2021年度基于单片机的多路数据采集系统设计设计

基于STM32单片机多路数据采集系统设计

TheDesign Of Multi-channel Data Acquisition System

BasedOn STM32

中国地质大学（北京）

王猛、张启升

组员:李金泽

梁迪

张永

.3.31

摘要

本文是基于ARMCortex-M3STM32系列嵌入式微控制器应用实践,

介绍了基于STM32单片机数据采集硬件设计和软件设计,

数据采集系统是模拟域和数字域之间必不可少纽带,它存在含有着很关键作用。

本文介绍关键是数据采集系统,而该系统硬件部分重心在于单片机。

数据采集和通信控制采取了单片机STM32来实现,硬件部分是以单片机为关键,

还包含A/D模数转换模块,显示模块,和串行接口部分。

输 入 数 据 是 由 现 生 器 产 生 ,该系 统 从 机 负 责 数 机 命 令 。

由上位机负责数据接收、处理和显示,并用LCD数码显示器来显示所采集结果。

软件部分应用KeiluVision4经过C++编写控制软件,对数据采集系统、

模数转换系统、数据显示、 数据通信等程序进行了设计。

关键词:数据采集 89C52单片机 ADC0809 Keil uVision4

Abstract

Thisarticle is an applicationof STM32 seriesembeddedARMcontroller based on

Cortex-M3 and it describes the hardware design and software design ofthe data on which
signal-chip microcomputer .Data collectionand communication control use modular
design. The datacollected to control with correspondence to adopt a machine 8051 tocarry
out. The part of hardware’s core is STM32, is alsoincludes A/D conversion module,
display module, and the serialinterface. Slave machine is responsible for data acquisition
andanswering the host machine.8 roads were measured the electric voltageto pass the in
general use mold-few conversion of ADC0809,therealization carries on the conversion
that imitates to measurethe numeral to measure towards the data that collect .Then send
thedata to the host machine.the host machine is responsible for data anddisplay, LED
digital display is responsible display the data.The software is partly programmed with

C++ of the KeiluVision4. The software can realize the function of monitoring and

controllingthe whole system. It designs much program like data-acquisitiontreatment,data-display and data-communication ect.

Keyword:data acquisition AT89C52 ADC0809 Keil uVision4

目录

第一章绪论...................................................................................................................1
1.1研究背景及其目标意义.................................................................................1 1.2中国外研究现实状况....................................................................................2
2.1现场模拟信号产生器....................................................................................4
2.2基于LM331电压频率转换..............................................................................4
2.3基于LM331频率电压转换..............................................................................5
第三章数据采集........................................................................................................7
3.1 数据采集系统................................................7

3.2方案论证....................................................8

3.2.1A/D模数转换选择...........................................8

3.2.2单片机选择.................................................9

3.2.3显示部分..................................................9

3.2.4 八路数据采集器............................................9第四章硬件部分....................................................10

4.1主机部分...................................................104.1.1 单片机...................................................104.1.2 LCD显示器................................................124.2 模数转换器ADC0809..........................................13第五章 软件部分...................................................165.1 介绍KeilUvision4..........................................16 5.2本系统所用程序代码.........................................17参考文件......................................................................................................................18

第一章绪论

1.1研究背景及其目标意义

多年来,数据采集及其应用受到了大家越来越广泛关注,数据采集系统也有了快速发展,它能够广泛应用于多种领域。

目标是测试中不依靠相关测试文件,由非成熟人员进行操作,而且测试任务是由测试设备高速自动控制完成。因为该种数据采集测试系统含有高速性和一定灵活性,能够满足众多传统方法不能完成数据采集和测试任务,所以得到了初步认可。

20世纪70年代后期,伴随微型机发展, 诞生了采集器、
大约在60年代后期,中国外就有成套数据采集设备和系统多属于专用系统。

一类是试验室数据采集系统,一类是工业现场数据采集系统。

20世纪80年代伴随计算机普及应用,数据采集系统得到了很大发展,开始出现了通用数据采集和自动测试系统。该阶段数据采集系统关键有两类,一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。 这类系统关键应用于试验室,在工业生产现场也有一定应用。第二类以数据采集卡、 标准总线和计算机组成,这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期,数据采集发生了很大改变,工业计算机、单片机和大规模集成电路组合,用软件管理,是系统成本减低,体积变小,功效成倍增加,数据处理能力大大加强。

