基于ARM7的工业控制数据采集系统的研究

摘要：在现代工业控制中利用计算机进行高速数据采集已成为其重要组成部分，但是仅靠单片机等进行工业控制还存在着不完善的地方。为此提出基于嵌入式的数据采集方法，并根据目前嵌入式系统的发展现状，选定ARM7芯片STM32F103VBT6作为主控芯片，给出系统框图并设计了前端调理电路、A／D转换电路、调试电路。采用Linux操作系统，在Linux平台上进行了应用程序设计。实践表明，嵌入式数据采集系统提高了系统的可扩展性和灵活性，在工业测量与控制领域有较为广阔的应用前景。
关键词：数据采集系统；嵌入式系统；ARM；Linux

0 引言
在工业测量控制领域，需要获取大量的实时现场参数，由于环境恶劣复杂多变，数据采集系统多为工控机来完成，但工控机体积大、功耗大，可靠性较差、安装不方便同时成本也不低。另外还有专用的数据采集系统，可以独立工作，利用DSP(数字信号处理器)和MCU(微控制器)完成。缺点是价格很高，人机交互能力差。嵌入式处理器的高速发展有效地弥补了工控机的不足，尤其是ARM处理器。它不仅集合上述采集系统的优点，克服了其缺点，同时还加入了一些新的功能，新的特性。新功能新特性的加入，又进一步拓展了其应用领域，应用范围，能针对不同的需求，具有很大的灵活性。
该方案采取ARM处理器来实现，ARM处理器通常都是SoC芯片，其大量的片上外设，相比传统控制器如单片机更强大的性能是其主要特点。现今的ARM处理器性能已经具备处理简单的信号处理的能力，在系统设计中采用ARM处理器无疑能从各个方面受益，包括性能、功能、成本、功耗等各个方面。

1 系统土作原理、硬件设计
该课题研究基于ARM7芯片STM32F103VBT6的数据采集硬件平台和基于嵌入式Linux操作系统的数据处理软件平台，开发了一个集嵌入式控制、高速数据采集、实时处理及友好人机交互界面于一体的平台，能对现场信号进行高速采集、处理与显示。数据采集系统硬件模块主要包括：前端调理模块，A／D转换模块、微处理器主模块、人机接口单元。系统的基本结构框图如图1所示。

1．1 信号调理模块
信号调理模块对传感大过来的信号进行调理，通过信号调理的隔离、放大、滤波等，使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善。设计合适的信号调理电路，不但要考虑信号调理本身的内容，还要考虑信号调理电路的应用环境以及被测参数所代表的意义。
1．2 ARM处理器
多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU。数据采集系统硬件开发平台搭建的第一步就是做好ARM核的选择，ARM体系的各种系列如ARM7，ARM9等分别针对不同的嵌入式系统应用场合。
该系统采用基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6作为主控芯片，它具有非常丰富的片内资源，例如实时时钟(RTC)、定时器(TIM)、通用I／O接口(GPIO)、DMA控制器、A／D转换器、USART接口、I2C接口、SPI接口和CAN总线接口还包括20 kB的片内SRAM，128 KB的片内FLASH以及一个支持USB 2．O规范的全速USB外围设备等，它是整个系统的主控单元，协调其它模块完成数据采集、存储、处理、控制、传输等多项功能。