数据采集系统设计

数采系统

２０１２年１月１日第３５卷第１期

现代电子技术

ＭｏｄｅｒｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｉｕｅ　　ｑ

Ｊａｎ．２０１２

Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．１

数据采集系统设计

蔡　畅，戚文军，农　登，李　林，周　楠

（）广州有色金属研究院，广东广州　５１０６５０

摘　要：设计一种基于Ｓ实现现场数据的采集、传输、显示和存储。数据采集过程由ＴＭ３２和ＣＰＬＤ的数据采集系统，／采用Ｖ进行数据的滤波、放大、转换，实现多通道数据ＣＰＬＤ控制，ｅｒｉｌｏＨＤＬ语言设计输入通道选通和ＡＤ采集控制程序，ｇ　在Ｓ传输，并在Ｐ实现数据的显示、存储。系统可实现多通道的采集；ＴＭ３２中实现数据处理、Ｃ机中开发上层数据管理软件，数据采集实时显示的要求，电路设计方法简单、可靠性高，能满足实际应用的要求。

关键词：ＳＴＭ３２；ＣＰＬＤ；实时数据；数据管理

）中图分类号：ＴＮ７１０３４；ＴＰ２１２　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　文章编号：１００４３７３Ｘ（２０１２０１０１５７０３－－－－

Ｄｅｓｉｎｏｆｄａｔａａｃｕｉｓｉｔｉｏｎｓｓｔｅｍ　　　　ｇｑｙ

，Ｑ，ＮＯＮＧ，，ＣＡＩＣｈａｎＩＷｅｎｕｎＤｅｎＬＩＬｉｎＺＨＯＵ　Ｎａｎ　　－　　ｇｊｇ

（，Ｇ）ＧｕａｎＺｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓｕａｎｚｈｏｕ５１０６５０，Ｃｈｉｎａ　　　　－　　ｇｇ

：Ａ，，Ａｂｓｔｒａｃｔｄａｔａａｃｕｉｓｉｔｉｏｎｓｓｔｅｍ　ｗａｓｄｅｓｉｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ａｎｄＣＰＬＤｔｏｒｅａｌｉｚｅａｃｕｉｓｉｔｉｏｎｔｒａｎｓｏｒｔｄｉｓｌａ　　　　　　　　　　　ｑｙｇｑｐｐｙａｎｄｓｔｏｒａｅｏｆｏｎｌｉｎｅｄａｔａ．ＴｈｅｓａｍｌｉｎｒｏｃｅｓｓｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｔｈｅＣＰＬＤｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｄａｔａａｃｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ｖｅｒｉｌ　　　－　　　　　　　　　－　　－ｇｐｇｐｙｑ　　，ｒｏｒａｍｍｅｒｏＨＤＬｌａｎｕａｅｗａｓａｄｏｔｅｄｉｎｔｈｉｓｓｓｔｅｍ，ｔｗｏｍｏｄｕｌｅｓｗｅｒｅｄｅｓｉｎｅｄｂｔｈｅｉｎｃｌｕｄｉｎｉｎｕｔｃｈａｎｎｅｌｃｏｎ　　　　　　　　　　　　　－ｐｇｇｇｇｐｙｇｙｇｐ　　　

／，，ｎｅｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄＡＤａｃｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓｏａｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｆｉｌｔｅｒｉｎａｍｌｉｆｉｎａｎｄｃｏｎｖｅｒｔｉｎｏｆｏｎｌｉｎｅｄａｔａ．Ｔｈｅｄａｔａｗａｓ　　　　　　　　　　　－　　　ｑｇｐｙｇｇ　　ａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｂＳＴＭ３２．ＴｈｅｕｅｒｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｄａｔａｍａｎａｅｍｅｎｔｗａｓｄｅｖｅｌｏｅｄｉｎＰＣｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄｉｓｌａｉｎｒｏｃｅｓｓｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　　ｙｐｐｇｐｐｙｇｐ　ａｎｄｓｔｏｒａｅｏｆｄａｔａ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｓｔｅｍｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｄｉｓｌａｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｄａｔａａｃｕｉｓｉ　　　　　　　　　　　　　－　　　－　　－ｇｙｐｙｑｑ　ｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｓｔｅｍｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｎｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｉｔｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆａｌｉｃａｔｉｏｎ．ｒａｃｔｉｃａｌ　　　　　　　　　　　　　　ｙｇｐｑｐｐｐ