20世纪90年代至今,在国际上技术优异国家,

数据采集系统已成功利用到军事、航空电子设备及宇航技术、 工业等领域。因为集成电路制造技术不停提升,出现了高性能、高可靠单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一个专门技术,在工业领域得到了广泛应用。该阶段数据采集系统采取模块式结构,依据不一样应用要求,经过简单增加和更改模块,并结合系统编程,就可扩展或修改系统,快速组成一个新系统。

尽管现在以微机为关键可编程数据采集和处理采集技术发展方向得到了快速发展,而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡,把它插在微机扩展槽内并辅以应用软件,就能实现数据采集功效,但这并不会对基于单片机为关键数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功效限制, 单片机具多功效、高效率、 高性能、 低电压、 低功耗、 低价格等优点,而双单片机又含有精度较高、转所以能够开发出能满足实际应用要求、 电路结构简单、换速度 快 、 进 行 采 集 ,

可

1.2中国外研究现实状况

数据采集系统是经过采集传感器输出模拟信号并转换成数字信号,并进行分析、处理、 传输、 显示、 存放和显示。 它起始于20世纪中期,在过去几十年里,伴随信息领域多种技术发展,

采集数据信息化是现在社会发展主流方向。多种领域全部用到了数据采集,在石油勘探、科学试验、 飞机飞行、 地震数据采集领域已经得到应用。

中国数字地震观察系统关键采取TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。多年来, 又成功研制了动态范围更大、线性度更高、 兼容性更强、 低功耗可靠性TDE-324C型地震数据采集系统。

该数据采集对拾震计输出电信号模拟放大后送至A/D数字化,A/D采取同时采样,采样数据经DSP数字滤波处理后,变成数字地震信号。

该数据采集系统含有24位A/D转化位数,采样率有50HZ、100HZ、200HZ。

由美国PASCO企业生产“科学工作室”是将数据采集应用于物理试验崭新系

利用优异传感技术可实时采集技术可实时采集物理试验中各物理量数据;（2）计算机接口:未来自传感器数据信号输入计算机,采样速率最高为25万次/S;（3）软件:汉字及英文应用软件。

受

需

求

牵

引

,

新一代机载数据采集系统为满足飞行试验应用也在快速地发展。

如爱尔兰ACRA企业研发推出新一代KAM500机载数据采集系统到了。

本系统采取16位（A/D）模拟数字变换,总采样率达500K/S,同时时间为+/-
250ns,能够利用方法组成高达1000通道大容量分布式采集系统。
处理和控制等问题。它是对传感器信号测量和处理,
以微型计算机等高技术为基础而形成一门综合应用技术。

数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息过程。

伴随微型计算机技术飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益关键检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场所。

数据采集是工业控制等系统中关键步骤,通常采取部分功效相对独立单片机系统来实现,作为测控系统不可缺乏部分,数据采集性能特点直接影响到整个系统。

尽管现在以微机为关键可编程数据采集和处理技术作为数据采集技术发展方向得到了快速发展,而且适于通用微机(如IBMPC 系列) 使用板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功效

,但这并不会对基于单片机为关键数据采集系统产生影响,因为单片机功效强大、抗干扰能力强、 可靠性高、 灵活性好、开发轻易等优点,使得基于单片机为关键数据采集系统在很多领域得到了广泛应用.

