基于ARM7的工業(yè)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

摘要：在現(xiàn)代工業(yè)控制中利用計算機進行高速數(shù)據(jù)采集已成為其重要組成部分，但是僅靠單片機等進行工業(yè)控制還存在著不完善的地方。為此提出基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集方法，并根據(jù)目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，選定ARM7芯片STM32F103VBT6作為主控芯片，給出系統(tǒng)框圖并設(shè)計了前端調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、調(diào)試電路。采用Linux操作系統(tǒng)，在Linux平臺上進行了應(yīng)用程序設(shè)計。實踐表明，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；ARM；Linux

0 引言
在工業(yè)測量控制領(lǐng)域，需要獲取大量的實時現(xiàn)場參數(shù)，由于環(huán)境惡劣復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨立工作，利用DSP(數(shù)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(fā)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(tǒng)的優(yōu)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(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)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(xiàn)，ARM處理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外設(shè)，相比傳統(tǒng)控制器如單片機更強大的性能是其主要特點?，F(xiàn)今的ARM處理器性能已經(jīng)具備處理簡單的信號處理的能力，在系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)土作原理、硬件設(shè)計
該課題研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的數(shù)據(jù)采集硬件平臺和基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件平臺，開發(fā)了一個集嵌入式控制、高速數(shù)據(jù)采集、實時處理及友好人機交互界面于一體的平臺，能對現(xiàn)場信號進行高速采集、處理與顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要包括：前端調(diào)理模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器主模塊、人機接口單元。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 信號調(diào)理模塊
信號調(diào)理模塊對傳感大過來的信號進行調(diào)理，通過信號調(diào)理的隔離、放大、濾波等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善。設(shè)計合適的信號調(diào)理電路，不但要考慮信號調(diào)理本身的內(nèi)容，還要考慮信號調(diào)理電路的應(yīng)用環(huán)境以及被測參數(shù)所代表的意義。
1．2 ARM處理器
多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件開發(fā)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(tǒng)應(yīng)用場合。
該系統(tǒng)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)SRAM，128 KB的片內(nèi)FLASH以及一個支持USB 2．O規(guī)范的全速USB外圍設(shè)備等，它是整個系統(tǒng)的主控單元，協(xié)調(diào)其它模塊完成數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、控制、傳輸?shù)榷囗椆δ堋?/p>