基于ARM的高速高精度数据采集系统设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）I基于ARM的高速高精度数据采集系统设计摘要近年来，随着计算机技术、电子技术等技术的发展，如何对数据进行采集和处理显得越发重要，数据采集的速度和精度是数据采集系统发展的两个主要方向。单片机、ARM、DSP等各种微处理器的广泛应用，为数据采集系统提供了一个有效的平台。对信号进行高速和高精度的采集以及对采集数据处理的研究和设计是本课题的主要任务。本文基于ARM7S3C44B0X处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统，利用ARM7S3C44B0X丰富的功能接口和较高的工作频率，实现对信号的采集和数据处理的功能。本文介绍了数据采集系统的国内外研究现状和发展趋势，对本系统的主要芯片进行了选型尤其是模数转换芯片AD7663的接口电路。将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。并提供了原理图和总体电路图，并编写了程序代码，最后提出了关于高速高精度数据采集系统设计的观点。该系统具有成本低、功耗低、识别性能强及智能程度高等优点，具有较为广阔的应用前景。关键词ARM，S3C44B0X，数据采集系统，AD7663洛阳理工学院毕业设计（论文）IITHEDESIGNOFHIGHSPEEDANDHIGHPRECISIONDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONARMABSTRACTINRECENTYEARS,WITHCOMPUTERTECHNOLOGY,ELECTRONICTECHNOLOGYANDTECHNOLOGYDEVELOPMENT,HOWTOCOLLECTANDPROCESSTHEDATABECOMESMOREIMPORTANTTHESPEEDANDACCURACYOFDATACOLLECTIONARETHETWOMAINDIRECTIONSOFTHEDATAACQUISITIONSYSTEMMCU,ARM,DSPANDOTHERMICROPROCESSORSAREWIDELYUSEDPROVIDESANEFFECTIVEPLATFORMFORDATAACQUISITIONSYSTEMHIGHSPEEDANDHIGHPRECISIONSIGNALACQUISITIONASWELLASTHERESEARCHANDDESIGNOFCOLLECTEDDATAISTHEMAINTASKOFTHISPROJECTBASEDONTHEARM7S3C44B0XTHISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNANDIMPLEMENTOFAHIGHSPEED，HIGHACCURACY，MULTIPLECHANNELDATAACQUISITIONSYSTEMUSINGRICHFUNCTIONINTERFACEANDHIGHEROPERATINGFREQUENCYOFS3C44B0XACHIEVESSIGNALACQUISITIONANDDATAPROCESSINGFUNCTIONSTHISARTICLEDESCRIBESTHERESEARCHSTATUSANDDEVELOPMENTTRENDOFTHEDATAACQUISITIONSYSTEM,SELECTSTHEMAINCHIPSOFTHESYSTEMANDTHEAD7663ANALOGDIGITALCONVERTERACCORDINGTOTHEMODULARIDEA,THESYSTEMISDIVIDEDSEVERALFUNCTIONALUNITSANDANALYZESEACHFUNCTIONALMODULEANDPROVIDESASCHEMATICDIAGRAMANDGENERALDIAGRAMSOMEPOINTOFVIEWTOTHEDESIGNOFTHEHIGHACCURACYDATAACQUISITIONSYSTEMWASPUTFORWARDATTHEENDOFTHISARTICLETHESYSTEMHASLOWCOST,LOWPOWERCONSUMPTION,RECOGNITIONPERFORMANCEISSTRONGANDINTELLIGENTDEGREEINHIGHERADVANTAGES,WHICHHASRELATIVELYBROADAPPLICATIONPROSPECTSKEYWORDSARM,S3C44B0X,DATAACQUISITIONSYSTEM,AD7663洛阳理工学院毕业设计（论文）III目录前言1第1章绪论311课题的背景及研究意义312国内外研究现状和发展趋势413论文的主要内容5第2章数据采集系统的总体设计721数据采集的相关原理7211数据采集系统基本构成7212数据采样原理822多路数据采集系统的总体方案9221数据采集系统设计目标9222系统的整体设计9第3章数据采集模块的硬件设计与实现1331多路开关及信号调理模块设计13311信号调理模块13312多路开关的选择1432模数转换模块15321信号驱动放大器信息15322基准电压源ADR42116323模数转换芯片的选择16324模数转换芯片AD7663介绍1933存储模块设计20331存储模块电路设计20332硬件和存储器设置2334键盘模块设计23341键盘线路模块设计24342寄存器的设置2435显示模块的设计25洛阳理工学院毕业设计（论文）IV351LCD接口电路的设计25352LCD控制寄存器的设置2736时钟电路的设计2837ARM处理器的选择29371S3C44B0X的结构介绍29372S3C44B0X芯片介绍30373S3C44B0X芯片引脚介绍31第四章数据采集系统的软件设计3641主程序流程3642数据转换程序3943键盘程序扫描程序41结论45谢辞46参考文献47附录49外文资料翻译55洛阳理工学院毕业设计（论文）1前言随着数字化时代的来临，数字信号的处理技术已经渗透到人们生活的方方面面，化工、医学、工业及科研等各个领域中，都必须对相应的信号进行检测与处理。