传统基于单片机数据采集系统因为没有上位机支持,不管采取什么样数据存放器,它存放容量全部是有限,所以不得不对存放历史数据进行覆盖刷新,这么不利于用户对数据进行整体分析,所以也不能对生产过程情况进行正确把握。

本系统采取下位机负责模拟数据采集,从单片机负责采集八路数据,并应答主机发送命令,上位机即主机是负责处理接收过来数字量处理及显示,

这么用户能够在上位机上编写多种程序对文件中数据进行有效查询和分析,有利
于工业过程长久正常运行和检验。该系统采取是STM32单片机,
此芯片功效比较强大,能够满足设计要求。
第二章 数据产生

2.1现场模拟信号产生器

自制一电压转换电路,利用可变电阻改变振荡频率,

再经频率电压变换后输出对应1～5V直流电压（200Hz对应1V,2kHz对应5V）。

2.2基于LM331电压频率转换

LM331是美国NS企业生产性能价格比高、外围电路简单、 可单电源供电、

工作频率低到0．1Hz时还有很好线性度,数字分辨率达12位。

所以可经过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲逻辑电平,

以适配TTL、DTL和CMOS等不一样逻辑电路。LM331可工作在4．0V～40V之间,

输出可高达40V,而且能够预防VCC短路。

输出频率计算:

该转换电路线性良好,抗干扰能力强,输出范围在10Hz～10kHz以上,

有利于提升系统测量范围。电路图2.1所表示

图2.1 电压频率转换电路

2.3 基于LM331频率电压转换

图2.2

此时,○脚是输出端(恒流源输出),○脚为输入端(输入脉冲链), ○

脚接比较电平.电路图2.3所表示

图2.3 频率电压转化电路

数据采集,又称数据获取,是利用一个装置,

从系统外部采集数据并输入到系统内部一个接口。

数据采集技术广泛引用在各个领域。

70年代初,伴随计算机技术及大规模集成电路发展,

尤其是微处理器及高速A/D转换器出现,数据采集系统结构发生了重大变革。

原来由小规模集成数字逻辑电路及硬件程序控制器组成采集系统被微处理器控

制采集系统所替换。由微处理器去完成程序控制,数据处理及大部分逻辑操作,

使系统灵活性和可靠性大大地提升,系统硬件成本和系统重建费用大大地降低。

在该系统中需要将模拟量转换为数据量,而

A/D是将模拟量转换为数字量器件,她需要考虑指标有:分辨率、转换时间、

转换误差等等。而单片机是该系统基础微处理系统,它完成数据读取、

处 理 及 逻辑 控 制 ,数 据 传输 等 一 系 列 任 务 。

在该系统中采取是STM32系列单片机。而数据显示则采取是LCD数码管,

该器件比较简单, 在生活中接触也较多。

完成毕业设计所需要系统框图图3.1所表示:

3.1 系统框图

图

3.2方案

3.2.1A/D模数转换选择

A/D转换器种类很多,就位数来说,能够分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高,价格也就越贵。A/D转换器型号很多,而其转换时间和转换误差也各不相同。

(1)逐步迫近式A/D转换器:它是一个速度快、精度较高、成本较低直接式转换器,其转换时间在几微秒到几百微秒之间。

(2)双积分A/D转换器:它是一个间接式A/D转换器,优点是抗干扰能力强,精度比较高,缺点是数度很慢,适适用于对转换数度要求不高系统。

(3)并行式A/D转换器:它又被称为flash（快速）型,它转换数度很高, 但她采取了很多个比较器,而n位转换就需要2n-1个比较器,所以电路规模也极大, 价格也很贵,只适适用于视频A/D转换器等数度尤其高领域。鉴于上面三种方案,在价格、转换速度等多个标准考量下,

3.2.2单片机选择

单片机是一个面向大规模集成电路芯片,是微型计算机中一个关键分支。此系统是由CPU、随即存取数据存放器、只读程序存放器、输入输出电路（I/O口）,还有可能包含定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD和LED驱动电路）、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上,

单片机要使用特定组译和编译软件编译程序,在用keiluvision4把程序下载到单片机内。

3.2.3显示部分

LCD液晶显示器是LiquidCrystal Display 简称,LCD
结构是在两片平行玻璃基板当中放置液晶盒,
下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管）,上基板玻璃上设置彩色滤光片,经过TFT上信号和电压改变来控制液晶分子转动方向,
从而达成控制每个像素点偏振光出射是否而达成显示目标。

