基于ＬＰＣ２３７８的數據采集系統的設計

摘要：本文介紹了以LPC2378微處理器為核心的數據采集及處理系統，給出了各模塊、接口和軟件設計。

關鍵詞：LPC2378；數據采集；模塊功能

引言

在工業控制系統中，為了更好地實現對系統的控制，除了控制單元和執行單元外，還必須有反饋環節。在反饋環節中，最重要的就是對數據的采集和處理。一般的工業控制中，數據有很多種形式，最常見的有電流、電壓的模擬量、以二進制形式輸入的開關量以及以脈沖形式輸入的脈沖信號。

本文主要討論了以LPC2378微處理器為核心的數據采集和處理系統的實現過程。

系統結構

以NXP公司LPC2378為核心構成的控制系統的結構如圖1所示。該控制系統主要包括：嵌入式主控模塊、電源控制模塊、數據采集和處理模塊(A／D、D／A、R／D)、串口擴展模塊(SC16C554)。由主控模塊進行控制，其他模塊協同工作，共同實現數據采集和處理的功能。處理器和CPLD模塊是整個系統的核心，它控制各模塊間的協同工作；電源控制模塊負責為芯片提供所需要的工作電壓，并對電壓進行監測，同時提供系統的復位功能；數據采集和處理模塊由A／D、D／A、R／D構成，實現數據的數模或模數轉換；串口擴展模塊實現了與LPC2378之間數據的串、并行轉換，并完成與上位機的通訊功能。

SC16C554擴展出4路UART接口，波特率等底層協議由程序獨立設置，每個通道具有16字節的FIFO，兼容16C550。通過線路板接插件引入2組外部雙口RAM的存取接口，符合IDT7130的時序要求，數據、地址及控制信號等驅動。為方便客戶未來的擴展應用，系統向外部預留2組CAN總線接口。系統中實現2路A／D，2路D／A，2路R／D；并預留12位IO控制口，每位可單獨設置為輸入或輸出。

硬件設計

主控模塊

該模塊由LPC2378和CPLD(EPM7128AE)構成。LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微處理器。處理器帶有Thumb指令擴展；主頻高達72MHz；片內集成512KB Flash，支持ISP及IAP，58KB SRAM，PLL加強型矢量中斷控制器，10／100M以太網帶DMA，USB2.0全速設備接口，2路CAN 2.0接口，通用DMA控制器，4個UART接口，1個具有全功能Modem的接口，3個12C串行接口，3個SPI／SSP串行接口，一個12S接口，SD／MMC記憶卡接口，8路10位ADC，1路10位DAC，4個32位捕獲／比較時鐘，看門狗時鐘，PWM模塊支持3相馬達控制，RTC實時時鐘帶可選后備電池，通用I／O等。CPLD主要負責整個系統的譯碼工作，從而為系統中的某些芯片產生片選和控制信號。

電源控制模塊

通過接插件向線路板提供±15V、±12V、+5V的直流電源。由于系統中大多數芯片的工作電壓均為3.3V或5V，故選擇的電源電壓調節器為TPS76633，它能對外提供3.3V的電壓及250mA的電流，且誤差在3％以內。為了使系統能穩定的工作，抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，需要使用磁珠進行系統的模數隔離。

系統工作時，會經常要求進入復位工作狀態，所以，系統的復位電路必須能準確、可靠地工作。這里的復位電路采用LTCl326芯片，同時實現低電平復位和手動復位功能。LTCl326能夠在有多種電壓供電的系統中實現同時對3種電壓的監控功能。為了提高芯片的抗干擾能力，應給每個Vcc引腳接一個0.1 μ F的對地旁路電容。

數據采集和處理模塊

·A／D接口電路

LPC2378本身提供有8路10位ADC和1路10位DAC，而該系統要求提供的A／D和D／A精度均為12位，故需要擴展外部A／D和D／A。

AD7922是12位逐次逼近型高速、低功耗的A／D轉換器，吞吐率最高可達1MSPS。本系統采用通過LPC2378的SPI接口直接與其相連，不需要其他的附加邏輯電路。在采集過程中，選擇不同的通道進行采集。

·D／A接口電路

DAC7574是12位、低功耗、4路帶緩沖器的電壓輸出型D／A轉換芯片，最高速率可達3．4Mbps。外部為該芯片提供的工作電壓為5V，故轉換后的電壓輸出范圍是0～5V，需要設計D／A轉換后輸出電壓范圍是一10V～+10V，所以要用到兩級運算放大器，第一級構成反相求和電路，第二級構成反相比例運算放大電路。經過第一級運放后，得到一2．5V-+2．5V的電壓值，再經過第二級運放后得到-10V～+10V的電壓范圍。為了在第一級運放的輸入端獲得精準的-2.5V電壓，這里使用LM236，它是能夠提供精確的-2.5V電壓的穩壓芯片。

R／D接口電路

AD2S80A是最新一代旋轉變壓器數字轉換芯片，又叫角分解器(Resolver)，是一種特殊的模數轉換器，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度。AD2S80A的分辨率有10、12、14、16bits幾種可選。用戶通過選擇不同的外接電阻和電容，可以得到不同的帶寬和跟蹤速率。本系統中只用到了R／D的8條數據線(DB1-DB8)，其余8條數據線(DB9～DB16)接地。LPC2378負責處理AD2S80A送來的信號，AD2S80A與LPC2378的相關引腳直接相連，接口電路如圖2所示。

串口擴展模塊

MAX3074是RS-422總線的收發器，其功能是實現RS-422總線信號電平到SC16C554可接受信號電平的轉換。該系統中共使用6片MAx3074，其中4片與SCl6C554的4路UART端口連接(其中兩路作為備用)，其余2片與LPC2378的兩路UART端口相連。

MAX3221是RS-232總線的收發器，其功能是實現RS-232總線信號電平到LPC2378可接受信號電平的轉換。系統中使用2片MAX3221與LPC2378其余兩路UART端口相連(圖3)。

系統軟件設計

系統的軟件開發工具采用ADS1.2，設計語言使用ARMC。為了實現系統各部分的正常運行，在進行軟件設計時必須充分考慮3個因素：程序的可靠性；程序的嚴密性；程序的穩定性。

軟件程序由主程序和中斷服務程序構成。主程序中首先完成系統的初始化，接著進入一個無限循環的后臺程序，巡回地執行多個事件，完成相應的操作；使用向量IRQ中斷，中斷服務程序采用基于定時器的巡回服務流程，完成事務處理。對于CPLD的軟件設計工具采用Altera公司的MAX PlusII，使用VHDL編程語言。

結語

本文從硬件設計和軟件設計兩方面對基于LPC2378微處理器的數據采集系統的設計進行了介紹。該系統現已在中國兵器工業集團某研究所的一大型系統中得以應用，工作可靠、穩定。