人们通常根据采样定理将传感器传送来的模拟信号转换成数字信号，再对这些数字信号进行处理。数据采集可以说是数字信号处理的核心，数据采集的好坏将直接影响未来的工作。数据采集的目的在于测量电气信号或物理量，如电压、温度、压力、流量、液位等。一个完整的数据采集系统应当包括信号、传感器或执行机构、信号调理、数据采集设备和软件等部分。社会的发展和科技的进步使信号处理系统的智能性越来越强，实时性越来越好，数据采集的精度和速度也越来越高，对数据采集系统提出了更高的要求。除了基本数据采集的功能外，还必须针对不同行业领域、不同的现场环境实现多种工作模式、多种量程范围、多种控制方法、多种数据传送和显示方式以及实时时钟的功能等，因此，数据采集仪器仪表的种类繁多，更新的速度越来越快。通用的数据采集系统不能满足专门的场合，这就迫使许多公司开发出各种专用的数据采集系统。近年来，嵌入式系统在通讯、工业控制等领域的应用，使嵌入式技术得到了极大的发展。以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统叫做嵌入式系统。嵌入式微处理器的功能越来越强大，可以满足大部分数据采集的要求，为了便于开发，有些微处理器还集成了AD和DA单元。一些微处理器还集成了多种通讯接口和寄存器，可以根据不同的场合进行扩展。目前嵌入式应用技术是科研人员开发的热点和重点之一。本文设计了基于ARM7S3C44B0X处理器的一种高速、高精度、多通道数据采集系统，利用ARM7S3C44B0X丰富的功能接口和较高的工作频率，实现对信号的采集和数据处理的功能。并介绍了数据采集系统的国内外研究现状和发展趋势，对本系统的主要芯片进行了选型。根据模块化的思想，将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。其中对五个模块的电路设计予以详细的分析介绍。随后文章详细分析了系统的硬件设计，并提供了原理图和总体电路图，同时编写了程序。最后提出了关于高速高精度数据采集系统设计的观点。洛阳理工学院毕业设计（论文）2第1章绪论11课题的背景及研究意义随着工业技术的发展，数据采集装置具有越来越广泛的应用领域。在工业生产过程中，受产品质量、生产成本等多方面因素影响，通常需要对工业现场的一些参数进行监控。数据采集装置是解决这一问题的有效手段。在科学研究中，应用数据采集装置可获得被测对象的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要段之一。在生产实践中，为了得到我们需要的数据，通常需要将一些由传感器输出的模拟信号转换成数字信号。再通过计算机或者处理系统进行相应的处理。这种过程即被称为数据采集。数据采集装置在各个领域被广泛应用，己渗透到了工业现场、地质勘测、医药器械、电子通信、航空航天等各个领域，为人类更好的获取各种信息提供了便利的条件1。传统的数据采集装置，都是针对特定的要求研制开发的，应用范围窄。对于新的需求，数据采集装置需要进行重新设计，浪费了时间和精力。同时数据采集的高精度特性越来越受到重视，在航空航天、导航系统、环境监测等很多领域都需要应用高精度的数据采集装置。因此设计一款通用的高精度数据采集装置就显得尤为重要。网络化技术是数据采集发展的另一个重要技术。随着工业技术的飞速发展，要求测试和处理的信息量越来越大，而且被测对象的空间位置分散，测试任务复杂，测试系统庞大，测试单元数量多，各个测试单元与主控计算机的数据交换量越来越大。同时由于工业现场的恶劣条件，远程监控显得越来越重要随着这些重要行业对自动化，可靠性要求的提高，传感器技术的长足发展，信号处理和信息分析技术的提高，对于被采集后的数据的精确性要求也随之提高。因此数据采集装置网络化和远程化的要求也越来越受到重视。综上可知，研究通用化高精度数据采集技术和网络技术，可以有效提高生产管理的自动化水平，对于提高我国劳动生产率和推动经济发展具有非常重要的意义2。12国内外研究现状和发展趋势洛阳理工学院毕业设计（论文）3上个世纪50年代，数据采集装置开始出现。以美国研制的数据采集测试系统为代表，该系统主要应用于军事领域。目的是数据采集装置使用中不依靠相关的测试文件，可以由对该数据采集装置不是十分熟悉的人员进行操作。装置灵活性好，并且可以自动规划完成采集任务。同时使得很多应用传统方法无法完成的采集任务得以解决，从而获得了初步的认可。上世纪80年代，随着计算机的普及，开始出现通用的数据采集装置，这个时期的数据采集装置主要由采集器、接口总线和控制计算机组成。所使用的接口总线以GPIB为主要代表。80年代后期，数据采集装置主要由工控机、单片机和集成电路组成。将部分硬件由软件代替，降低了成本和体积，而性能大大增加。上世纪90年代后，发达国家的数据采集技术已经广泛应用于军事、航空航天和工业领域。随着集成电路技术的发展，出现了高性能的单片数据采集系统（DAS）。DAS的分辨率可达16位，采样速度达每秒几十万次。