基于STM32的通用实验接口及数据采集系统设计

摘要

第一章我们基于Franck-Hertz实验仪器和光电效应实验仪器，提出了通用实验接口，基于ARM Cortex-M3内核32位处理器STM32F103进行电路设计。接口是实验仪器和可视显示器之间的数据交换中心，它可以在A / D转换和存储之后从实验仪器收集模拟数据，然后在D / A转换后将结果发送到主机或示波器。 此外，还可以导出数字信号来控制实验仪器的模拟输出，在接口处理后收集模拟数据并将数字信号导出到示波器。此外，通用接口可通过在线升级的接口，进行软件的远程更新。

提前发现机械设备的故障是工业行业最重要的问题之一。为了有效地监测旋转机械，在第二章中我们基于STM32开发了一个信号采集系统的微系统。给出了系统的整体设计方案，可以快速获取旋转轴X，Y，Z轴上的多通道振动信号，实时显示。我们的系统具有结构简单，功耗低，轻便等优点。

关键词：STM32；数据采集；嵌入式系统；mu;C/OS-Ⅱ

1通用实验接口设计

1.1介绍

随着数字化和智能化的不断发展，实验教学仪器发展迅速，级别越来越高。现在许多国内的实验仪器被整合到一个封闭的实验箱中。这似乎是智能化的，但它脱离了教学实验的初衷，因为学生只需按下面板上的几个按钮即可完成实验中的实验操作，不利于提高实践能力。因此，需要对操作和智能的进行更好组合。 实验仪器应该是模块化和功能化的，所以我们把它分为几个模块。 使学生更好地了解实验教学仪器的各项功能和实验工作。 此外，这些模块可以共享，并且可以在本实验中使用，也可以在另一个实验中使用。 例如微电流放大器，它可以用于Franck-Hertz实验，也可用于光电效应实验仪器中。Franck-Hertz电源可用于电荷质量比实验。 不同的实验要求学生像搭积木一样组成不同的实验仪器。 设计的实验界面可以有效地连接每个功能模块来实现实验仪器与主机指令连接，或者直接由学生控制。体现了实验教学的智能化，锻炼了学生的动手能力。

1.2总体设计

1.2.1设计思路

以基于大学的Franck-Hertz实验来描述本文实验界面的设计思路。 现在普遍使用的Franck-Hertz仪器都是黑盒实验，Franck-Hertz管封闭在箱体内。学生不能直接观察Franck-Hertz管的结构，无需绘图，并且也不需了解管的工作情况。因此，实验后学生对Franck-Hertz实验工作不能有深刻的理解。 另外学生只需要按面板上的几个按钮来完成实验操作，这不利于学生培养实际操作能力。鉴于这种情况，新的Franck-Hertz实验仪器分为四部分：Franck-Hertz电源，微电流放大器，Franck-Hertz管和本文设计的通用接口。新的Franck-Hertz实验仪器不仅使学生能够直观地观察Franck-Hertz管的结构，对实验工作有深入的了解，而且还提高了学生的实践能力。 因此，需要设计一个结构简单，可靠性高，稳定性好的实验界面。图1是Franck-Hertz实验仪器的工作流程图。

Franck-Hertz

微电流放大器

Franck-Hertz

电源

实验界面

主机

示波器

图1 Franck-Hertz实验仪器的工作流程图

根据全面实验仪器的整体功能，通用接口应具备以下特点：

1，适用于许多实验;

2，多通道模拟数据采集，A / D转换和数据存储功能;

3，D / A转换;

4，与主机通讯，交换数据，实现电脑控制;

5，提醒报警;

6，通过远程软件在线升级，不断更新。

1.2.2总体方案

基于上述分析，以Franck-Hertz实验为例来说明界面的功能。当实验仪器与实验接口的端口A和B连接时，微控制器将连续扫描特征引脚。它会记录特征值以确定哪个实验完成，如果特征值不匹配，主机将会报警。例如，Franck-Hertz电源模块和光电效应电源模块同时与实验接口连接，并且记录特征值与已给出的特征值不匹配，报警灯将闪烁。实验接口端口A和B分别与电源模块和微电流模块相连，不受限制，CPU根据特征值自动配置。使用Franck-Hertz的手动调节电源电压，微控制器开始采样模拟值，转换A / D，存储并最终上传到主机或D / A转换后转移到示波器。当调整到程序控制模式时，微控制器将等待主机的命令并根据它们产生相应的数字信号。微控制器将其发送到Franck-Hertz电源，以控制电压的变化，从而改变Franck-Hertz微型电流模块的模拟量输出。 然后主程序收集微电流模拟值，并进行完A / D转换，存储和D / A转换后转移到示波器。

