1、基于STM32單片機的多路數據采集系統設計The Design Of Multi-channel Data Acquisition System Based On STM32中國地質大學（北京）指導教師 2013.3.31摘要本文是基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器的應用實踐，介紹了基于STM32單片機的數據采集的硬件設計和軟件設計，數據采集系統是模擬域與數字域之間必不可少的紐帶，它的存在具有著非常重要的作用。本文介紹的重點是數據采集系統，而該系統硬件部分的重心在于單片機。數據采集與通信控制采用了模塊化的設計，數據采集與通信控制采用了單片機STM32來實現，硬件部分是

2、以單片機為核心，還包括A/D模數轉換模塊，顯示模塊，和串行接口部分。該系統從機負責數據采集并應答主機的命令。輸入數據是由現場模擬信號產生器產生，8路被測電壓再通過模數轉換器ADC0809進行模數轉換，實現對采集到的數據進行模擬量到數字量的轉換，并將轉換后的數據傳輸到上位機，由上位機負責數據的接受、處理和顯示，并用LCD數碼顯示器來顯示所采集的結果。軟件部分應用Keil uVision4通過C+編寫控制軟件，對數據采集系統、模數轉換系統、數據顯示、數據通信等程序進行了設計。關鍵詞：數據采集 89C52單片機 ADC0809 Keil uVision4AbstractThis article is

3、 an application of STM32 series embedded ARM controller based on Cortex-M3 and it describes the hardware design and software design of the data on which based on signal-chip microcomputer .The data collection system is the link between the digital domain and analog domain. It has an very important f

4、unction. The introductive point of this text is a data to collect the system. The hardware of the system focuses on signal-chip microcomputer .Data collection and communication control use modular design. The data collected to control with correspondence to adopt a machine 8051 to carry out. The par

5、t of hardwares core is STM32, is also includes A/D conversion module, display module, and the serial interface. Slave machine is responsible for data acquisition and answering the host machine.8 roads were measured the electric voltage to pass the in general use mold-few conversion of ADC0809,the re

6、alization carries on the conversion that imitates to measure the numeral to measure towards the data that collect .Then send the data to the host machine.the host machine is responsible for data and display, LED digital display is responsible display the data. The software is partly programmed with

7、C+ of the Keil uVision4. The software can realize the function of monitoring and controlling the whole system. It designs much program like data-acquisition treatment,data-display and data-communication ect.Keyword: data acquisition AT89C52 ADC0809 Keil uVision4目錄第一章 緒論11.1 研究背景及其目的意義11.2 國內外研究現狀21.

8、3 該課題研究的主要內容內容3第二章 數據產生42.1 現場模擬信號產生器42.2 基于LM331的電壓頻率轉換42.3 基于LM331的頻率電壓轉換5第三章 數據采集73.1 數據采集系統73.2 方案論證83.2.1 A/D模數轉換的選擇83.2.2單片機的選擇93.2.3 顯示部分93.2.4 八路數據采集器9第四章 硬件部分104.1 主機部分104.1.1 單片機104.1.2 LCD顯示器124.2 模數轉換器ADC080913第五章 軟件部分165.1 簡介Keil Uvision4165.2 本系統所用程序代碼17參考文獻18III第一章 緒論1.1 研究背景及其目的意義近年來

9、，數據采集及其應用受到了人們越來越廣泛的關注，數據采集系統也有了迅速的發展，它可以廣泛的應用于各種領域。數據采集系統起始于20世紀50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統，目標是測試中不依靠相關的測試文件，由非成熟人員進行操作，并且測試任務是由測試設備高速自動控制完成的。由于該種數據采集測試系統具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統方法不能完成的數據采集和測試任務，因而得到了初步的認可。大概在60年代后期，國內外就有成套的數據采集設備和系統多屬于專用的系統。20世紀70年代后期，隨著微型機的發展，誕生了采集器、儀表同計算機溶為一體的數據采集系統。由于這種數據采集系統的性能優良

10、，超過了傳統的自動檢測儀表和專用數據采集系統，因而獲得了驚人的發展。從70年代起，數據采集系統發展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數據采集系統，一類是工業現場數據采集系統。20世紀80年代隨著計算機的普及應用，數據采集系統得到了很大的發展，開始出現了通用的數據采集與自動測試系統。該階段的數據采集系統主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計算機組成。這類系統主要應用于實驗室，在工業生產現場也有一定的應用。第二類以數據采集卡、標準總線和計算機構成，這一類在工業現場應用較多。20世紀80年代后期，數據采集發生了很大的變化，工業計算機、單片機和大規模集成電路的組合，用軟件管理，是系統的成本

