cortex-M3的多路数据采集系统的设计

摘要：数据采集是获取信号对象信息的过程。本文设计了一个基于ARM Cortex-M3处理器的数据采集系统，利用内置的丰富的外设资源，实现多路模拟输入电压信号的连续采集和顺序转换，通过RS232串行通信将转换结果在PC接收端显示，并产生PWM方波信号，实现对现场电压信号的实时监测。
关键词：数据采集系统；嵌入式系统：Cortex-M3微处理器

0 引言
数据采集系统是将采集传感器输出的温度、压力、流量、位移等模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，进行相应的计算存储和处理；同时，可将计算所得的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测和控制。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器。目前，采用ARM技术的微处理器占据了主流，其应用遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。而 ARM微处理器的Cortex系列专为安全要求较高的应用而设计。其中，Cortex-M3适于高性能、低成本需求的嵌入式应用。

1 多路数据采集系统总体设计
1．1 系统设计要求
本数据采集系统的设计要求实现150路直流电压的实时采集和顺序转换。经过部分采插件电感器集处理后，由串行数据总线将转换数据发送至上位机界面，经过换算，以检测采集的电源正常与否；同时在输出端产生5路PWM方波信号，以用作输出测试与控制。
1．2 系统设计方案
根据上述设计要求和数据采集系统的设计规范，将系统划分为两个部分：最小系统和采集系统。
最小系统采用基于ARM Cortex-M3架构的微控制器STM32F103RBT6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，内置外设USART将转换结果经过串口发送在PC端由串口调试助手显示。
采集系统采用5块采集板，每块板实现30路电压信号采集。各块板上，采用比例分压的方法，利用排阻进行采集电压的比例转共模电感换，以达到ADC转换的参考基准电压要求。电压信号的输入采用4．16线模拟开关CD4067，通过CPIJ输出四位电感器厂家控制信号，依次选择各路输入信号，进行采集转换。
电压信号经过采集板，级联输入到最小系统板中，利用CPU内置ADCl中的10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，利用串口转发数据，在上位机显示转换结果。
根据上述设计方案，本数据采集系统的系统组成和工作原理如图1所示。



2 数据采集系统的硬件设计
根据系统构成原理，硬件设计上，最小系统和采集系统两部分通过并行接口实现多块板级联，通过选择相应的输入通道和转换通道，实现信号采集和转换结果的显示。
最小系统中，采用STM32F103RBT6微控制器，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1 u s转换时间，转换范围是O～3．6V；支持7个DMA通道，可操作多种通用外设，如定电感厂家时器、ADC、USART等；内置3个同步16位定时器，每个可有4个通道用于PWM波形输出。
2．1 最小系统的设计
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所示：


电源模块：CPU为3．3V供电，最小系统外部输入电源为5V，经过电压转换芯片LM1117-3．3获得3．3V输出电压，以提供系统电源。电源的输入输出端并接滤波电容，分别滤除电源的高频和低频噪声。
除此之外还有外部时钟，复位系统，ADC参考电压，USART串行通信，JTAG调试接口，总线驱动接口的设计。
STM32F103RBT6处理器具有51个多功能双向5V兼容的I／O口，使用时可以作为通用GPIO口，也可作为复用AFIO口。复电感厂家用I／O中，本系统外设所使用的有：定时器4通道四TIM4-CH4复用PB9口；USART1引脚USART1-TX、USART1-RX复用PA9、PA10：ADC 转换通道CH0～CH9分别复用PA0～PA7及PB0、PB1。
对于复用功能的端口可以配置成以下模式：输入模式(浮空、上拉或下拉)或复用功能输出模式，此时输入驱动器被配置成浮空输入模式。ADC通道端口用作ADC输入时将对应端口配置为模拟信号输入模式；USART数据传输时，TX、RX复用端口分别配置为备用功能推拉模式和