数据采集技术成为一门技术。这个时期的数据采集装置采用模块化结构，接口总线分为并行总线和串行总线。并行总线的代表为VXI和PXI，适用于本地数据采集，多应用于军事领域。串行总线以RS485和现场总线CAN为代表，适用于远程工业控制领域，但这两种数据采集装置均存在数据吞吐率低的缺点3。改革开放后，随着计算机技术、测量与控制技术、通信技术及电子技术的飞速发展，国内数据采集装置有了很大发展。国内市场上出现了种类繁多的数据采集装置。典型代表有单通道数据采集装置SP201和SC247系列，双通道数据采集装置EG3300和YE5938系列，小型数据采集装置902和921系列，温度、压力数据采集装置SMC9012系列，大型多通道数据采集系统EM3000等。生产厂家会为这些系统配备专用的软件包。这些软件包可以完成对设备的维修管理和基本频谱分析。应用它们可以解决数据采集装置的常见故障诊断和基本状态监测。经过近年来在工业现场的不断应用，数据采集装置质量优良，工作稳定可靠，基本上已达到国外数据采集器的中期水平。这些数据采集装置的主控CPU主要采用单片机或DSP，通信总线主要为PCI总线或ISA总线。现在具有代表性的数据采集装置基本上以数据采集卡为核心。PCI卡占据了数据采集卡的绝大部分市场。这种数据采集卡需要插在PC机的PCI插槽上，所以需要将被测信号从工业现场传给PC机，进而由PC机控制数据采集任务。但是工业现场环境较为复杂，工业现场到PC机的距离通常很长。正洛阳理工学院毕业设计（论文）4是这一制约因素，使得信号在传输过程中会出现各种问题。例如信号被衰减，有干扰信号混入，或者产生失真等等，导致最终采集到的信号误差很大。为了解决这一致命的缺点，数据采集装置开始使用现场总线技术，如CAN、RS485等总线，数据采集装置在工业现场采集数据并通过现场总线将数据传输到远程PC机处理，这种数据采集装置的优点是可以远程传输，但较低的传输速度限制了此类数据采集装置的应用领域4。进入21世纪，以INTERNET为代表网络通信技术发展和应用取得了前所未有的突破，数据采集的网络传输技术随着INTERNET技术的发展取得了一定的成果。网络化的数据采集优势体现在采集范围大、数据传输吞吐率高、远程控制等。网络化远程监控己经成为数据采集技术发展的必然趋势。目前，国内的数据采集卡市场由外国公司主导，高速和高精度数据采集方面尤为突出。目前国内外数据采集系统具有以下特点1利用各种微控制芯片来处理，采集速度越来越快，精度越来越高。2系统向着多参数、网络化方向发展。3系统自动化、智能化程度不断提高。4系统功耗逐渐降低，可扩展性进一步提高5。13论文的主要内容本文以基于ARM的嵌入式系统为核心，并综合应用高精度数据采集方法和网络通信接口技术，实现了基于ARM的通用高精度数据采集装置。在分析国内数据采集系统的基础上，考虑到数据的采集速度、精度和系统可扩展性，选用了SAMSUNG公司的ARM7微控制器S3C44B0X，设计出一套通用性较强的数据采集系统。实现了高速和高精度信号采集，显示及传输等功能。本文的主要研究内容如下第一章本章首先介绍了课题研究的背景，然后介绍了本文所作的主要工作和本文结构安排。第二章系统相关技术介绍及总体设计，讲述数据采集的基本理论和数据采集系统的总体设计。第三章本章主要论述采集系统的硬件设计。首先讲述采集卡硬件总体设计，洛阳理工学院毕业设计（论文）5然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现。第四章本章介绍了数据采集系统的软件设计，数据采集模块功能实现流程及一些子程序的设计和总体程序设计。洛阳理工学院毕业设计（论文）6第2章数据采集系统的总体设计21数据采集的相关原理211数据采集系统基本构成通用的数据采集系统有硬件和软件两部分组成。硬件部分主要完成数据采集，存储等功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理等功能。与传统的中、低速数据采集系统相比，高速高精度数据采集系统有其特殊性。首先，对于采样率高到一定程度的系统，很难用软件和常规的微机接口对其采样、转换过程进行控制。在这种情况下，通常用硬件实现转换过程的控制和采样数据的同步；其次，如果系统的实时性要求高，必须采用高速缓存对数据进行存储和高速DS芯片完成数字信号的实时处理。高速高精度数据采集系统的主要任务是将外界模拟信号进行采集转换，然后送往计算机根据相关要求进行数据处理，其结构主要由信号调理、采样保持、模数转换和微机系统等部分组成，系统的结构框图如图21所示。模拟信号多路开关模数转换模块微处理器存储器人机交换模块图21高速高精度数据采集系统框图其中数据采集系统前置电路一般包括传感器、放大器和滤波器等，传感器把外界信号转变成模拟电量如热电偶传感器、流量传感器、速度传感器等等，其转换后的信号一般比较微弱，需要进行放大处理，在传感器转换信号和放大器工作时，常常产生噪声信号影响采集的准确性，这就需要滤波器降低各种噪声信号洛阳理工学院毕业设计（论文）7提高系统的信噪比。数据采集系统中常常需要对多组模拟量进行采集，在模拟量信号变化周期不快的情况下就可以选用模拟多路开关，这样模数转换电路就可以只选取一套从而降低系统的开发成本。其中模数转换器是数据采集系统中的核心部分，其性能决定了数据采集系统所能实现的功能。212数据采样原理在数据采集系统中，信息总是用离散信号来表示的，而我们需要采集的信息多是连续模拟信号，这样就必须解决连续信号如何离散化的问题。我们通过对连续的模拟信号进行采样获得离散化信息。因此理解和掌握采样定理对数据采集系统有着重要的意义。