：；ｍＫｅｗｏｒｄｓＳＴＭ３２；ＣＰＬＤ；ｒｅａｌｔｉｍｅｄａｔａａｎａｅｍｅｎｔｏｆｄａｔａ－　　　ｇｙ

０　引　言

随着自动控制和计算机技术的成熟和发展，以及它们和传统工业的结合，加工设备的自动化程度有了大幅度的提高，各种控制设备与控制技术得到了广泛应用，大大提高了加工制造的效率，当然这种高效的生产对检而依靠传测量的精确性和实时性也提出了更高的要求，统的数据采集方法（即由操作工人凭借简易测量工具进已无法满足这种要求。行测量）

目前，生产设备的参数采集手段主要有便携式检测仪和在线检测系统

［］１６－

存储、传输等功能务。因此开发出具有实时数据采集、的在线数据采集系统是十分必要的。１　系统的整体方案与工作原理

数据采集系统是基于ＣＰＬＤ和ＳＴＭ３２的弱信号采集电路，可用于各种弱信号检测的应用研究中，整个信号放大、数据采样处理和主计算机系统由信号滤波、

］７８－

。信号滤波防止信号产生“混叠现传输接口等组成［

；／象”信号放大对输入信号进行调理，使信号在ＡＤ转以满足采样的要求；数据采换能够转换的电压范围内，

样处理完成模拟信号的采样保持和数字化；与主计算机的数据接口，将数据上传给计算机，满足信号检测的实时性，进行数据的存储、显示等。数据采集电路板硬件功能模块构成如图１所示

。

，采用便携式仪器需要花费大量

的人力和时间，采集到的数据不能实时反映设备加工的具有一定局限性；一般的在线检测系统，检测数据状态，

相对单一，不能满足多成分分析的需要；对于一些大型虽然能满足实时检测和精度要求，但的在线检测系统，

系统体积庞大、投资多、难以推广使用，并且国内很多在线检测系统，对检测到的数据缺乏综合利用和管理，不能很好地为工艺和装置的优化节能及节能减耗改造服

收稿日期：２０１１０７２８－－

图１　数据采集电路板硬件功能模块构成

数采系统

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２　系统硬件结构

现代电子技术

２０１２年第３５卷

具ＡＤＧ５０８是一款８通道ＣＭＯＳ模拟多路选择器，

通道切换具有防短路功有高速转换速度和低内阻特性，

能。在Ｃ它可对采集信号进行有序通道切ＰＬＤ控制下，／，（换。ＡＤ转换芯片选用ＡＤ９７７ＡＤ９７７是ＡＤＩＡｎａｌｏｇ

）／公司推出的一款高速１输入电６位ＡＤ转换器，Ｄｅｖｉｃｅｓ压范围为－单极５Ｖ电压供电，采样频率可１０１０Ｖ，～＋。数据采样系统最大采样速率可达５，达１００ｋＨｚ０ｋＨｚ信号分辨率可达０．３ｍＶ。通过采用多路转换开关／降低了成本。ＡＤＧ５０８与１６位ＡＤ配合使用，２．３　数据传输模块

主要负责数据处理、传输ＳＴＭ３２是数据通信芯片，

控制、参数设置等。采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ｘＢ系列ＡＲＭ芯片，该系列芯片是意法半导体基于Ｃｏｎｔｅｘ３内核的－Ｍ可以满足高性能、低功耗和低成本特性３２位微处理器，

拥有丰富的嵌入式应用。芯片具备７２ＭＨｚ时钟频率，的外设装置，包括１２８ＫＢ嵌入式闪存、２０ＫＢ的两个Ａ三个ＵＡＲ支持ＵＳＲＡＭ、ＤＣ接口、Ｔ、ＳＢ、ＣＡＮ

和七个ＤＭＡ通道等丰富的外围模块，以其高速的指令执行速度、方便的ＪＴＡＧ调试方式和低功耗等特性为数据采集与处理的设计提供了一个较为完善的平台。数据传输电路如图４所示

