基于ARM數據采集系統的設計

劉 銳，王 林

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

1 引 言

隨著數字技術的飛速發展，數字化儀器已經成為觀測技術領域的主流儀器，因而數據采集技術也成為觀測技術中十分重要的技術環節。數據采集技術主要指從傳感器輸出的微弱電信號，經信號調理、模數轉換到存儲、記錄這一過程所涉及的技術。隨著科學技術的進步，特別是以傳感器技術、通信技術和計算機技術為基礎的現代信息技術的發展，數據采集技術的發展也是日新月異。該文所設計的系統僅僅將模擬的電壓量轉換成數字量，不過其應用領域非常廣泛。

隨著網絡與通信技術的飛速發展，嵌入式系統的應用已進入到一個高、低端并行發展的階段，其標志是近年來32位微控制器的發展。ARM是嵌入式系統應用比較廣泛的一種32位微處理器核，具有體積小、功耗低、硬件調試方便等適合現場操作的優點，而且32位機移植操作系統比較方便，有利于系統的后續開發和升級。到目前為止，ARM微處理器及其技術的應用已經深入到國民生產的各個領域。

2 系統硬件設計

2.1 微控制器部分

該系統所選擇的ARM微控制器是PHILIPS公司生產的ARM7系列的LPC2138芯片。它包含一個支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內存儲器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線（AHB）和連接片內外設功能的VLSI外設總線（VPB、ARM AMBA總線的兼容超集）。

模擬信號從J2處輸入，然后通過LPC2138自帶的ADC進行模數轉換，采集到的數據經過LPC2138處理后通過串行口把數據發送到PC機上。系統參考電壓由Vref引腳提供，參考電源由電阻R2和電位器W2分壓得到，其電壓范圍為0～3V，J0為測量點。系統的系統時鐘電路使用了外部11.0592MHz晶振。微控制器部分電路如圖1所示。

2.1.1 工作原理

A/D轉換器的基本時鐘由VPB時鐘提供。每個轉換器包含一個可編程分頻器，可將時鐘調整至逐步逼近轉換所需的4.5MHz（最大）。完全滿足精度要求的轉換需要11個這樣的時鐘。

2.1.2 功率控制

LPC2138支持兩種節電模式，即空閑模式和掉電模式。在空閑模式下，指令的執行被掛起直到發生復位或中斷為止。外設功能在空閑模式下繼續保持并可產生中斷使處理器恢復運行。空閑模式使處理器、存儲器系統和相關控制器以及內部總線不再消耗功率。在掉電模式下，振蕩器關閉，這樣芯片沒有任何內部時鐘。

2.1.3 實時時鐘

實時時鐘（Real Time Clock，RTC）提供一套計數器在系統上電和關閉操作時對時間進行測量，RTC消耗的功率非常低，這使其適合用于電池供電、CPU不連續工作（空閑模式）的系統。在使用內部時鐘時，必須外加電源。否則，斷電后RTC將會停止工作，開機后需要重新設置時間。

2.2 JTAG接口電路

采用ARM公司提出的標準20腳JTAG仿真調試接口，JTAG連接圖如圖2所示。在RTCK引腳接一個4.7kΩ的下拉電阻，使系統復位后LPC2138內部JTAG接口使能，這樣就可以直接進行JTAG仿真調試了。一般來說，當使用JTAG調試時，P0.14腳必須接上拉電阻（P0.14腳為開漏輸出），讓其保持高電平狀態；而使用ISP下載程序時，則要使P0.14腳保持低電平狀態。

2.3 復位電路

LPC2138有兩個復位源，即RESET管腳和看門狗復位，如圖3所示。外部復位一旦有效，復位狀態將一直保持到外部復位撤除，振蕩器開始運行為止。當/MR輸人信號低至0.6V時觸發一個復位脈沖，在/MR端接一個按鍵，按鍵另一端接地，則按鍵按下時，會產生一個低電平脈沖送到復位發生器中，從而產生200ms復位脈沖輸出。當VCC低于域值電平或/MR保持為低時，/RESET輸出低電平。

2.4 串行接口電路

由于系統是3.3V系統，所以使用了SP3232E進行RS232電平轉換，SP3232E是3V工作電源的RS232轉換芯，如圖4所示。

當要使用ISP功能時，將PC口（如COM1）與開發板的CZ2相連，使用UART0進行通信。同時還要把J1短接，使ISP的硬件條件得到滿足。在系統復位時若P0.14口為低電平，則進入ISP狀態。