数据采集就是指将时间和幅值上连续的模拟信号以周期性时间间隔截取，从而得到一串在时间上离散的信号，然后通过模数转换将其变换为数字信号的过程。将连续的模拟信号转换成计算机可接受的离散数字信号首先需要采样得到离散模拟信号，然后通过AD转换变为数字信号。采样过程包括采样、量化和编码。采样时的采样周期决定了得到采样信号的质量，经过采样后的离散采样信号是否能代表模拟信号的全部信息，奈奎斯特采样定理就是解决这一重要问题的理论，可以说是整个数据采集技术的基石。采样脉冲信号在时间T间隔内对原模拟信号进行一次采样，奈奎斯特定理指出要使采样信号能不失真还原为原信号，就必须要求采样频率至少大于两倍的原信号最高频率。采样后的离散信号幅值是时间上离散而幅值连续的信号，它不能直接输入微处理器处理，必须经过量化把它变为数字信号处理。量化就是用一组数码来代表采样过后的信号幅值，将其数字化。一般量化有两种处理方法，有舍有入和只舍不入。量化结果的位数是有限制的，必须经过数学方式处理，所以这就带来了量化误差，量化误差的具体值是由其结果所用的处理方式有关。编码就是采用采样过程的最后一步，应用中通常采用二进制编码进行，分为单极性与双极性两种编码方式。数据采集系统的主要性能指标通道数，即系统采集通道的个数；分辨率，采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量；系统精度，是实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和，和系统分辨率还是有区别的；采集速率，是指在满足系统精度的前提下，对模拟信号在单位时间内所能完成的采集次数；动态范围，通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数；非线性失真，也称谐波失真是指当系统输入一个频率为F的正弦波时其输出中出现很多洛阳理工学院毕业设计（论文）8频率为KF的频率分量6。22多路数据采集系统的总体方案221数据采集系统设计目标本文设计了一种基于ARM7S3C44B0X处理器的高速、高精度、多通道数据采集系统。它的主要设计目标是1实时性强。系统的主要工作是对大量的过程状态参数实时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。因此要求硬件上必须要有实时时钟和优先级中断信息处理电路。2可靠性高。他是系统设计的一个重要要求。由于数据采集系统往往是安放在被控对象的工作环境中，所以不仅温度、湿度大，而且腐蚀多，干扰也很多，为了确保系统的可靠性，要求系统有较好的抗干扰能力和采集速度。3通用性好，便于扩充。一台以嵌入式系统为核心的控制装置，一般可以控制多个设备和过程参数，这就要求系统的通用性要好，能灵活的进行功能扩充。4结构简单，功耗低，性能优良。222系统的整体设计本文设计的高速高精度数据采集系统有硬件和软件两部分组成。而硬件部分主要完成数据采集、存储功能，软件部分则完成对硬件控制、对采集数据进行处理。该系统的控制核心SAMSUN公司推出的16/32位RISC处理器S3C44B0X。它为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降低成本，S3C44B0X提供了丰富的内置部件8KBCACHE，可选的内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选FP/EDO/SDRAM控制器），带PWM功能的5通道定时器，I/O端口，RTC，8通道10为ADC，IIC总线接口，IIS总线接口，同步SIO接口和PLL倍频器。S3C44B0X采ARM7TDMI内核，025UM工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。它低功耗，精简，出色和全静态的设计特别适用于成本和功耗敏感的应洛阳理工学院毕业设计（论文）9用。同样S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAIISAMSUNGARMCPU嵌入式微处理器总线结构。S3C44B0X的显著特性时它的CPU核，是由ARM公司设计的16或32位的ARM7TDMI最高为66MHZ的RISC处理器。微处理器S3C44B0X提供全面的，通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。系统以S3C44B0X为数据采集模块核心处理器，采用模块化方法设计，按照功能的不同，分为电源电路、通道选择电路、模数转换电路、通信电路、多路开关及信号调理电路、计算机人机交互界面部分，数据采集系统整体结构图22所示。模拟通道一多路开关模拟通道八模拟通道二模拟通道七电压跟随模数转换微处理器数据缓存键盘显示22高速高精度数据采集系统的电路框图数据采集系统工作流程传感器输入的模拟信号经过信号调理电路的处理（包括隔离、变换、放大、滤波等各种处理）以满足数模转换芯片对输入电平和信号质量的要求，然后通过多路开关进行信号选择，选通的信号由高性能高速电压反馈放大器AD8021的进一步的处理获得更精确，精度更高的模拟信号，在微处理器的控制下模拟信号通过16位逐次渐近型模数转换器AD7663的转换处理存入数据缓存，进一步通过S3C44B0X处理器的控制的显示、键盘模块实现人机交换功能。同时多路开关的选择与控制有微处理器控制。软件部分的设计分为两个部分，分别为数据采集系统控制软件和数据程序处理两个部分。