11、減低，體積變小，功能成倍增加，數據處理能力大大加強。20世紀90年代至今，在國際上技術先進的國家，數據采集系統已成功的運用到軍事、航空電子設備及宇航技術、工業等領域。由于集成電路制造技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠的單片機數據采集系統（DAS）。數據采集技術已經成為一種專門的技術，在工業領域得到了廣泛的應用。該階段的數據采集系統采用模塊式結構，根據不同的應用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結合系統編程，就可擴展或修改系統，迅速組成一個新的系統。盡管現在以微機為核心的可編程數據采集與處理采集技術的發展方向得到了迅速的發展，而且組成一個數據采集系統只需要一塊數據采集卡，把它插在微機的擴展槽內

12、并輔以應用軟件，就能實現數據采集功能，但這并不會對基于單片機為核心的數據采集系統產生影響。相較于數據采集板卡成本和功能的限制，單片機具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價格等優點，而雙單片機又具有精度較高、轉換速度快、能夠對多點同時進行采集，因此能夠開發出能滿足實際應用要求的、電路結構簡單的、可靠性高的數據采集系統。這就使得以單片機為核心的數據采集系統在許多領域得到了廣泛的應用。1.2 國內外研究現狀數據采集系統是通過采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成數字信號，并進行分析、處理、傳輸、顯示、存儲和顯示。它起始于20世紀中期，在過去的幾十年里，隨著信息領域各種技術的發展，在數據采集方面的技

13、術也取得了長足的進步，采集數據的信息化是目前社會的發展主流方向。各種領域都用到了數據采集，在石油勘探、科學實驗、飛機飛行、地震數據采集領域已經得到應用。我國的數字地震觀測系統主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震數據采集系統。近年來，又成功研制了動態范圍更大、線性度更高、兼容性更強、低功耗可靠性的TDE-324C型地震數據采集系統。該數據采集對拾震計輸出的電信號模擬放大后送至A/D數字化，A/D采用同時采樣，采樣數據經DSP數字濾波處理后，變成數字地震信號。該數據采集系統具備24位A/D轉化位數，采樣率有50HZ、100HZ、200HZ。由美國PASCO公司生產的“科學工作室”是將數

14、據采集應用于物理實驗的嶄新系統，它由3部分組成：（1）傳感器：利用先進的傳感技術可實時采集技術可實時采集物理實驗中各物理量的數據；（2）計算機接口：將來自傳感器的數據信號輸入計算機，采樣速率最高為25萬次/S；（3）軟件：中文及英文的應用軟件。受需求牽引，新一代機載數據采集系統為滿足飛行實驗應用也在快速地發展。如愛爾蘭ACRA公司2000年研發推出的新一代KAM500機載數據采集系統到了2006年。本系統采用16位（A/D）模擬數字變換，總采樣率達500K/S,同步時間為+/-250ns，可以利用方式組成高達1000通道的大容量的分布式采集系統。1.3 該課題研究的主要內容內容數據采集技術是信

15、息科學的重要分支之一, 它研究信息數據的采集、存儲、處理以及控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理, 以微型計算機等高技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。數據采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發展和普及,數據采集監測已成為日益重要的檢測技術,廣泛應用于工農業等需要同時監控溫度、濕度和壓力等場合。數據采集是工業控制等系統中的重要環節,通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來實現,作為測控系統不可缺少的部分,數據采集的性能特點直接影響到整個系統。盡管現在以微機為核心的可編程數據采集與處理技術作為數據采集技術的發展方向得到了迅速的發展,并且適于通用微機(如IBM P

16、C 系列) 使用的板卡級數據采集產品也已大量出現,組成一個數據采集系統簡單到只需要一塊數據采集卡,把它插在微機的擴展槽內,并輔以應用軟件,就能實現數據采集功能,但這并不會對基于單片機為核心的數據采集系統產生影響,因為單片機功能強大、抗干擾能力強、可靠性高、靈活性好、開發容易等優點,使得基于單片機為核心的數據采集系統在許多領域得到了廣泛的應用.傳統的基于單片機的數據采集系統由于沒有上位機的支持,不管采用什么樣的數據存儲器,它的存儲容量都是有限的,所以不得不對存儲的歷史數據進行覆蓋刷新,這樣不利于用戶對數據進行整體分析,因而也不能對生產過程的狀況進行準確的把握。本系統采用下位機負責模擬數據的采集,

17、從單片機負責采集八路數據，并應答主機發送的命令，上位機即主機是負責處理接受過來的數字量的處理及顯示，主機和從機之間用RS-232進行通信。這樣用戶可以在上位機上編寫各種程序對文件中的數據進行有效查詢和分析,有利于工業過程的長期正常運行和檢查。該系統采用的是STM32單片機，此芯片功能比較強大，能夠滿足設計要求。第2章 數據產生2.1 現場模擬信號產生器 自制一電壓轉換電路，利用可變電阻改變振蕩頻率，使頻率在200Hz2kHz范圍變化產生方波，再經頻率電壓變換后輸出相應15V直流電壓（200Hz對應1V，2kHz對應5V）。2.2 基于LM331的電壓頻率轉換LM331是美國NS公司生產的性能價

