基于ARM7的工業控制數據采集系統的研究

摘要：在現代工業控制中利用計算機進行高速數據采集已成為其重要組成部分，但是僅靠單片機等進行工業控制還存在著不完善的地方。為此提出基于嵌入式的數據采集方法，并根據目前嵌入式系統的發展現狀，選定ARM7芯片STM32F103VBT6作為主控芯片，給出系統框圖并設計了前端調理電路、A／D轉換電路、調試電路。采用Linux操作系統，在Linux平臺上進行了應用程序設計。實踐表明，嵌入式數據采集系統提高了系統的可擴展性和靈活性，在工業測量與控制領域有較為廣闊的應用前景。
關鍵詞：數據采集系統；嵌入式系統；ARM；Linux

0 引言
在工業測量控制領域，需要獲取大量的實時現場參數，由于環境惡劣復雜多變，數據采集系統多為工控機來完成，但工控機體積大、功耗大，可靠性較差、安裝不方便同時成本也不低。另外還有專用的數據采集系統，可以獨立工作，利用DSP(數字信號處理器)和MCU(微控制器)完成。缺點是價格很高，人機交互能力差。嵌入式處理器的高速發展有效地彌補了工控機的不足，尤其是ARM處理器。它不僅集合上述采集系統的優點，克服了其缺點，同時還加入了一些新的功能，新的特性。新功能新特性的加入，又進一步拓展了其應用領域，應用范圍，能針對不同的需求，具有很大的靈活性。
該方案采取ARM處理器來實現，ARM處理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外設，相比傳統控制器如單片機更強大的性能是其主要特點。現今的ARM處理器性能已經具備處理簡單的信號處理的能力，在系統設計中采用ARM處理器無疑能從各個方面受益，包括性能、功能、成本、功耗等各個方面。

1 系統土作原理、硬件設計
該課題研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的數據采集硬件平臺和基于嵌入式Linux操作系統的數據處理軟件平臺，開發了一個集嵌入式控制、高速數據采集、實時處理及友好人機交互界面于一體的平臺，能對現場信號進行高速采集、處理與顯示。數據采集系統硬件模塊主要包括：前端調理模塊，A／D轉換模塊、微處理器主模塊、人機接口單元。系統的基本結構框圖如圖1所示。

1．1 信號調理模塊
信號調理模塊對傳感大過來的信號進行調理，通過信號調理的隔離、放大、濾波等，使得數據采集系統的可靠性及性能得到極大地改善。設計合適的信號調理電路，不但要考慮信號調理本身的內容，還要考慮信號調理電路的應用環境以及被測參數所代表的意義。
1．2 ARM處理器
多任務系統中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU。數據采集系統硬件開發平臺搭建的第一步就是做好ARM核的選擇，ARM體系的各種系列如ARM7，ARM9等分別針對不同的嵌入式系統應用場合。
該系統采用基于32位的ARM Cortex-M3處理器STM32F103VBT6作為主控芯片，它具有非常豐富的片內資源，例如實時時鐘(RTC)、定時器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D轉換器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN總線接口還包括20 kB的片內SRAM，128 KB的片內FLASH以及一個支持USB 2．O規范的全速USB外圍設備等，它是整個系統的主控單元，協調其它模塊完成數據采集、存儲、處理、控制、傳輸等多項功能。