。

整个系统由信号预处理、信号采集和数据传输三大其中信号预处理进行信号滤波、信号放大，预模块组成，

处理模块由ＭＣ信号采集进行１５５８，ＭＣ１５５６等组成；

／／信号选通、信号采集模块由ＡＡＤ转换；Ｄ５０８、ＡＤ转换芯片、数据传输进行数据的软件滤波、通ＣＰＬＤ组成；数据传输由Ｓ过通信口与上位机进行通信，ＴＭ３２芯片、信号输出接口模块组成。２．１　信号预处理电路

由于待采集电压信号输入动态范围较宽，且极性各异，采用输入电压范围可调的信号预处理电路。信号预处／（）

。理电路如图２所示，信号放大倍数为ＲＲ１００×１００１×２

图２　信号预处理电路

２．２　信号采集模块

ＣＰＬＤ是在ＰＡＬ、ＧＡＬ等逻辑器件的基础上发展同以往的ＧＡ起来的，Ｌ、ＰＡＬ等相比，ＣＰＬＤ的规模比

９］

。采较大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用场合［

图４　数据传输电路图

／ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＢＴ６的所有ＩＯ端口兼容ＣＭＯＳ

和Ｔ在５Ｖ引脚上的输入电压最小值为－０．ＴＬ，３Ｖ，最大值为５．低电平电压范围为－０．高５Ｖ，５～０．８Ｖ，电平电压范围为２．经Ｅ０～５．０Ｖ，ＰＭ７１２８输出的数据直接与Ｓ简化了电路。ＴＭ３２Ｆ１０３ＶＢＴ６连接，３　软件设计

根据设计任务的要求，系统软件主要完成数据的采集、滤波处理、串口与Ｐ数据采集软件由信Ｃ机的通信，号采集与通信模块软件、上位机监控软件两部分组成。３．１　信号采集与通信模块软件设计

数据采集系统的固件驱动程序（又称单片机程序）是固化到Ｃ采用模块化设计，主要ＰＵ模块内的软件，模块包括：信号采集控制模块和数据传输模块两大部分。信号采集控制模块软件固化到Ｃ数据通ＰＬＤ中，信模块软件固化到ＳＴＭ３２中。

信号采集控制模块软件利用Ａｌｔｅｒａ公司的Ｑｕａｒ－

采用Ｖ主要ｔｕｓ开发软件实现，ｅｒｉｌｏＨＤＬ语言设计，ｇ　

用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰＭ７１２８ＳＱＩ１００作为数据采集的控／负责信号采样、数据输入控制等。制芯片，ＡＤ转换、／ＥＰＭ７１２８ＳＱＩ１００具有１２８个宏单元，８４个用户ＩＯ管脚，工作电压为５．具有２管０Ｖ，５００个可用门和ＩＳＰ，　，，计数器速度可高达１可以脚间延迟为６．０ｎｓ２５ＭＨｚ很好地满足系统的需要。信号采集电路如图３所示

。

图３　信号采集电路图

数采系统

第１期

蔡　畅等：数据采集系统设计

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功能包括输入通道选通、数据采样控制。通过ＣＰＬＤ芯片分别控制Ａ进行模拟量输入通ＤＧ５０８和ＡＤ９７７，

／道的选择和启动ＡＤ转换。数据的采集算法过程中，根据香农定理，采样频率大于被采集信号的２倍频率。信号采集模块软件流程图如图５所示

。

采集到的数据传输到上位Ｐ并在ＶＣ机，Ｃ＋＋６．０设计的上层界面中实时显示。

１０］

：制定通信协议［通信双方的波特率设定为

／；帧格式：一个起始位，八个数据位，一个可编９６００ｂｓ　

程的第九位，一个停止位；工作方式：ＰＣ机采用查询方式，功能标志：发送请求标志ＳＴＭ３２采用中断方式；接收请求标志＃０校验：通信双方采用Ｆ１Ｈ，ＦＦＨ；＃０

即发送一串字符，双方计算累加和，与求和校验的方式，有错即重发。ＰＣ机比较，４　结　论

数据采集系统采用Ｃ控制ＰＬＤ选取输入通道、

／实现数据采样；利用ＳＡＤ转换，ＴＭ３２具有的丰富外设接口进行数据处理、数据通信，提高了系统设计的灵活性，使系统易于升级和扩展。本系统开发周期短、运行稳定、性能可靠、使用方便。配合上位机采集界面，方在多种模拟便进行操作使用以及各种采样数据的存储，