18、格比高、外圍電路簡單、可單電源供電、低功耗的集成電路。LM331動態范圍寬達100dB，工作頻率低到01Hz時尚有較好的線性度，數字分辨率達12位。LM331的輸出驅動器采用集電極開路形式，因此可通過選擇邏輯電流和外接電阻來靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同邏輯電路。LM331可工作在40V40V之間，輸出可高達40V，而且可以防止VCC短路。輸出頻率計算：該轉換電路線性良好，抗干擾能力強，輸出范圍在10Hz10kHz以上，有利于提高系統的測量范圍。電路如圖2.1所示圖2.1 電壓頻率轉換電路2.3 基于LM331的頻率電壓轉換LM331用作FVC時的原理框如圖2

19、.2所示.圖2.2此時,腳是輸出端(恒流源輸出),腳為輸入端(輸入脈沖鏈),腳接比較電平.電路如圖2.3所示圖2.3 頻率電壓轉化電路第三章 數據采集3.1 數據采集系統數據采集，又稱數據獲取，是利用一種裝置，從系統外部采集數據并輸入到系統內部的一個接口。數據采集技術廣泛引用在各個領域。70年代初，隨著計算機技術及大規模集成電路的發展，特別是微處理器及高速A/D轉換器的出現，數據采集系統結構發生了重大變革。原來由小規模集成的數字邏輯電路及硬件程序控制器組成的采集系統被微處理器控制的采集系統所代替。由微處理器去完成程序控制，數據處理及大部分邏輯操作，使系統的靈活性和可靠性大大地提高，系統硬件成本

20、和系統的重建費用大大地降低。在該系統中需要將模擬量轉換為數據量，而 A/D是將模擬量轉換為數字量的器件，他需要考慮的指標有：分辨率、轉換時間、轉換誤差等等。而單片機是該系統的基本的微處理系統，它完成數據讀取、處理及邏輯控制，數據傳輸等一系列的任務。在該系統中采用的是STM32系列的單片機。而數據的顯示則采用的是LCD數碼管，該器件比較簡單，在生活中接觸也較多。數據采集系統一般由信號調理電路，多路切換電路，采樣保持電路，A/D,單片機等組成。完成畢業設計所需要的系統框圖如圖3.1所示： 圖 3.1 系統框圖3.2 方案3.2.1 A/D模數轉換的選擇A/D轉換器的種類很多，就位數來說，可以分為8

21、位、10位、12位和16位等。位數越高其分辨率就越高，價格也就越貴。A/D轉換器型號很多，而其轉換時間和轉換誤差也各不相同。(1)逐漸逼近式A/D轉換器：它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉換器，其轉換時間在幾微秒到幾百微秒之間。(2)雙積分A/D轉換器：它是一種間接式的A/D轉換器，優點是抗干擾能力強，精度比較高，缺點是數度很慢，適用于對轉換數度要求不高的系統。(3)并行式A/D轉換器：它又被稱為flash（快速）型，它的轉換數度很高，但她采用了很多個比較器，而n位的轉換就需要2n-1個比較器，因此電路規模也極大，價格也很貴，只適用于視頻A/D轉換器等數度特別高的領域。鑒于上面三種方

22、案，在價格、轉換速度等多種標準考量下，在本設計選用的是逐漸逼近式A/D轉換器ADC0809.3.2.2單片機的選擇單片機是一種面向大規模的集成電路芯片，是微型計算機中的一個重要的分支。此系統是由CPU、隨即存取數據存儲器、只讀程序存儲器、輸入輸出電路（I/O口），還有可能包括定時/計數器、串行通信口、顯示驅動電路（LCD和LED驅動電路）、脈寬調制電路、模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一個單塊芯片上，構成了一個最小但完善的計算機任務。單片機要使用特定的組譯和編譯軟件編譯程序，在用keil uvision4把程序下載到單片機內。而本設計選用的是STM32F103.3.2.3 顯示部分LC

23、D 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。現在LCD已經替代CRT成為主流，價格也已經下降了很多，并已充分的普及。3.2.4 八路數據采集器 數據采集器第1路輸入自制15V直流電壓，第27路分別輸入來自直流源的5，4，3，2，1，0V直流電壓（各路輸入可由分壓器產生，不要求精度），第8路備用。將各路模擬信號分別轉換成8位二進制數字信號，再經并/