现在LCD已经替换CRT成为主流,价格也已经下降了很多,并已充足普及。

3.2.4八路数据采集器

数据采集器第1路输入自制1～5V直流电压,第2～7路分别输入来自直流源5,4, 3, 2, 1, 0V直流电压（各路输入可由分压器产生,不要求精度）,第8路备用。

用串行码送入传输线路。
将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号,再经并/串变换电路,

第四章硬件部分

4.1主机部分

该系统是一个主从式多路数据采集系统,主机和从机均用单片机实现,

ADC0809和LCD12864显示器组成。
它主机部分负责数据处理和显示。它由STM32、

相关STM32

1.介绍

STM32系

列

基于

专

为

要

求高

性

能

、

低

成

本

、

低功耗嵌入式应用专门设计ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不一样系列:

增强型系列时钟频率达成72MHz,是同类产品中性能最高产品;

基础型时钟频率为36MHz,以16位产品价格得到比16位产品大幅提升性能,

是16位产品用户最好选择。两个系列全部内置32K到128K闪存,

不一样是SRAM最大容量和外设接口组合。时钟频率72MHz时,从闪存实施代码,

STM32功耗36mA, 是32位市场上功耗最低产品,相当于0.5mA/MHz。

2.STM32F103性能特点

内核:ARM32位Cortex-M3CPU, 最高工作频率72MHz,1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存放器:片上集成32-512KBFlash存放器。6-64KBSRAM存放器。

时钟、复位和电源管理:2.0-3.6V电源供电和I/O接口驱动电压。POR、PDR和可编程电压探测器（PVD）。4-16MHz晶振。内嵌出厂前调校8MHzRC振荡电路。内部40kHzRC振荡电路。用于CPU时钟PLL。带校准用于RTC32kHz晶振。

低功耗:3种低功耗模式:休眠,停止,待机模式。为RTC和备份寄存器供电VBAT。

调试模式:串行调试（SWD）和JTAG接口。

DMA:12通道DMA控制器。支持外设:定时器,ADC, DAC, SPI, IIC和USART。

双采样和保持能力。 片上集成一个温度传感器。 2个12位us级A/D转换器（16通道）:A/D测量范围: 0-3.6 V。
和112I/O端口,全部端口全部能够映射到16个外部中止向量。除了模拟输入,
全部全部能够接收5V以内输入。

最

多

多

达

11个

定

时

器

:

4个

16位

定

时

器

,

每个定时器有4个IC/OC/PWM或脉冲计数器。2个16位6通道高级控制订时器:

2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器:24位倒计数器。2个16位基础定时器用于驱动DAC。

最多多达13个通信接口:2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口,LIN, IrDA兼容, 调试控制）。3个SPI接口（18Mbit/s）, 两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。

SDIO接口。

ECOPACK封装:STM32F103xx系列微控制器采取ECOPACK封装形式。

4.1.2LCD显示器

LCD液晶显示器是LiquidCrystal Display 简称,LCD 结构是在两片平行玻璃基板当中放置液晶盒,下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管）,上基板玻璃上设置彩色滤光片,经过TFT上信号和电压改变来控制液晶分子转动方向,从而达成控制每个像素点偏振光出射是否而达成显示目标。

现在LCD已经替换CRT成为主流,价格也已经下降了很多,并已充足普及。液晶显示器根据控制方法不一样可分为被动矩阵式LCD及主动矩阵式LCD两种。

带 汉 字 字 库 128X64是一个含 有 4位 /8位 并 行 、
2线或3线串行多个接口方法,内部含有国家标准一级、
二级简体汉字字库点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内 置 8192个 字 ,
也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块组成液晶显示方案和同类型图形点阵液晶显示模块相比,不管硬件电路结构或显示程序全部要简练得多,且该模块价格也略低于相同点阵图形液晶模块。

