基于ARM的高精度数据采集系统设计

摘要：针对传统数据采集系统结构复杂，体积大，成本高的问题，设计了一种基于ARM的新型、低成本、高精度数据采集系统，并提出了该系统的设计方案。详细论述了数据采集系统的硬件实现方案、抗干扰措施及控制时序，重点分析了高精度并行A／D的工作时序。实际应用结果表明，该数据采集系统精度高，体积小，成本低，工作性能强，具有较高的实用价值和借鉴意义。

关键词：ARM；高精度；数据采集系统；抗干扰

目前，高精度数据采集系统的结构普遍采用DSP+FPGA的构架，系统结构复杂，体积大，成本高，不适用于某些领域的小型化、低成本的特殊要求。综上，设计了一种结构简单，体积小，成本低，采集精度高的数据采集系统，具有非常重要的现实意义及应用前景，能够为国内数据采集系统开发提供一定的经验和参考。

1 数据采集处理系统的工作原理和结构

嵌入式微处理器ARM具有外围配置电路简单、体积小、成本低、性能高、可靠性高和外围硬件资源丰富等优点，能够保证数据采集的实时性，而且还有较强的数据处理功能，在诸多领域的应用日趋广泛。本方案中模／数转换芯片选用16位ADS8364，系统主芯片选用意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M3系列32位芯片STM32F103ZET6，主频为72 MHz，工作电压为2．0～3．6V，I／O电压为3．3V。112个通用I／O端口，3个SPI通信接口，2个I2C通信接口，5个USART通信接口，1个USB接口，1个CAN通信接口，4个通用16位定时器和2个PWM定时器，内置512 KB FLASH ROM和64 KB RAM。

数据采集系统的工作原理：当ARM芯片发出采集指令的时，将模拟信号采集到主芯片中，并进行后续解算，同时将采集到的信息存贮到外置超大SRAM中，以备后期分析处理。系统结构图如图1所示。

2 硬件电路设计

2．1 时钟电路设计

主芯片有2个外部时钟源，电路如图2所示，32．758 kHz的晶体是一个低速外部晶体，它能为实时时钟部件(RTC)提供一个低速但高度精确的时钟源。8 MHz外部晶振作为系统的时钟源，经过倍频后变成72 MHz为ARM提供时钟。

2．2 复位电路

系统复位有多种方式：NRST引脚上出现低电平(外部复位)；窗口看门狗计数终止条件(WWDG复位)；独立看门狗计数中止条件(IWDG复位)；软件重围(SW复位)；低电源管理复位。本方案中采用第一种复位方式，只需在外部加复位开关，方式简单，便于操作。

2．3 JETG接口

仿真接口为JTAG形式，实现对STM32F103ZET6的仿真与调试。电路图如图3所示。

2．4 ADC单元

ADC单元主要功能是完成对A／D芯片时序控制及数据读取，并将数据缓存在寄存器中，供处理功能单元进行运算处理。因为输入电压范围是0～+5 V，且要求分辨率不大于2 mV，所以要求ADC的有效位数至少为12位，考虑到ADC的转换误差，将ADC的输出数据位数定为16位。由于ADC单元用于采集4路接近直流的信号，所以对ADC的采样率要求较低，这里将采样率定为50kHz。

ADC单元主芯片选用TI公司的ADS8364，该芯片有16位数据线，6路输入通道，最高转换速率250 kHz，输入信号0～5 V，外接电压基准源2．5V，具有3．3 V兼容的数字接口，其引脚可以直接和ARM芯片STM32F103ZET6的I／O接口相接。ADC芯片挂载在STM32F103ZET6的I／O接口上，通过I／O接口进行时序控制和数据读取。电路图如图4所示。

2．5 RS 422串口通信单元

串口芯片采用MAX3160完成电气性能转换，连接在ARM芯片的USART通信接口上。该单元为RS 422通信接口，串行接口速率定为115．2 Kb／s，完成参数的串行加载功能。

2．6 电源电路

电源部分采用1片PTH05000W模块将输入的数字5 V电源转换为3．3 V，见图5。输入的模拟5 V电源用于给ADC电路供电。用一片AD780将模拟5 V转换为2．5 V，用于给ADC电路提供精密电压基准源，见图6。

3 抗干扰设计

A／D转换过程中，会遇到被采集信号小而干扰噪声强的情况，干扰有来自器件温度变化、接触电阻、引线电感、接地和电源等。因此，在整个数据采集系统设计中，要特别注意抗干扰的设计，根据具体的采集系统，本方案中主要考虑了以下几方面：

(1)合理设计印制板：根据硬件功能进行模块化布局，数字部分和模拟部分要分开，使用多层板，电源层和地层相互独立，电源线和地线要相对加粗；合理走线，避免信号线与高频线近距离平行走线。

(2)电源设计方面：在设计每个芯片的供电电路时，在每个芯片的电源附近并联去耦电容和旁路电容。

去耦电容为芯片提供局域化的直流，旁路电容可以消除高频辐射噪声和抑制高频干扰。

(3)接地方面：模拟地和数字地应严格分开，最后单点共地。共地点选择在ADC芯片管脚所需电流最大的位置，这样可以使大电流对地回流最近，以避免对模拟电路的干扰，提高系统的采集精度。模拟地和数字地可以通过磁珠连接，由于磁珠的高频阻抗大，而直流电阻为零，能够滤除高频电流减少地线上的高频噪声。

(4)防止空间电磁辐射对系统的干扰：由金属材料做成屏蔽罩，将器件屏蔽起来，并将屏蔽罩妥善接地。

4 数据采集的时序控制

对该A／D芯片CLK的要求为小于5 MHz即可，本方案结合ARM的处理能力，选用1 MHz的时钟，A／D芯片每20个时钟周期完成一次转换，采集率为50kHz。时钟信号CLK可以一直输出。CLK为上升沿触发。芯片上电后，首先进行复位操作，将置为低电平并保持宽度50ns以上，之后一直将RST置为高电平。，平时一直为高电平，当需要采集的时候，将同时置为低电平，并将保持时间为50 ns到半个时钟周期的宽度，之后信号恢复到高电平。此时完成输入端信号的锁存。经过20个时钟周期后，4个通道都已完成模／数转换，并把转换结果放在输出端对应的寄存器内。下一步要做的就是把寄存器内的数依次取出，读进单片机里。将置为低电平，将置为低电平，并将AO，A1，A2同时置为0，0，0，之后经过40 ns后，通道1的数据便放到了16位数据总线上。单片机可以进行读取。的宽度可以和时钟一样，当变为高电平时，单片机读取16位数据总线上1通道的转换结果。随后变为低电平，并将A0，A1，A2同时置为0、0、1，之后经过40 ns后，通道2的数据便放到了16位数据总线上，随后在为高电平时将数据总线上的2通道的数据读走。然后依次时序继续读取通道3和通道4的数据。4个通道的时序都读取结束后，将置为高电平，将置为高电平。工作时序图如图7所示。

5 结语

本系统设计以低功耗、小尺寸、低成本和高精度为目标。介绍系统时钟电路设计、ADC单元设计、电源设计、抗干扰设计及数据采集的控制时序设计。设计的难点在于高精度并行A／D采集模块与ARM芯片的通信及时序控制问题。调试结果表明该方案工作性能强，体积小，成本低，非常适用于小型化、低成本的数据采集领域。