软件设计共包括五部分通道选择，数据采集处理，数据存储，数据显示和键盘控制。系统各模块功能概述洛阳理工学院毕业设计（论文）101多路开关及信号调理模块模拟多路开关是数据采集系统的一个重要部分，通常在多路被测信号共用一路A/D转换器的采集系统中用来把多路信号有条理的传送到A/D转换器中去，以完成多路信号的数据采集。本系统采用的是8通道模拟多路复用器MAX308EPE实现8路模拟信号的采集。信号调理电路主要基于AD623与MAX291芯片的自行设计电路。信号调理电路主要用来对传感器输入的信号进行隔离、变换、放大、滤波等等各种处理，以满足模数转换芯片对输入电平和信号质量的要求，同时大大的简化了信号调理电路的设计，简化了外围电路。多开关由微处理器S3C44B0X进行控制选择。2模数转换模块本模块由两部分组成信号驱动放大器AD8021与具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性的基准电压源ADR421提供基准电压的模数转换芯片AD7663。传感器输入的信号通过多路开关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路AD8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片AD7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换。3存储模块传统的数据采集系统由于数据传输率较低，数据量小，一般可以完成实时分析和处理，所以存储问题不突出。但高数高精度数据采集系统的数据传输率很高并且数据量很大，采集速度达到一定的限度就无法进行实时分析和处理，所以合适的存储器显得很有必要。本设计采用的是SST39VF160芯片。它具有成本低和密度大的优点，能很好的完成本系统的存储要求，把通过内部AD7663模块转换成数字量，经通信端口送入计算机进行下一步处理。4键盘模块键盘扫描过程就是有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。一旦处理器判定有一个键被按下，键盘扫描程序就会滤掉抖动，然后再判定是哪个键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标示符，应用程序利用该扫描码来判断应按下了什么键。本设计就是采用的是44矩阵键盘，完成人机交换的键盘控制。洛阳理工学院毕业设计（论文）115显示模块S3C44B0X内部有一个LCD控制器，只需要在外部接一个液晶驱动模块就可以具有显示功能了。本设计设置了LCD液晶显示驱动模块与S3C44B0X的连接模式，包括接口方式，寄存器的编程。本模块达到了微处理器与显示器的数据传输，实现了显示的功能。本设计主要有这五个模块组成，他们在一起共同组成了本数据采集系统的硬件基础，同时还有高速高精度的性能。软件设计是数据采集系统的硬件控制部分，它们共同构成了高速高精度数据采集系统。实现了设计要求7。洛阳理工学院毕业设计（论文）12第3章数据采集模块的硬件设计与实现本设计主要有五个模块，分别是多路开关及信号调理模块，模数转换模块，存储模块，键盘模块，显示模块。本章详细介绍各个模块的硬件电路以及实现的原理和过程。另外还有一些辅助的电路设计，例如电源设计，时钟电路设计等。31多路开关及信号调理模块设计311信号调理模块信号采集系统中，绝大多数模拟量输入都带有大量的噪声不能直接输入到模数转换器中去，需要对信号进行调理。信号调理电路用来对传感器输入的信号进行隔离，变换，放大，滤波等各种处理，以满足模数转换芯片对输入电平和信号质量的要求。调理电路如图31所示。RR5C555CVS4IN3IN2REF5VS7RG8RG1OUT6AD623VS7OUT3IN4OUT5VS2IN8CLK1GND6MAX291图31信号调理电路AD623是高精度、低噪声的仪表放大器，R1是输入限流电阻，R2是增益电阻，调节此电阻的值可改变AD623的增益G，算式为G100/R1（K）1。MAX291是滤波器，截止频率其由电容C1决定。若设为100HZFC（KHZ）1000/3C1（PF），计算得C1取值为3300PF。使用中还要注意MAX291的零点漂移达200MV400MV，因而可在输出端串接一个10F左右的钽电容，隔去MAX291引入的直流分量8。洛阳理工学院毕业设计（论文）13312多路开关的选择本系统选用的是8通道的模拟数据选择器MAX308，输出哪路信号通过总线控制。带串行接口的16位模数转换集成电路（ADC），它包含有跟踪/保持电路的一个低漂移、低噪声、掩埋式齐纳电压基准电源。它的转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308KB/S点，满量程输入电压范围为5V，功耗为210MW。可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口，该输入可以接收TTL或CMOS的信号电平，时钟频率0155MHZ，其电路图如图32所示。A01EN2IN14IN25IN36IN47OUT8IN89IN710IN611IN512A215A116MAX308EPE16UINUINUINUINUINGPG1GPG25GPG0UINUINUIN图32多路开关MAX308IN1IN8是模拟输入通道，模拟信号由此输入。A0A2是通道选择信号，其选择由微处理器S3C44B0X控制。其选择值如表31示。