图2实验界面工作框图

1.3硬件设计

本设计的初衷是设计出一款结构简单，可靠性高，稳定性好，价格实惠的通用实验接口主机控制器。而且可以长时间稳定运行。 ARM微处理器有多种，其中基于Cortex-M3的具有独特的优势，而且性价比较高。因此，本设计选用基于Cortex-M3的STM32F103芯片。

1.3.1九针连接器

九针连接器是一个非常通用的接口，用于连接电源模块和微电流模块。电源模块或微电流模块的9针连接器的端口1为实验接口提供5V电压。微控制器根据4,5和9脚判断哪个实验要做，并收集微电流模块的模拟值。进行完A / D转换并存储后，再进行D / A转换结果并将发送到主机或示波器。

1.3.2 数模转换电路

本设计选用TLC5615作为通用接口的D / A转换芯片，TLC5615是串行10位DAC芯片，性能优于早期电流输出DAC。它只能使用三条串行总线完成10位串行数据输入，并且容易与行业标准微处理器或微控制器连接。TLC5615有两种模式。一个是12位数据序列模式，另一个是16位数据序列模式。我们选择12位数据序列模式，因为12位A / D转换的结果不会转换10 位数据，我们选择12位数据序列模式。 当TLC5616工作时，微控制器只向16位移位寄存器发送有效的10位和2位填充位，随机选择两个填充位。此外，MC1403提供标准电压。

图3 数模转换电路

1.3.3 USB接口电路

USB接口主要用于与PC的实验接口通信。在手动模式下，USB接口将A / D转换结果上传到主机。在可编程模式下，它将主机的命令发送到实验界面，实验界面再通过命令做出适当的响应。在电路设计过程中，USB的VCC引脚与STM32F103的PB15相连，STM32F103根据PB15的高电平或低电平判断USB是否与PC连接。

图4 USB接口电路

1.4软件设计

本设计采用RealView MDK4.12作为编写和调试STM32代码的开发平台，软件设计包括主程序，手册部分，程序控制部分，中断子程序等模块。系统软件的整体设计流程图如图5所示。 在手动模式下，首先，软件触发A / D转换，存储转换后，将结果发送到主机或通过D / A转换芯片TLC5615到示波器。如果要在示波器上显示图形，同步信号必须由PA3传输到示波器。因此，在A / D转换前，PA3设置为高电平。一秒钟后，当输出A / D转换结果时，PA3设置为低电平，以确保示波器正确显示。按下按钮并确定在程序控制模式下是否工作的时间长度。当时间小于1秒时，微控制器将更新以收集模拟值。否则，它进入程序控制状态，并在与USB接口连接后等待来自PC的命令。

开始

初始化

是否开始实验

报警

是否按钮

USB？

长按？

初始化自动模式

初始化手动模式

收到请求

模数转换

输出数字信号

显示

模数转换

示波器显示

图5 系统软件的整体设计流程图

2 数据采集系统设计

2.1介绍

旋转机械振动的实时采集可以有效预测，评估和诊断设备运行状态。快速获得振动数据采集，实时分析可以监控旋转机械状态，保证设备的安全运行。为了防止故障，减少维护时间，提高经济效益，故障诊断系统意在可以通过旋转机械的振动信号采集来检测这些设备，并处理数据采集，然后及时判断运行状态设备。而数据采集模块是故障诊断系统的核心部分。实际应用在工业领域，设备运行参数将被采集到处于运行状态监控设备中。在传统的数据采集系统中，采集卡的数据通常发送到计算机中，并开发具体的软件来进行数据采集。本文的主要贡献是采用已经成为嵌入式系统中的传统主流技术的ARM技术设计了STM32平台。数据的收集向高实时，多参数，高精度方向进行发展，同时数据存储向着大容量，更小型化，便携式的方向发展。数据传输向着多通信模式和长距离数据传输的方向发展。为了满足实际采集系统的多任务要求，本文提出了mu;C/OS-Ⅱ信号采集系统。因此，为了满足实际采集系统的多任务要求，本文的革新性设计了基于STM32，mu;C/OS-Ⅱ的微信号采集系统。