量输入的数据采集和控制系统的应用中前景十分广阔，将数据采集系统应用到工业现场数据的采集中将是本研究下一步将要进行的工作。

参　考　文　献

［］郑国军，戴巧琪，肖德瑞，等．基于Ｓ１ＴＭ３２的便携式体检装

］（）：医学信息，置设计［Ｊ．２０１０８１９８９１９９１．－

［］刘明贵，于謇，梁昊．基于Ｓ２ＴＭ３２的岩土工程无线采集系统

［］（）：仪表技术与传感器，Ｊ．２０１０５９５９７．－

［］赵锡钧．］基于Ｒ计算机技３Ｓ４８５接口的单片机串行通信［Ｊ．　

（）：术，２０００４５６５８．－

［］张震，］王剑，黄国辉，等．高性能温度采集仪的研制［机电４Ｊ．

（）：工程，２０１０，２７３８０８４．－

［］郝寿朋，刘瑞玲．基于Ｃ５ＡＮ总线的数据采集与控制系统设

］（）：现代电子技术，计［Ｊ．２０１１，３４８３６３８，４２．－

［］苏永芝，耿玉玲．基于Ｆ６ＰＧＡ＋ＤＳＰ的高速中频采样信号处

］（）：现代电子技术，理平台的实现［Ｊ．２０１１，３４７３４３６．－［］贺胜洪，钱雪军．基于Ｃ７ＰＬＤ技术的多通道编码器数据采集

］（）：系统［自动化与仪器仪表，Ｊ．２００３，１０９５４７．－

［］赵丽，肖龙腾，胡叼福，等．基于ＴＭ８Ｓ３２０Ｆ２８１２与ＡＤ９７６的

］数据采集系统的设计与实现［天津工程师范学院学报，Ｊ．（）：２０１０，２０１３０３３．－

［］周治良，李宏顺，岁哲，等．基于单片机和Ｃ９ＰＬＤ实时数据采

］（）：集显示系统设计［电子设计工程，Ｊ．２００９，１７１０８８９０．－［］周凯，郭黎利．基于ＭＡ１０Ｘ４８５实现ＰＣ机与单片机通信的

］（）：程序设计［信息技术，Ｊ．２００５４１０１２．－

图５　信号采集模块软件流程图

数据传输模块软件在ＲｅａｌＶｉｅｗ　ＭＤＫ环境下编　

写，主要功能包括数据接收、数据处理、串口通信。在ＳＴＭ３２通过握手信号启动ＣＰＬＤ的数据采集程序，

／同时读取信号ＲＤ的上升沿读取上次ＡＤ转换结果，／启动Ａ采用Ｄ转换器转换下一路信号。软件设计上，

极值滑动平均滤波抑制叠加在模拟输入信号上的噪声；应用软件拦截技术、软件看门狗技术、故障处理自恢复技术等措施使受干扰而“跑飞”的程序回到正常的轨道／上；采用ＩＯ自检等程序预先发现故障并定位故障所提高系统的可靠性。数据通信模块软件流程图如在，图６所示

。

图６　数据通信模块软件流程图

３．２　上位机监控软件设计

用户应用服务程序直接面向用户，是控制数据采集软件的最上层，不仅提供与用户交互的界面，还能通过发送各种控制命令来控制采集模块的工作。利用微软进公司开发的软件开发平台ＶＣ＋＋６．０设计上层界面，行数据的实时显示、存储。采用串口传输协议，将底层

作者简介：蔡　畅　男，湖南邵阳人，硕士研究生。主要研究方向为信息技术研究、集成电路设计。１９８３年出生，

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