基于ARM多路采集系统实验报告

1、前言多路数据采集系统在现代工业中是必不可少的。基于单片机的多路数据采集系统是一种对单片机性能要求中等，结构简单，实用性较强的低端电子产品，单片机作为核心器件，以其体积小、成本低、速度快、升级容易等优点具有很好的现实意义。单片机实现的数据采集系统的应用越来越多的被采用.本文介绍了基于ARM的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机。数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了ARM单片机来实现，硬件部分是以ARM为核心，还包括A/D模数转换模块，显示

2、模块，和串行接口部分。该系统从机负责数据采集并应答主机的命令。8路被测电压通过模数转换器ADC0809进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过串行口MAX232传输到上位机，由上位机负责数据的接受、处理和显示，并用LED数码显示器来显示所采集的结果。软件部分应用keil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 ARM ADC0809 MAX232目录前言1第1章 绪 论3§1.1 研究背景及其目的意义3§1.2 课题设计内容及要求5§1.3 硬件设计方案6§1.

3、4 软件设计方案7第2章 多路数据采集系统的硬件设计10§2.1 ARM芯片控制模块10§2.2 模拟电压采集接口模块12§2.3 LCD显示模块14第3章 多路数据采集系统的软件设计17§3.1 主程序流程的设计17§3.1.1 开关量检测的软件设计18§3.1.2 LCD显示的软件设计18§3.2 定时中断的软件设计19§3.2.1 AD转换的软件设计20§3.2.2 键盘扫描的软件设计21结论22参考文献23致谢23附录24第一章 绪论1.1 研究背景及其目的意义近年来，数据采集及其应用受到了人们越

4、来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专

5、用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，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的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，

6、数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采

7、集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 课题设计内容及要求随着工业自动化、智能化的提高，人们对数据采集系统功能和性能都提出了越来越高的要求。为了较好的满足这些需求，本设计的多路数据采集系统通过ARM芯片的A/D和I/O口，实现对多路模拟信号和数字信号的采集，具有以下的功能

8、和性能指标。1.3 硬件设计方案根据多路数据采集系统具有的功能和性能指标，设计出来的多路数据采集系统的方案设计的硬件部分主要分为以下几个模块：ARM芯片控制模块是整个系统的控制核心。它负责采集经处理过的电压，开关量信息，并送到LCD进行显示，控制和协调系统各模块的工作。模拟量采集接口模块用于对模拟量进行预处理，使其转化为单片机能够处理的数字量。开关量采集接口模块用于对数字量进行预处理，使其转化为单片机能够处理的数字量。例如，控制芯片处理电压信号范围为0V5V，所以开关量的高电平状态的电平值要先转化为5V以下。键盘输入模块用于输入用户命令，如改变开关量状态，显示开关量等。LCD显示模块用来显示待

9、采集的信号的数值或状态以及相关的提示信息。电源模块为各个模块提供工作电源。多路数据采集系统硬件部分的总框图如图1-1所示：图1-1 系统硬件的总框图1.4 软件设计方案根据方案要求多路数据采集系统软件部分采用结构化程序设计。采用结构化程序设计可以使程序结构清晰，层次分明,易于编写与调试。本软件系统主程序的总框图见图1-2。图1-2 主程序的总框图主程序扫描键盘，显示相应的开关量状态。主程序和定时中断服务程序通过全局变量进行数据传递。定时中断服务程序向主程序递AD转换结果，供主程序计算模拟电压值。LCD显示程序接收数据，显示模拟电压值和开关量状态。第2章 多路数据采集系统的硬件设计在硬件的设计前

10、期，根据框图对系统中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。在第一章中已分析了系统并绘制了框图，多路数据采集系统硬件设计部分采用模块化的设计思想，将整个系统分成几大模块：ARM芯片控制模块、模拟量采集接口模块、开关量采集接口模块、LCD显示模块。通过模块化的方法先焊接和调试各个单元模块，最后进行组装和测试，从而使复杂的问题简单化，提高了系统设计的效率。2.1 ARM芯片控制模块ARM控制模块是整个系统的核心。本系统采用LPC2124芯片为核心元件。2.1.1 LPC2124芯片概述 LPC2114/2124是基于一个支持实时仿真和跟踪的1

11、6/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有128/256 k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 由于LPC2114/2124非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、PWM输出、46个GPIO以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（POS）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软

