一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于數(shù)據(jù)采集與處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的方案進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，開發(fā)了一個集多路數(shù)據(jù)采集與處理、實時顯示和USB通信于一體的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理以及控制等作業(yè)。在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題。將外部世界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，收集到計算機并進(jìn)一步予以處理、顯示、傳輸與記錄這一過程，即稱為“數(shù)據(jù)采集”。數(shù)據(jù)采集技術(shù)在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、震動工程、無損檢測、語聲處理、智能儀器、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，不斷有新型的傳感器出現(xiàn)，使得傳感器向著集成化、智能化方向發(fā)展。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個瓶頸就是數(shù)據(jù)的通信。但是隨著總線技術(shù)局發(fā)展，這一問題也得到很大程度的緩解。常見的通信方式有VXI總線，PXI總線，串行總線，USB，ISA總線，PCI總線等等。
[0003]目前常用的數(shù)據(jù)采集方式是A/D卡和422、485等總線板卡，這類方式的數(shù)據(jù)采集過程必須依賴PC機完成，不便野外應(yīng)用，而且數(shù)據(jù)的采集和分析顯示往往不能在采集板卡上實現(xiàn)，因此開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)脫離PC機集數(shù)據(jù)采集、處理、顯示于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有重要實際意義。在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是基于X86和MCU架構(gòu)的硬件方案。X86是復(fù)雜指令結(jié)構(gòu)的CPU，基于X86通用處理器的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)在功耗和成本上都較難控制，特別是在高端的數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域受到了很大的限制?；趩纹瑱C的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要缺點是處理速度慢、系統(tǒng)資源有限、實時性能較差。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本實用新型的目的在于，提供一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的方案進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，開發(fā)了一個集多路數(shù)據(jù)采集與處理、實時顯示和USB通信于一體的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0005]為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型采用如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，包括嵌入式微處理器、上位機、USB設(shè)備接口、DBGU接口、電源與復(fù)位電路、時鐘電路、LCD接口、按鍵處理電路、A/D電路、NAND Flash接口、SDRAM接口和JTAG接口組成；所述的嵌入式微處理器選擇Atmel公司的ARM7微控制器AT91SAM7SE256，該嵌入式微處理器作為系統(tǒng)核心器件與上述電路相互相連，通過USB設(shè)備接口和DB⑶接口與上位機進(jìn)行通訊。
[0007]在該基于ARM的便攜式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，所述電源與復(fù)位電路包括數(shù)字電源模塊、模擬電源模塊和復(fù)位電源模塊，所述的數(shù)字電源模塊由凌特公司LT4080型芯片組成，將充電鋰離子電池輸出的4.2V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V供CPU、時鐘芯片、NAND Flash、SDRAM和DBGU接口芯片等使用；所述的模擬電源模塊由XC6351A型電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器組成，為A/D電路的供電需要模擬電源，將數(shù)字電源3.3V通過10uH電感作為電荷泵電壓反相器芯片XC6351A120的輸入；所述的復(fù)位電源模塊使用AT91SAM7SE256型復(fù)位控制器，能處理系統(tǒng)的所有復(fù)位而不需要任何外圍器件并給出最近發(fā)生的一次復(fù)位情況。
[0008]在該基于ARM的便攜式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，所述時鐘電路由兩路時鐘輸入組成，分別為處理器工作時鐘和芯片F(xiàn)M3116時鐘，其中處理器工作時鐘為18.432M的無源晶體；所述的按鍵處理電路利用并行輸入/輸出控制器(P1)Jf I/O 口配置為通用功能I/O線，來實現(xiàn)按鍵處理電路。
[0009]本實用新型的有益效果是:
[0010]基于AT91SAM7SE256的便攜式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示關(guān)鍵參數(shù)，同時可以USB大容量存儲設(shè)備的方式來存儲、讀取原始采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包括5路模擬量輸入通道、電池充電電路、USB大容量存儲設(shè)備電路、DB⑶串口調(diào)試接口、NANDFlash數(shù)據(jù)存儲電路、SDRAM接口、IXD液晶顯示等。
[0011]本系統(tǒng)與一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比具有3大特點:可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和實時顯示于一體；支持鋰離子電池和外接電源供電；本系統(tǒng)可以作為大容量存儲設(shè)備，將采集的原始數(shù)據(jù)通過USB接口導(dǎo)入計算機。
[0012]本實用新型提出的基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、通用性好、可擴展性強，可為各種嵌入式應(yīng)用提供一套完整的軟、硬件解決方案，在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0013]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步的解釋說明。
[0014]圖1是該系統(tǒng)硬件電路功能圖；
[0015]圖2是該系統(tǒng)鋰離子電池充電及數(shù)字電源電路；
[0016]圖3是該系統(tǒng)模擬電源電路；
[0017]圖4是該系統(tǒng)輸入信號調(diào)理電路；
[0018]圖5是該系統(tǒng)主程序流程框圖。