2.5 電源電路

微控制器的內核和I/O口使用同一電源電壓，只需單電源3.3V供電。如圖5所示，由USB CZ1接口輸入5V直流電源，二極管D2用于限制電源的導通方向，經過C1、C9濾波，然后通過SPX1117M-3.3將電源穩壓至3.3V。LPC2138具有獨立的模擬電源引腳V3A、VSSA，圖5中的L1和L2就是用于電源隔離的元件（將數字電源的高頻噪聲隔離）。

3 系統軟件設計

3.1 主函數設計

系統的軟件設計采用的是模塊化設計方法，主函數包括系統的初始化、A/D轉換設置。串口初始化以及數據傳輸則是通過調用子程序的方式來完成。

主程序代碼結構如下：

3.1.1 ADC模塊設置

首先將測量通道引腳設置為AIN3功能，然后通過ADCR寄存器設置ADC的工作模式，ADC轉換通道，轉換時鐘（CLKDIV時鐘分頻值），并啟動ADC轉換。源程序如下：

3.1.2 向串口發送數據

該模塊的作用是使用查詢方式向串口發送字節數據，并等待數據發送完畢，其中Data是要發送的數據。工作流程中，首先向UART0發送字節數據，接著向發送寄存器寫入數據并判斷是否發送完成，若沒有發送完成則返回繼續發送，直到發送完畢為止，程序流程圖如圖6所示。

3.1.3 從串口接收字節數據

該模塊的作用是使用查詢方式，從串口接收字節數據。工作流程中，首先從UART0接收字節數據，判斷是否有數據進來。若有新數據則從接收寄存器讀取數據，直到接收字節數據完成；若沒有新數據，則返回繼續判斷，程序流程圖如圖7所示。

3.2 綜合程序介紹

首先設置I/O連接到UART0，P0.30連接到AD0.3，然后初始化UART0，即設置數據位、停止位、有無奇偶校驗、波特率；接著進行AD轉換設置并啟動ADC，從AD0.3讀取轉換結果并把結果轉換成電壓值發送到UART0，并由PC機顯示結果。綜合程序流程圖如圖8所示。

圖6 向串口發送字節數據流程圖

圖7 從串口接收字節數據流程圖

圖8 綜合程序流程圖

4 結束語

在設計中，主要是針對ARM數據采集系統進行研究與設計。系統以32位ARM7TDMI-S處理器LPC2138為核心，以其自帶的ADC作為模數轉換器件，提高了轉換效率以及系統的實用性，克服了傳統數據采集系統受環境制約的因素，不過在轉換精度方面還有待提高。

設計系統相對比較簡單，LPC2138的很多功能沒有體現出來，在此基礎上還可以增加其他的擴展功能。例如，采集數據可以改為多通道循環采集，并且可以外接一個液晶顯示屏，這樣的話測得的電壓值不但能通過PC機顯示，而且在液晶屏上也能顯示。數據的傳輸不僅可以依靠串口，而且可以利用USB進行數據的傳輸。而此次設計的系統僅利用了USB的供電功能，還可以外接CAN控制器，實現CAN的一系列功能。

[1]周立功.深入淺出ARM7-LPC213x/214x（上）[M].廣州：廣州周立功單片機發展有限公司，2005.

[2]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]劉天時，強新建，王 瑞，等.ARM7嵌入式開發基礎實驗[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]付海艷，韓 山，郭 云.ARM微處理器應用開發技術詳解與實例分析[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]范圣一.ARM原理與嵌入式系統實戰[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6]周春來.ARM開發工具ADS原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[7]丁 峰，魯 立.ARM系統開發從時間到提高[M].北京：中國電力出版社，2007.

[8]周立功.ARM嵌入式系統軟件開發實例（二）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[9]李 佳.ARM系列處理器應用技術完全手冊 [M].北京：人民郵電出版社，2006.

[10]三恒星科技.ARM7易學通[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[11]馬文華.嵌入式系統設計與開發[M].北京：科學出版社，2006.

[12]周立功.ARM嵌入式系統實驗教程（三）——擴展實驗[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.