EN是使能表31通道选择值A2A1A0EN通道A2A1A0EN通道0001110015001121011601013110170111411118洛阳理工学院毕业设计（论文）14端，高电平信号有效。通道值的选择与A0，A1，A2的逻辑值有关，如表31示。当系统工作时，A0、A1、A2三个端子的逻辑值由处理器控制，EN为高电平，实现了控制芯片MAX308的目的。32模数转换模块模数转换是把数据采集系统采集到的模拟信号转换成系统可以识别并处理的数字信号。它的精度与速度如何将影响到系统的现实性和系统的性能。本设计采用的是，本模块的设计目的就是为了实现这功能9。321信号驱动放大器信息本模块由两部分组成信号驱动放大器AD8021与具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性的基准电压源ADR421提供基准电压的模数转换芯片AD7663。信号驱动放大器AD8021是一款出众的高性能，高速电压反馈放大器，可以用于16BIT分辨率系统。AD8021具有低压噪声和低电流噪声，是当今的高速低噪声运算放大器产品中静态电源电流（7MA5V）最低的产品。AD8021工作电压范围较宽，为225V12V，也可以采用5V单电源供电，因此非常适合高速低功耗仪器仪表。输出禁用引脚可以将静态电源电流进一步降低至13MA。与同类放大器相比，AD8021不仅技术性能出众，而且价格优势明显，静态电流也低得多。AD8021是一款高速、通用放大器，非常适合各种增益配置，可以用于信号处理链路以及控制环路。AD8021REFERENCE1IN2IN3VS4DISABLE8VS7VOUT6CCOMP5AD8021AD80212PF5IN图33信号驱动AD8021洛阳理工学院毕业设计（论文）15采用标准8引脚SOIC与MSOP封装，工作温度范围为40C85C。芯片电路如图33所示。传感器输入的信号通过多路开关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路AD8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片AD7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换。322基准电压源ADR421高分辨率的模数转换系统需要精准可靠的基准电压，ADR421是基于XFET技术的基准电压源，具有极高的精度和极低的噪声，可想AD7663输出稳定的2500V基准电压电，电路图如图34示。TP8NIC7TP1VIN2NIC3GND4VOUT6TRIM5ADR421510F01F01FINA图34基准电压源ADR421323模数转换芯片的选择A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换工程主要包括采样、量化、编码三个步骤。A/D芯片是数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标，目前市面上A/D转换器的品种较多，每种芯片具有不同的控制方式和应用条件。比较常用的ADC按转换电路结构和工作原理主要分为四类积分型AD转换器、逐次逼近型、并行比较型ADC、转换器。其中，积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50HZ或60HZ）的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用有用（如热电偶输出的量化）。逐次逼近型模数转换器在1个时钟周期内只能完成1位转换。N位转换需要N个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。它的优点是原理简单，便于实现，不存洛阳理工学院毕业设计（论文）16在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。并行比较式A/D转换器原理直观，转换速度极快（最高1GHZ的采样速率），常用于数字通信和高速数据采集领域。缺点是功耗大，制造成本高且易产生离散的、不确定的误码输出。模数转换器采样速率较低，但采样精度会做得很高，且成本低廉，一般限于对低频较窄的转换。INDATA0DATA1DATA2DATA3DATA5DATA4DATA6DATA7DATA8DATA9DATA10DATA11DATA12DATA13DATA14DATA15GPG3NGCS3NOENRESETAGND1AVDD2NC3BYTESWAP4OB/2C5NC6NC7SER/PAR8D09D110D2/SCLK011D3/SCLK11213D4/EXT/INT14D5/INVSYNC15D6/INVSCLKD7/RDC/SDIN16OGND17OVDD18DVDD19DGND20D8/SDOUT21D9/SCLK22D10/SYNC2324D1/RDERROR25D1226D1327D1428D15BUSY29DGND30RD31CS32RESET33PD34CNVST35AGND3637REF38REFGNDINGND39INA40INB41INC42IND43NC44NC45NC47NC48NC46AD7663100NF10F527NFINAINACREF55NCAS0图35模数转换接口电路对于一般的工业采集系统在保证精度和速度的条件下，要尽量提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。通常选择逐次逼近型或并行比较型AD转换器。