12、件调制解调器以及其它各种类型的应用。2.1.2 主要特性 > 16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。 > 16 kB片内静态RAM。 > 128/256 kB片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率。 > 通过片内boot 装载程序实现在系统编程 （ISP） 和在应用编程 （IAP） 。 512 字节行编程时间为1ms。单扇区或整片擦除时间为400ms。 > Embedded ICE可实现断点和观察点。当使用片内RealMonitor软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行。 > 嵌入式跟踪

13、宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 > 4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44µs。 > 2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道） 、PWM单元（6路输出） 、实时时钟和看门狗。 > 多个串行接口，包括2 个16C550工业标准 UART、高速I2C接口（400 kbit/s）和2个 SPI接口。 > 通过片内锁相环（PLL）可实现最大为60MHz 的 CPU操作频率。 > 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 > 多达46个通用I/O口（可承受5V电压） ，9个边沿或电平触发的外部中断引脚。 > 片内晶振

14、频率范围：130 MHz。 > 2个低功耗模式：空闲和掉电。> 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 > 可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。 > 双电源 CPU操作电压范围：1.651.95 V(1.8 V± 0.15 V) I/O操作电压范围：3.03.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V电压。根据以上特性LPC2124芯片足以满足本次实验的要求.LPC2124的管脚图如下:2.2模拟电压采集接口模块本系统采集8路电压模拟信号，8路电压信号的采集接口模块是相同的。本设计采用TLC2543模数转换器实现模拟电压的采集,完成AD转换.2.

15、2.1 TLC2543器件简介LC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。TLC2543的特点:（1）12位分辩率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10s转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66kbps；（6）线性误差±1LSBmax；（7）有转换结束输出EOC；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程输出数据长度。TLC2543的引脚排列及说明,TLC

16、2543有两种封装形式：DB、DW或N封装以及FN封装，这两种封装的引脚排列如图1，引脚说明见表1。图1TLC2543的封装上表为TLC2543引脚说明2.3 LCD显示与键盘扫描模块2.3.1 LCD显示 液晶显示器是一种被动的显示器件,它不能发光,只能使用周围环境的光.被动显示方式使得LCD显示图像或字符时只需要很小的能量,所以LCD具有低工作电压,微功耗,无辐射,小体积等特点,这使得LCD成为较为出色的显示方式.LCD还具有寿命长,不易引起视疲劳等优点,正在被广泛应用于仪表,家用电器,计算机以及交通和通信等各个领域. 本设计采用LCD显示模块选用的是液晶显示器LM041L。用于显示四行数

17、据, LCD显示模块用于显示采集到的模拟电压和开关量的状态等数据以及相关提示信息。LM041L液晶显示器的结构及其特点: 标准的LCD字符型显示器模块的接口引脚名称和引脚功能如下11：  （1）GND：供电电源地。 （2）Vcc：供电电源正输入端（+5V）。 （3）Vo：液晶显示器对比对调整。 接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高；使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。 （4）RS：寄存器选择输入。 RS=0，选择指令寄存器。可以写指令，读忙标志或地址计数器；RS=1，选择数据寄存器。可以写和读数据。&

18、#160;（5）RW：读写信号线。 高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平,RW为低电平时可以写入数据。 （6）E：命令使能端。 当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 （7）DB0DB7（或D0D7）：8位双向数据线。 （8）BL1BL4：背光板工作电压的输入端。 LM041L字符型显示器模块是4行×16个字符LCD显示器。该器件由64个字符点阵块组成，可以显示ASCII码表中的所有可显示字符。LCD字符型显示器外形和引脚排列、名称如下图所示。 第三章

19、 多路数据采集系统的软件设计本章介绍了该设计的软件方面，软件采用模块化方式进行编程，用到该模块时可直接调用，为了更好地理解程序模块的功能，每个模块都给出了相应的流程图。3.1 主程序流程的设计图3-1 主程序流程图主程序开始后，进行系统初始化，初始化过程包括设置堆栈、定时器0初始化、定时器1初始化、ADC初始化、串口初始化和开启中断等。之后进入循环，在循环中读取用户按键值，根据用户按键值，计算和显示相应的数据。3.1.1开关量检测的软件设计根据第二章的开关量采集接口的介绍可以看出开关量的检测(以key1为例)过程如下：先读取P0.1的值，根据P0.1的值判断key1的开关量状态。具体流程图如下