【具體實施方式】
[0019]圖1是該系統(tǒng)硬件電路功能圖，系統(tǒng)包括AT91SAM7SE256、電源與復(fù)位電路、時鐘電路、32M的SDRAM同步動態(tài)隨機存儲器、IG的NAND Flash數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成的一個ARM最小系統(tǒng)和一些基本外設(shè)和接口，包括JTAG接口、DB⑶接口、USB設(shè)備接口、IXD接口、按鍵處理電路和AD電路，能夠?qū)崟r顯示關(guān)鍵參數(shù)，同時可以USB大容量存儲設(shè)備的方式來存儲、讀取原始采集數(shù)據(jù)。
[0020]圖2是該系統(tǒng)鋰離子電池充電及數(shù)字電源電路，電路板上有三個電源狀態(tài)指示燈:充電指示燈、欠電指示燈和3.3V指示燈。在正常情況下，只有3.3V指示燈亮來表明鋰離子電池電量充足；當(dāng)在給鋰離子電池充電時，LTC4080的電源為PC機提供的USB電壓+5V，LTC4080的充電指示器引腳CHRG下拉，充電指示燈被點亮，當(dāng)鋰離子電池電量充滿引腳BAT充電電流減小到全充電電流的10%時，CHRG變成高阻態(tài)，充電指示燈被熄滅；電壓監(jiān)控芯片XC61CN3502M通過控制欠電指示燈亮滅狀態(tài)來表明鋰離子電池電量狀態(tài)。
[0021]圖3是該系統(tǒng)模擬電源電路，A/D電路的供電需要模擬電源，數(shù)字電源3.3V通過10uH電感作為電荷泵電壓反相器芯片XC6351A120的輸入，XC6351A是一系列電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器，內(nèi)置4個開關(guān)M0SFET，外圍只需要3個陶瓷電容，就可組成一個正電壓輸入，負(fù)電壓輸出的高效率、低功耗電壓反轉(zhuǎn)器電路。
[0022]圖4是該系統(tǒng)輸入信號調(diào)理電路，由于各通道或各參數(shù)送入測量放大器的信號大小并不相同，但都要放大至ADC輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此各個通道要求測量放大器的增益就每個通道的數(shù)據(jù)采集而言可實現(xiàn)自動控制增益或量程自動切換，因此這里采用了程控增益放大器LTC6915，LTC6915是一款具有數(shù)字可編程增益的零漂移、精準(zhǔn)儀表放大器，可通過一個并行或串行接口將增益設(shè)置為0、1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048或4096。在采用單5V電源以及任何設(shè)定增益的條件下，共模抑制比(CMRR)通常為125dB，電壓失調(diào)低于10uV，且溫度漂移小于50nV/0C，LTC6915采用充電平衡采樣數(shù)據(jù)技術(shù)將一個差分輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個單端信號，隨后再由一個零漂移運算放大器對該單端信號進(jìn)行放大，LTC6915既可在低至2.7V的單電源應(yīng)用中使用，也可在采用雙±5V電源時使用。
[0023]圖5是該系統(tǒng)主程序流程框圖，軟件設(shè)計主要包括IXD顯示程序、按鍵設(shè)置程序、A/D數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理及FFT程序、NAND Flash的FAT16管理程序和基于NAND Flash的USB大容量存儲設(shè)備驅(qū)動程序。軟件的編程均是基于Windows下的集成開發(fā)環(huán)境IAR，同時借助于J-Link仿真器實現(xiàn)程序燒寫和在線仿真，借助于DBGU調(diào)試接口與PC機實現(xiàn)RS-232調(diào)試通信，PC機通過終端仿真程序SecureCRT來實時顯示調(diào)試信息。
[0024]除了上述以外本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也都能理解到，在此說明和圖示的具體實施例都可以進(jìn)一步變動結(jié)合。雖然本實用新型是就其較佳實施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術(shù)的人都可理解到，在所述權(quán)利要求書中所限定的本實用新型的精神和范圍內(nèi)，還可對本實用新型作出種種改動和變動。
【主權(quán)項】
1.一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，包括嵌入式微處理器、上位機、USB設(shè)備接口、DBGU接口、電源與復(fù)位電路、時鐘電路、LCD接口、按鍵處理電路、A/D電路、NAND Flash接口、SDRAM接口和JTAG接口組成；所述的嵌入式微處理器選擇Atmel公司的ARM7微控制器AT91SAM7SE256，該嵌入式微處理器作為系統(tǒng)核心器件與上述電路相互相連，通過USB設(shè)備接口和DB⑶接口與上位機進(jìn)行通訊。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，所述電源與復(fù)位電路包括數(shù)字電源模塊、模擬電源模塊和復(fù)位電源模塊，所述的數(shù)字電源模塊由凌特公司LT4080型芯片組成，將充電鋰離子電池輸出的4.2V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V供CPU、時鐘芯片、NAND Flash、SDRAM和DB⑶接口芯片等使用；所述的模擬電源模塊由XC6351A型電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器組成，為A/D電路的供電需要模擬電源，將數(shù)字電源3.3V通過10uH電感作為電荷泵電壓反相器芯片XC6351A120的輸入；所述的復(fù)位電源模塊使用AT91SAM7SE256型復(fù)位控制器，能處理系統(tǒng)的所有復(fù)位而不需要任何外圍器件并給出最近發(fā)生的一次復(fù)位情況。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，所述時鐘電路由兩路時鐘輸入組成，分別為處理器工作時鐘和芯片F(xiàn)M3116時鐘，其中處理器工作時鐘為18.432M的無源晶體。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的按鍵處理電路利用并行輸入/輸出控制器(P1)，將I/O 口配置為通用功能I/O線，來實現(xiàn)按鍵處理電路。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的方案進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，是一個集多路數(shù)據(jù)采集與處理、實時顯示和USB通信于一體的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)設(shè)計以ARM7嵌入式微處理器AT91SAM7SE256為核心，包括5路模擬量輸入通道、鋰離子電池充電電路、SDRAM、NAND Flash存儲器電路、SPI通信方式的LCD接口等電路。本實用新型提出數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、通用性好、可擴展性強，在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】G05B19-418
【公開號】CN204347589
【申請?zhí)枴緾N201520024383
【發(fā)明人】鄧柳于勤, 高飛, 管建娜, 黃睿, 黃軒
【申請人】鄧柳于勤
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月14日