A/D转换器的性能参数主要有转换精度，转换速率、输入量程以及转换误差等,根据这些参数本系统中选择开关电容结构的16位并行A/D转换器AD7663。模数转换接口电路如图35所示。A/D7663的输入阻抗仅为341K，若MAX308输出的信号直接输入A/D7663进行A/D转换时，会产生较大的增益误差。因此，必须用阻抗极低的信洛阳理工学院毕业设计（论文）17号源来驱动AD7663的输入端，这里选用了信号驱动放大器AD8021。为了实现高速高精度数据采集与存储的同步，解决ADC和控制器之间速度匹配问题，保证采集数据的完整性，本系统设计了高速高精度的转换器AD7663和74H273作数据采集缓冲器的设计方案，使数据的采集和传输速率进行有效的匹配，实现了数据的实时采集。AD转换是数据采集的核心，它决定着系统数据采集的精度和速度，本设计采用的是AD7663模数转换器，AD7663是一款16位、250KSPS、低功耗、逐次逼近型模数转换器，采用5V单电源供电，并提供8位或16位并行口和一个串行口。AD7663具有分辨率高、采样速率高、功耗小等优点，在高速高精度的数据采集系统中得到了广泛的应用。AD8021ADR421AD7663D015/CNVSTBUSY/CS/RDRESETS3C44B0XDATA015NCAS0GPG3NGCS3NOENRESETINOUT5VVOUTINVIN图36模数转换接口电路AD7663负责实现模数转换的功能，它支持串行和并行方式输出，在本设计中AD7663与S3C44B0X以16位并行总线的方式连接。S3C44B0X将总线设备分为8个BANK进行访问，AD7663挂在BANK3上，因此将BANK3的使能信号NGCS3接到AD7663的片选引脚/CS上，复位信号NRESET接到AD7663的RESET，总线读信号NOE接AD7663的/RD。此外，S3C44B0X通过两个I/O（NCAS0连至/CNVST，GPG3连至BUSY）来控制AD7663的A/D转换过程。传感器输入的信号通过多路开关及信号调理模块处理后得到比较符合要求的模拟信号，进一步通过信号驱动放大电路AD8021的处理得到精度较高的、稳定的模拟信号，通过分辨率高，采样速率高，功耗小的模数转换芯片AD7663的作用，输出符合要求的数字信号，完成模数转换，模数转换接口电路如图36所示。洛阳理工学院毕业设计（论文）18324模数转换芯片AD7663介绍模数转换芯片AD7663的主要特点如下116位的采样保持功能的模数转换器；2250KHZ的采样速率，信噪比达到90DB；3多种信号输入范围025V、05V、010V、25V、5V、10V45V的单模拟电源供电；5提供串行接口、并行接口两种输6低功耗设计，典型功耗为75MW。AD7663的转换过程可分为三个阶段转换准备阶段、模数转换阶段、转换结果输出阶段，其转换时序如图37所示。具体过程如下首先将CS置低，然后在CNVST端输入脉冲信号，AD7663就在CNVST的每个脉冲信号的下降沿进入启动一次转换；在转换过程中，BUSY端为高电平出接口；在一次转换完成，BUSY端电平由高到低以指示本次转换完成，并将数据输出在数据总线上。此时，只需将RD置低，系统控制器就可以将数据总线上的数据取走，从而最终完成一次模数转换。AD7663的输入信号VIN范围已经配置成5V，其数据端口采用高速并行接口D0D15。包括了一个基准电压、一个电压跟随器及供电电路等。图中各部分说明如下为AD7663提供25V的模拟电压基准，并利用AD8301对基准电压进行跟随处理，减少电压波动对采样信号的影响。电压跟随器AD8301对输入的信号进行缓冲、隔离，并提供信号的负载能力。输入信号范围选择通过选择对INA、INB、INC和IND的连接方式就可以很方便地选择信号输入的范围，系统选择了25V的信号输入。输出接口方式AD7663提供了串行口输出和并行口输出两种接口方式。为了与数据缓冲部分相适应和提高系统对数据的处理速度，在设计时选择了并行输出方式。供电电路AD7663是5V的单电源供电；另外，为兼容不同器件的电平标准，系统还提供了5V或33V的数字电源10。洛阳理工学院毕业设计（论文）19图37AD7663转换时序图33存储模块设计331存储模块电路设计传统的数据采集系统由于数据传输速率比较低，数据量比较小，一般可以完成实时分析和处理，所以存储问题并不突出，但高速高精度数据采集系统的数据传输速率很高并且数量很大，采集速度到达一定的限度就无法进行实时分析和处理，这是需要选择适当的存储方式就行存储。高速高精度数据采集系统的存储要解决两方面的问题，一是存储器的低存储速度与A/D转换器数据端口的高输出速率的匹配问题。二是存储器的容量要大，其原因是高速数据采集会在很短时间内产生巨大的数据流，存储系统的容量应满足设计要求。解决A/D转换器与存储器之间的速度匹配问题有两个一是对高速A/D的数据进行锁存，二是对数据进行高速存储。本设计采用的是对高速的数据进行锁存。选择的芯片是SST39VF160FLASHROM。SST39VF160是2MB的FLASH芯片，芯片供电电压为2736V，符合JEDEC标准输出引脚，可擦写100000个周期，数据保存能力达100年。擦除时间分别为扇区擦除时间与块擦除时间都是18MS，片擦除时间70MS。利用翻转或数据采集来确定编程是否完成。芯片内部结构与电路图如38图所示。洛阳理工学院毕业设计（论文）20控制逻辑地址缓冲器与锁存器X解码器I/O缓冲和数据锁存Y型解码器FLASH存储体DQ15DQ0内存地址CEOEWERESET图38SST39VF1630芯片内部结构图通过利用微处理器对SST39VF160进行写命令字节的形式来进行数据的读写操作。