基础特征:
（1）、低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）（2）、显示分辨率:128×64点 （3）、内置汉字字库, 提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)（4）、内置 128个16×8点阵字符（5）、 2MHZ时钟频率（6）、 显示方法:STN、 半透、 正显 （7）、驱动方法: 1/32DUTY, 1/5BIAS （8）、视角方向: 6点 （9）、背光方法: 侧部高亮白色LED,功耗仅为一般LED1/5—1/10（10）、通讯方法: 串行、 并口可选（11）、 内置DC-DC转换电路,无需外加负压

（12）、无需片选信号,简化软件设计（13）、工作温度:0℃ - +55℃

,存放温度:-20℃ - +60℃

4.2从机部分

该系统从机负责A/D模数转换,并应答主机命令,需要用到ADC0809。

4.2模数转换器ADC0809

在我们所测控信号中军事连续改变物理量,而要对这些信号进行处理,则需要将其转换为数字量,A/D转换器就是为了将连续改变模拟量转换成计算机能接收数字量。

按模拟量转换成数字量原理能够分为3种:双积分式、逐次迫近式及并行式A/D转换器。而该系统选择是ADC0809,下面就具体介绍一下ADC0809工作原理。

1、ADC0809介绍 ADC0809是八通道八位逐次迫近式A/D转换器。由单一5V电源供电,
它引脚排列及其功效,其引脚图见4.10

IN7~IN0: 八个通道模拟输入量。

ADDA、ADDB、ADDC:模拟通道地址线。当CBA=000时,IN0输入,当CBA=111时,IN7输入。

ALE:地址锁存信号。

START:转换开启信号,高电平有效。

D7~D0:数据输出线。三态输出,D7是最高位,D0是最低位。

OE:输出许可信号,高电平有效。

CLK:时钟信号,最高频率为640KHZ。

EOC:转换结束状态信号。上升沿后高电平有效。

Vcc:+5V电源。

Vref:参考电压。

2、ADC0809时序图及其接口电路
ADC0809时序图图4.11所表示:

图4.11ADC0809时序图

其工 作 过 程 是 : ALE上 升 沿 将 A、 B、C端选择通道地址锁存到8位A/D转换器输入端。

START下 降 验 开 启 8位 A/D转 换 器 进 。

A/D转换开始使EOC端输出低电平。A/D转换结束,EOC输出高电平。该信号通常可作为中止申请信号。OE为读出数据许可信号。OE端为高电平时,能够读出转换数字量。硬件电路设计时,需依据时序关系及软件进行设计。

ADC0809和STM32单片机接口方法,图4.12所表示:

其八位数据输出引脚可直接和数据总线相连。地址译码引脚A、B、
C分别和地址总线低三位A0、A1、 A2相连,以选通IN0~IN7中一个通道。

在开启A/D转换时,由单片机P3.4控制A/D转换器地址锁存和转换开启,因为ALE和START连在一起,所以AD0809在锁存通道同时,也开启了A/D转换器。在读取转换结果时,用低电平读信号RD,产生正脉冲作为OE信号,用以打开三态输出锁存器。将转换结果输出。

而低电平写信号WR则表示转换结束状态信号。

第五章软件部分

5.1介绍KeilUvision4

Keil提供了包含C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案,经过一个集成开发环境（UVISION）将这些组合在一起。

Keil有以下多个特点:

1、	全功效源代码编辑器;
2、	器件库用来配置开发工具设置;
3、	项目管理器用来创建和维护用户项目;

4、 集成MAKE工具能够汇编、编译和连接用户嵌入式应用;

5、 全部开发工具设置全部是对话框形式;

6、 真正源代码级对CPU和外围器件调试器;

7、 高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试和和Monitor-

51进行通信

5.2本系统所用程序代码

第六章调试结果

这个系统是一个主从式数据采集系统。系统调试以程序为主,

然后用万用表检测或通电检测其是否有短路或断路。

软件调试包含调试程序和对硬件正确性调试。

在整个系统中,主机采取了STM32单片机,硬件电路现场产生模拟信号,

2,1, 0V直流电压（各路输入可由分压器产生,不要求精度）,第8路备用。

将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号,再经并/串变换电路,用串行码送入传输线路。同时单片机内部软件产生三角波/正弦波/方波,经过按键切换分别显示在LCD液晶显示器上。