20、：图3-2 开关量检测流程图3.1.2 LCD显示的软件设计本设计采用LCD显示模块选用的硬件器件是液晶显示器LM041L。它是便携式电子设备常用的芯片。软件设计也不难。类似于平常用的数码管LED显示。LCD显示的主要是开关量和在负载上采集的电压值。具体方法是，把数字值的每位都分离出来，转化为数组元素，再调用发送数据子程序进行发送显示，最后显示设计要求的电压。LCD模块采用串行口控制的方法，LCD模块与LPC2124的串行口P0.0-P0.10相连接。单片机通过串行口向LCD发送命令，LCD接收到命令后完成相应的动作。3.2定时中断的软件设计图3-4 定时中断服务程序流程图进入定时中断服务程序

21、后，首先进行保护现场。控制器相应中断后，只保护断点而不保护现场信息，如累加器A、工作寄存器、程序状态字PSW等。所以，在编制中断服务程序时应手动保护现场。之后，切换工作寄存器组，单片机共有4组工作寄存器组，主程序默认用寄存器组0，进入中断服务程序后要进行工作寄存器的切换，否则主程序中工作寄存器里保存的值可能被中断程序破坏。然后调用AD转换程序和键盘扫描程序。最后，恢复现场，返回主程序。3.2.1 AD转换的软件设计图3-5 A/D转换程序的基本流程图当处理多路数据时，ADC的初始化一般放在主程序开始处，第一次进入定时中断转换服务程序之前。每次进入定时中断转换服务程序时，只转换一路数据，转换完成

22、后，切换AD转换通道。等下次进入中断程序时再进行转换，并切换AD转换通道。只要保证最后一次转换完毕后，AD转换通道切换为第一次转换的通道就能形成一个AD转换的循环，从而实现多路数据采集。3.2.2键盘扫描的软件设计图3-7 键盘扫描程序流程图键盘扫描的工作过程：当调用键盘扫描子程序时先判断是否有键按下，没有则返回，当有键按下先判断是否延时结束，相当于调用延时程序去抖动，再判断是否有键按下，没有则返回，当有键按下时，查键号保存键值。键值保存在全局变量中，因键盘扫描程序的调用时间间隔为定时中断的时间，间隔时间非常短，所以，保存键值的全局变量总是保存着最新的按键值。主程序可以根据该按键值，判断开关量

23、状态和执行相应的程序。结论本多路数据采集系统实用性强，能够很好地巡回采集测量控制多路数字信号和模拟信号，结构较为简单，成本低，外接元件少。在实际应用中工作性能稳定，测量电压准确，精度较高。而且用ARM完成电压实时数据的传递和其他控制工作。并通过串口和LCD显示端连接，拥有较好的人机界面。适用范围广泛，可以单独使用作为监控仪，应用于电子器件环境变化，工业厂房测量各部分的工作电压等等。也可以作为智能控制系统的一部分，与其它设备协同工作。系统移植性强，只需改变或添加前端测量用的传感器类型，可在此基础上修改为其他非电量参数的测量系统。但是由于时间仓促，本多路数据采集系统，还有一些不足之处，希望各位老师

24、能多提宝贵意见！参考文献1 刘凯.ARM嵌入式接口技术应用.清华大学出版社，20092 周立功.C程序高级教程.北京航空航天大学出版社，20093 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社，20094 周立功.ARM嵌入式实践教程.北京航空航天大学出版社，20105 常铁原，王欣，陈文军. 多路数据采集系统的设计.电子技术应用，2008致谢在本次多路数据采集系统设计过程中，通过对本次课程设计的认识与学习，并在其他同学的帮助下，提高了自己分析设计的能力。在课程设计期间，我不断到图书馆，在网上、图书室查阅资料，提出了设计方案，经过指导老师的认真辅导，及同学的帮助下，并不断改进设计中的

25、缺陷，形成了我现在的设计。同时通过温老师的指导以及和同学的交流中，我也在解决问题的同时学会了应该以何种态度面对困难，懂得了如何查阅资料，而且在完成课程设计的同时我也有了自己的搞科学研究的世界观，总结了许多学习经验，这些经验将对我以后的工作生涯带来很大的帮助。本文写作过程中也得到了部分老师和同学的热心帮助，在此一并表示衷心的感谢！附录系统原理图：主机部分源程序：#include"LPC21xx.h"#include"LCD.h"#include"AD_2543.h"#include"key.h"/*宏定义*/unsigned char p11='0','1','2&