24、串變換電路，用串行碼送入傳輸線路。 第四章 硬件部分4.1 主機部分 該系統是一個主從式多路數據采集系統，主機和從機均用單片機實現，它的主機部分負責數據處理和顯示。它由STM32、ADC0809和LCD12864顯示器組成。4.1.1 單片機關于STM321.簡介STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。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，是同類產品中性能最高的產品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能，

25、是16位產品用戶的最佳選擇。兩個系列都內置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產品，相當于0.5mA/MHz。 2.STM32F103性能特點內核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振

26、。內嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路。內部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調試模式：串行調試（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外設：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。2個12位的us級的A/D轉換器（16通道）：A/D測量范圍：0-3.6 V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。2通道12位D/A轉換器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨有。最多高達112個的快速I

27、/O端口：根據型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內的輸入。最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時器：24位倒計數器。2個16位基本定時器用于驅動DAC。最多多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBus/PMBus）。5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調試控制）。3個SPI接口（18 Mb

28、it/s），兩個和IIS復用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。ECOPACK封裝：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封裝形式。4.1.2 LCD顯示器LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。現在LCD已經替代CRT成為主流，價格也已經下降了很多，并已充分的普及。 液晶顯示器按照控制方式不同可

29、分為被動矩陣式LCD及主動矩陣式LCD兩種。 帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低

30、于相同點陣的圖形液晶模塊。基本特性:（1）、低電源電壓（VDD:+3.0-+5.5V）（2）、顯示分辨率:128×64點 （3）、內置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選) （4）、內置 128個16×8點陣字符 （5）、2MHZ時鐘頻率 （6）、顯示方式：STN、半透、正顯 （7）、驅動方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）、視角方向：6點 （9）、背光方式：側部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/51/10 （10）、通訊方式：串行、并口可選 （11）、內置DC-DC轉換電路，無需外加負壓 （12）、無需片選信號，簡化軟件設計（1

31、3）、工作溫度: 0 - +55 ,存儲溫度: -20 - +604.2 從機部分 該系統的從機負責A/D模數轉換，并應答主機的命令，需要用到ADC0809。4.2 模數轉換器ADC0809在我們所測控的信號中軍事連續變化的物理量，而要對這些信號進行處理,則需要將其轉換為數字量，A/D轉換器就是為了將連續變化的模擬量轉換成計算機能接受的數字量。按模擬量轉換成數字量的原理可以分為3種：雙積分式、逐次逼近式及并行式A/D轉換器。而該系統選用的是ADC0809，下面就具體的介紹一下ADC0809的工作原理。1、 ADC0809的介紹ADC0809是八通道的八位逐次逼近式A/D轉換器。由單一的5V電源

32、供電，片內帶有鎖存功能的8選1的模擬開關。由C、B、A的編碼來決定所選的模擬通道。轉換時間為100us。轉換誤差為1/2LSB。它的引腳的排列及其功能，其引腳圖見4.10 圖4.10 ADC0809的引腳圖IN7IN0 ：八個通道的模擬輸入量。ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道地址線。當CBA=000時，IN0輸入，當CBA=111時，IN7輸入。ALE：地址鎖存信號。START：轉換啟動信號，高電平有效。D7D0：數據輸出線。三態輸出，D7是最高位，D0是最低位。OE：輸出允許信號，高電平有效。CLK：時鐘信號，最高頻率為 640KHZ。EOC：轉換結束狀態信號。上升沿后高電平有效。Vc

33、c：+5V電源。Vref：參考電壓。2、ADC0809時序圖及其接口電路ADC0809的時序圖如圖4.11所示： 圖4.11 ADC0809的時序圖其工作過程是：ALE的上升沿將A、B、C端選擇的通道地址鎖存到8位A/D轉換器的輸入端。START的下降驗啟動8位A/D轉換器進行轉換。A/D轉換開始使EOC端輸出低電平。A/D轉換結束，EOC輸出高電平。該信號通常可作為中斷申請信號。OE為讀出數據允許信號。OE端為高電平時，可以讀出轉換的數字量。硬件電路設計時，需根據時序關系及軟件進行設計。ADC0809與STM32單片機的接口方式，如圖4.12所示：圖4.12 ADC0809與單片機的連接圖由

34、于ADC0809具有輸出3態鎖存器，其八位數據輸出引腳可直接與數據總線相連。地址譯碼引腳A、B、C分別與地址總線低三位A0、A1、A2相連，以選通IN0IN7中的一個通道。在啟動A/D轉換時，由單片機的P3.4控制A/D轉換器的地址鎖存和轉換啟動，由于ALE和START連在一起，因此AD0809在鎖存通道的同時，也啟動了A/D轉換器。在讀取轉換結果時，用低電平的讀信號RD，產生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態輸出鎖存器。將轉換結果輸出。而低電平的寫信號WR則表示轉換結束狀態信號。第五章 軟件部分5.1 簡介Keil Uvision4Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大