基于LPC2378的数据采集系统的设计

摘要：本文介绍了以LPC2378微处理器为核心的数据采集及处理系统，给出了各模块、接口和软件设计。

关键词：LPC2378；数据采集；模块功能

引言

　　在工业控制系统中，为了更好地实现对系统的控制，除了控制单元和执行单元外，还必须有反馈环节。在反馈环节中，最重要的就是对数据的采集和处理。一般的工业控制中，数据有很多种形式，最常见的有电流、电压的模拟量、以二进制形式输入的开关量以及以脉冲形式输入的脉冲信号。

　　本文主要讨论了以LPC2378微处理器为核心的数据采集和处理系统的实现过程。

系统结构

　　以NXP公司LPC2378为核心构成的控制系统的结构如图1所示。该控制系统主要包括：嵌入式主控模块、电源控制模块、数据采集和处理模块(A/D、D/A、R/D)、串口扩展模块(SC16C554)。由主控模块进行控制，其他模块协同工作，共同实现数据采集和处理的功能。处理器和CPLD模块是整个系统的核心，它控制各模块间的协同工作；电源控制模块负责为芯片提供所需要的工作电压，并对电压进行监测，同时提供系统的复位功能；数据采集和处理模块由A/D、D/A、R/D构成，实现数据的数模或模数转换；串口扩展模块实现了与LPC2378之间数据的串、并行转换，并完成与上位机的通讯功能。

图1 数据采集处理系统框图

　　SC16C554扩展出4路UART接口，波特率等底层协议由程序独立设置，每个通道具有16字节的FIFO，兼容16C550。通过线路板接插件引入2组外部双口RAM的存取接口，符合IDT7130的时序要求，数据、地址及控制信号等驱动。为方便客户未来的扩展应用，系统向外部预留2组CAN总线接口。系统中实现2路A/D，2路D/A，2路R/D；并预留12位IO控制口，每位可单独设置为输入或输出。

硬件设计

　　主控模块

　　该模块由LPC2378和CPLD (EPM7128AE)构成。LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位 RISC微处理器。处理器带有Thumb指令扩展；主频高达72MHz；片内集成512KB Flash，支持ISP及IAP，58KB SRAM，PLL加强型矢量中断控制器，10/100M以太网带DMA，USB2.0全速设备接口，2路CAN 2.0接口，通用DMA控制器，4个UART接口，1个具有全功能Modem的接口，3个I2C串行接口，3个SPI/SSP串行接口，一个I2S接口，SD/MMC记忆卡接口，8路10位 ADC，1路10位DAC，4个32位捕获/比较时钟，看门狗时钟，PWM模块支持3相马达控制，RTC实时时钟带可选后备电池，通用I/O等。CPLD主要负责整个系统的译码工作，从而为系统中的某些芯片产生片选和控制信号。

　　电源控制模块

　　通过接插件向线路板提供±15V、±12V、＋5V的直流电源。由于系统中大多数芯片的工作电压均为3.3V或5V，故选择的电源电压调节器为TPS76633，它能对外提供3.3V的电压及250mA的电流，且误差在3%以内。为了使系统能稳定的工作，抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，需要使用磁珠进行系统的模数隔离。

　　系统工作时，会经常要求进入复位工作状态，所以，系统的复位电路必须能准确、可靠地工作。这里的复位电路采用LTC1326芯片，同时实现低电平复位和手动复位功能。LTC1326能够在有多种电压供电的系统中实现同时对3种电压的监控功能。为了提高芯片的抗干扰能力，应给每个Vcc引脚接一个0.1μF的对地旁路电容。

　　数据采集和处理模块

　　·A/D接口电路
　　LPC2378本身提供有8路10位ADC和1路10位DAC，而该系统要求提供的A/D和D/A精度均为12位，故需要扩展外部A/D和D/A。

　　AD7922是12位逐次逼近型高速、低功耗的A/D转换器，吞吐率最高可达 1MSPS。本系统采用通过LPC2378的SPI接口直接与其相连，不需要其他的附加逻辑电路。在采集过程中，选择不同的通道进行采集。

　　·D/A接口电路
　　DAC7574是12位、低功耗、4路带缓冲器的电压输出型D/A转换芯片，最高速率可达3.4Mbps。外部为该芯片提供的工作电压为5V，故转换后的电压输出范围是0~5V，需要设计D/A转换后输出电压范围是-10V~+10V，所以要用到两级运算放大器，第一级构成反相求和电路，第二级构成反相比例运算放大电路。经过第一级运放后，得到-2.5V~+2.5V的电压值，再经过第二级运放后得到-10V~+10V的电压范围。为了在第一级运放的输入端获得精准的-2.5V电压，这里使用LM236，它是能够提供精确的-2.5V电压的稳压芯片。                          

　　R/D接口电路

　　AD2S80A是最新一代旋转变压器数字转换芯片，又叫角分解器(Resolver)，是一种特殊的模数转换器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。AD2S80A的分辨率有10、12、14、16bits几种可选。用户通过选择不同的外接电阻和电容，可以得到不同的带宽和跟踪速率。本系统中只用到了R/D的8条数据线(DB1~DB8)，其余8条数据线(DB9~DB16)接地。LPC2378负责处理AD2S80A送来的信号，AD2S80A与LPC2378的相关引脚直接相连，接口电路如图2所示。

图2  AD2S80A与LPC2378的连接图

　　串口扩展模块

　　MAX3074是RS-422总线的收发器，其功能是实现RS-422总线信号电平到SC16C554可接受信号电平的转换。该系统中共使用6片MAX3074，其中4片与SC16C554的4路UART端口连接(其中两路做为备用)，其余2片与LPC2378的两路UART端口相连。

　　MAX3221是RS-232总线的收发器，其功能是实现RS-232总线信号电平到LPC2378可接受信号电平的转换。系统中使用2片MAX3221与LPC2378其余两路UART端口相连(图3)。

图3  总线电平转换示意图

系统软件设计

　　系统的软件开发工具采用ADS1.2，设计语言使用ARM C。为了实现系统各部分的正常运行，在进行软件设计时必须充分考虑3个因素：程序的可靠性；程序的严密性；程序的稳定性。

　　软件程序由主程序和中断服务程序构成。主程序中首先完成系统的初始化，接着进入一个无限循环的后台程序，巡回地执行多个事件，完成相应的操作；使用向量IRQ中断，中断服务程序采用基于定时器的巡回服务流程，完成事务处理。对于CPLD的软件设计工具采用Altera公司的MAX PlusII，使用VHDL编程语言。

结语

　　本文从硬件设计和软件设计两方面对基于LPC2378微处理器的数据采集系统的设计进行了介绍。该系统现已在中国兵器工业集团某研究所的一大型系统中得以应用，工作可靠、稳定。

参考文献：

　　1.  周立功等，ARM嵌入式系统基础教程，北京航空航天大学出版社，2005
　　2. 杜春雷，ARM体系结构与编程，清华大学出版社，2003
　　3. 杨宗德，嵌入式ARM系统原理与实例开发，北京大学出版社，2007
　　4.  ADS1.2 Online books
　　5. 裘雪红、顾新、侯伯亨等，微型计算机原理与接口技术，西安电子科技大学出版社，2001
　　6. 周立功等，深入浅出ARM7，北京航空航天大学出版社，2005