保持CE信号低的同时拉低WE信号写入命令字节，在WE或CE信号的下降沿（有出现最晚的来确定）锁存地址总线，而数据总线在WE或CE（有出现最早的来确定）信号上升沿被锁存。本设计是以SST39VF160为设计芯片，详细的介绍在S3C44B0X上进行FLASHROM接口设计。FLASHROM接口设计首先应该确定硬件电路连接，然后设置好S3C44B0X存储器，再按照命令字读、擦除、写操作FLASH。本节编写了SECTORERASE扇区，BLOCKERASE块和CHIPERASE芯片擦除函数，以及一个测试主函数来验证读写擦除操作是否正确。FLASH存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获取指令并开始执行。因此，应将存有程序代码的FLASH存储器配置到ROM/SRAM的BANK0位置，即将S3C44B0X的NGCS0的引脚接至SST39VF160的NCE引脚；SST39VF160的NOE引脚接S3C44B0X的NOE引脚；NWE引脚接S3C44B0X的NWE；由于SST39VF160的数据宽度是16位。所以将S3C44B0X的引脚OM1接地，OM0通过一上拉电阻接33V，使其工作在16位模式；将SST39VF160的地址总线A19A0与S3C44B0X的地址总线ADDR1ADDR20相连，地址线偏移了一位，这是因为S3C44B0X是按字节编址的，而SST39VF160的数据是以每一个16位作为一个数据单元；16位数据总线DQ15DQ0与S3C44B0X的低16位数洛阳理工学院毕业设计（论文）21据总线DATA31DATA16相连。FLASH的地址空间为0X000000000X000FFFFF。与S3C44B0X芯片连接电路如图39。A151A142A133A124A115A106A97A88A199NC10WE11RST12NC13WP14NC15A1816A1717A718A619A520A421DQ1545DQ744DQ1443DQ642DQ1341DQ1136DQ335DQ1034DQ233DQ932DQ131DQ830DQ029OE28VSS27CE26A025DQ540DQ1239DQ438VDD37A322A223A124VSS46NC47A1648SST39VF160U4SST39VF1601NRESETNWENOENGCS0VDDDATA16DATA17DATA18DATA19DATA20DATA21DATA22DATA23DATA24DATA25DATA26DATA27DATA28DATA29DATA30DATA31ADDR1ADDR2ADDR3ADDR4ADDR5ADDR6ADDR7ADDR8ADDR9ADDR10ADDR11ADDR12ADDR13ADDR14ADDR15ADDR16ADDR17ADDR18ADDR19ADDR20图39FLASHROM连接电路图其引脚功能描述为SCLK系统时钟；NSCS片选；SCKE时钟使能；A0A11行/列地址复用线；BA0BA1BANK选通地址；SRAS行地址使能。332硬件和存储器设置由于ARM是32位处理器，以字节为单位编制，数据处理可以以32位进行，存储方式有大小端之分。在这里，将ARM芯片上的EDIAN端接地，选取小段存洛阳理工学院毕业设计（论文）22储方式。SST39VF160是16位数据宽度的，因此还必须设置ARM数据总线宽度，即设置OM10为01，将BANK0数据总线宽度设置成16位。BANKCON0寄存器设置中包含了TACS、TCOS、TACC、TOCH、TCAH、TPAC和PMC7个参数。对它们的设置分别为（此程序段在BOOTLOADER的配置程序中）。BANK0PARAMETERSB0_TACSEQU0X00个时钟周期B0_TCOSEQU0X00个时钟周期B0_TACCEQU0X66个时钟周期B0_TOCHEQU0X00个时钟周期B0_TCAHEQU0X00个时钟周期B0_TACPEQU0X00个时钟周期B0_PMCEQU0X0正常（1DATA）除了TACC之外，其他值均设为零，TACC的值要大于芯片的读周期时间，由于S3C44B0X处理器的时钟频率为64MHZ，周期大约为15NS，SST39VF160读写时间周期为70NS，所以，TACC在这里设置为6个时钟周期，即0X611。34键盘模块设计键盘的结构一般分为两种形式线性键盘和矩阵键盘。本设计采用的是44矩阵键盘。矩阵键盘的案件按N行M列排队每个键盘占据行列的一个交点，需要的I/O口数目是NM，容许的最大按键数为NM。键盘扫描过程就是有规律的时间间隔查看键盘矩阵，以确定是否有键被按下。一旦处理器判定有一个键被按下，键盘扫描程序就会滤掉抖动，然后再判定是哪个键被按下。每个键被分配一个称为扫描码的唯一标示符，应用程序利用该扫描码来判断应按下了什么键。341键盘线路模块设计洛阳理工学院毕业设计（论文）23GPE4GPE5GPE6GPE7GPF5GPF6GPF7GPF81K5310键盘连接电路图本设计采用S3C44B0X通用I/O引脚的GPE4GPE7为行线输入端，GPF5GPF8为列线输出端，与44的键盘相连。通过软件延迟的方式来消除按键抖动，并通过循环扫描的方式得到具体的按键值。由于通用的I/O口有限，而又需要大量的按键输入，这就要求一种合理的按键结构，即用尽量少的I/O口实现尽可能多的键盘输入。本设计的电路连接方式如图310示，以8个I/O口实现16键键盘。GPE4GPF7为行线输入端，GPF5GPF8为列线输出端，如图31