2.2数据采集系统的实现

数据采集是监控设备的关键技术，近期已经做了很多这方面的工作。例如基于FPGA的嵌入式并行数据采集系统进行了优化设计，可以合理分配高速，低速A / D。相反，本文使用高速A / D转换器和Stratix II系列FPGA进行数据采集和处理，其中主要贡献在于紧凑型外围组件互连，使系统具有模块化，坚固性和可扩展性。但在特殊条件下需要进行远程控制，本文介绍了基于Windows CE的嵌入式操作系统平台，并设计了GPRS无线技术的远程采集和控制系统。为了实现多用户数据共享，建立了嵌入式动态网站，用于ARM9和Linux操作系统的数据采集管理和传播。数据采集终端设备是基于ARM7微处理器LPC2290和实时化嵌入式系统mu;C/OS-Ⅱ系统设计的。解决了多通道小信号和多通道传输的实时采集问题。另一方面，专门用于旋转机器上的数据采集的两个并行DSP系统，内部信号调节器用于将传感器输出调整到采集的输入范围，然后通过设计软件进行信号后处理，其中最常见的结构是使用DAS和FPGA为基础的，这样的程序也依赖于DAS成本。

为了满足低功耗，低成本和移动性的市场需求，本文提出了数据采集系统的设计总体结构图。通过SPI接口，系统通过三轴加速度传感器将数据采集到内部12位A/D转换模块的STM32控制器中，这个过程是非干扰并行采集。我们的系统使用240x400 LCD和触摸屏模块实时显示实时收集的数据。

MMA7455L芯片模块

模数转换

JTAG测试接口

时钟电路

以太网接口

USB接口

RS232接口

复位电路

LCD显示模块

FLUSH闪存模块

电源电路

STM32103FVET6

Cortex-M3

图6 硬件总体框架图

2.2.1数据采集

机器状态是否正常主要取决于振动信号。 在本文中，要获得旋转机械转子的振动数据，我们使用飞思卡尔公司生产的振动加速度传感器MMA7455L来收集 x，y轴和z轴的数据。振动加速度传感器具有成本低，体积小，灵敏度高，动态范围大，干扰小的优点。 MMA7455L主要由重力感应单元和信号调理电路组成，该传感器将在信号预处理之前放大微小数据。在我们系统的数据采集过程中，采样阶段的误差主要是由量化造成的，误差取决于A / D转换器的位，当我们将最大电压视为最大V时，AD转换器位为n ，并且量化Q = V max / 2n，则量化误差被服从均匀分布在[ - q / 2，q / 2] [13]。

(1)

= (2)

(3)

(4)

是平均误差，是错误方差，是信噪比。

本文设计的STM32最多可以构建三个12位并行ADC，理论指标72dB，实际动态范围为54〜60dB，2或3位受噪声影响，动态测量范围可达 1000次，60dB。对于绝大多数振动信号，10kHZ的最大采样率可以满足实际需求，8-12位AD通常使用较高的采集频率，因此本工作的贡献之一是选择一个内置的，在12位A / D中，满足振动信号采集精度，降低成本。

2.2.2存储和显示

为了实现实时数据采集，我们设计了具有64K * 12bit片上SRAM容量的系统。 该过程是三轴加速度传感器系统与SPI接口连接到控制器，当接收到采集请求时，它将开始收集数据，然后将数据通过DMA传输并存储在SRAM芯片中直到数据缓冲区满，向CPU发送中断信号，CPU从FIFO读取所有通道数据，然后直接在LCD中显示结果。 我们的系统能够快速，实时和高效地收集原始数据并进行视觉显示。

2.3软件模块设计

2.3.1 mu;C/OS-Ⅱ的移植

为了保证实时和安全的数据收集要求，本系统提出了一种源代码开放的RTOS。也可以很

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