基于ARM数据采集系统的设计

刘 锐，王 林

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

1 引 言

随着数字技术的飞速发展，数字化仪器已经成为观测技术领域的主流仪器，因而数据采集技术也成为观测技术中十分重要的技术环节。数据采集技术主要指从传感器输出的微弱电信号，经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，数据采集技术的发展也是日新月异。该文所设计的系统仅仅将模拟的电压量转换成数字量，不过其应用领域非常广泛。

随着网络与通信技术的飞速发展，嵌入式系统的应用已进入到一个高、低端并行发展的阶段，其标志是近年来32位微控制器的发展。ARM是嵌入式系统应用比较广泛的一种32位微处理器核，具有体积小、功耗低、硬件调试方便等适合现场操作的优点，而且32位机移植操作系统比较方便，有利于系统的后续开发和升级。到目前为止，ARM微处理器及其技术的应用已经深入到国民生产的各个领域。

2 系统硬件设计

2.1 微控制器部分

该系统所选择的ARM微控制器是PHILIPS公司生产的ARM7系列的LPC2138芯片。它包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB、ARM AMBA总线的兼容超集）。

模拟信号从J2处输入，然后通过LPC2138自带的ADC进行模数转换，采集到的数据经过LPC2138处理后通过串行口把数据发送到PC机上。系统参考电压由Vref引脚提供，参考电源由电阻R2和电位器W2分压得到，其电压范围为0～3V，J0为测量点。系统的系统时钟电路使用了外部11.0592MHz晶振。微控制器部分电路如图1所示。

2.1.1 工作原理

A/D转换器的基本时钟由VPB时钟提供。每个转换器包含一个可编程分频器，可将时钟调整至逐步逼近转换所需的4.5MHz（最大）。完全满足精度要求的转换需要11个这样的时钟。

2.1.2 功率控制

LPC2138支持两种节电模式，即空闲模式和掉电模式。在空闲模式下，指令的执行被挂起直到发生复位或中断为止。外设功能在空闲模式下继续保持并可产生中断使处理器恢复运行。空闲模式使处理器、存储器系统和相关控制器以及内部总线不再消耗功率。在掉电模式下，振荡器关闭，这样芯片没有任何内部时钟。

2.1.3 实时时钟

实时时钟（Real Time Clock，RTC）提供一套计数器在系统上电和关闭操作时对时间进行测量，RTC消耗的功率非常低，这使其适合用于电池供电、CPU不连续工作（空闲模式）的系统。在使用内部时钟时，必须外加电源。否则，断电后RTC将会停止工作，开机后需要重新设置时间。

2.2 JTAG接口电路

采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG连接图如图2所示。在RTCK引脚接一个4.7kΩ的下拉电阻，使系统复位后LPC2138内部JTAG接口使能，这样就可以直接进行JTAG仿真调试了。一般来说，当使用JTAG调试时，P0.14脚必须接上拉电阻（P0.14脚为开漏输出），让其保持高电平状态；而使用ISP下载程序时，则要使P0.14脚保持低电平状态。

2.3 复位电路

LPC2138有两个复位源，即RESET管脚和看门狗复位，如图3所示。外部复位一旦有效，复位状态将一直保持到外部复位撤除，振荡器开始运行为止。当/MR输人信号低至0.6V时触发一个复位脉冲，在/MR端接一个按键，按键另一端接地，则按键按下时，会产生一个低电平脉冲送到复位发生器中，从而产生200ms复位脉冲输出。当VCC低于域值电平或/MR保持为低时，/RESET输出低电平。

2.4 串行接口电路

由于系统是3.3V系统，所以使用了SP3232E进行RS232电平转换，SP3232E是3V工作电源的RS232转换芯，如图4所示。

当要使用ISP功能时，将PC口（如COM1）与开发板的CZ2相连，使用UART0进行通信。同时还要把J1短接，使ISP的硬件条件得到满足。在系统复位时若P0.14口为低电平，则进入ISP状态。

2.5 电源电路

微控制器的内核和I/O口使用同一电源电压，只需单电源3.3V供电。如图5所示，由USB CZ1接口输入5V直流电源，二极管D2用于限制电源的导通方向，经过C1、C9滤波，然后通过SPX1117M-3.3将电源稳压至3.3V。LPC2138具有独立的模拟电源引脚V3A、VSSA，图5中的L1和L2就是用于电源隔离的元件（将数字电源的高频噪声隔离）。

3 系统软件设计

3.1 主函数设计

系统的软件设计采用的是模块化设计方法，主函数包括系统的初始化、A/D转换设置。串口初始化以及数据传输则是通过调用子程序的方式来完成。

主程序代码结构如下：

3.1.1 ADC模块设置

首先将测量通道引脚设置为AIN3功能，然后通过ADCR寄存器设置ADC的工作模式，ADC转换通道，转换时钟（CLKDIV时钟分频值），并启动ADC转换。源程序如下：

3.1.2 向串口发送数据

该模块的作用是使用查询方式向串口发送字节数据，并等待数据发送完毕，其中Data是要发送的数据。工作流程中，首先向UART0发送字节数据，接着向发送寄存器写入数据并判断是否发送完成，若没有发送完成则返回继续发送，直到发送完毕为止，程序流程图如图6所示。

3.1.3 从串口接收字节数据

该模块的作用是使用查询方式，从串口接收字节数据。工作流程中，首先从UART0接收字节数据，判断是否有数据进来。若有新数据则从接收寄存器读取数据，直到接收字节数据完成；若没有新数据，则返回继续判断，程序流程图如图7所示。

3.2 综合程序介绍

首先设置I/O连接到UART0，P0.30连接到AD0.3，然后初始化UART0，即设置数据位、停止位、有无奇偶校验、波特率；接着进行AD转换设置并启动ADC，从AD0.3读取转换结果并把结果转换成电压值发送到UART0，并由PC机显示结果。综合程序流程图如图8所示。

图6 向串口发送字节数据流程图

图7 从串口接收字节数据流程图

图8 综合程序流程图

4 结束语

在设计中，主要是针对ARM数据采集系统进行研究与设计。系统以32位ARM7TDMI-S处理器LPC2138为核心，以其自带的ADC作为模数转换器件，提高了转换效率以及系统的实用性，克服了传统数据采集系统受环境制约的因素，不过在转换精度方面还有待提高。

设计系统相对比较简单，LPC2138的很多功能没有体现出来，在此基础上还可以增加其他的扩展功能。例如，采集数据可以改为多通道循环采集，并且可以外接一个液晶显示屏，这样的话测得的电压值不但能通过PC机显示，而且在液晶屏上也能显示。数据的传输不仅可以依靠串口，而且可以利用USB进行数据的传输。而此次设计的系统仅利用了USB的供电功能，还可以外接CAN控制器，实现CAN的一系列功能。

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