基于ARM9的數據采集系統設計

鄒衛進,華一鳴

（1.常州信息職業技術學院，江蘇常州 213164；2.常州易控網絡有限公司，江蘇常州 213001）

數據采集系統的任務就是將采集到的模擬信號轉換成計算機能識別的數字信號，然后送入計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數據。在現實世界，數據采集系統幾乎無處不在，凡是有自動監測及控制的地方都會有數據采集系統的身影出現，基于ARM9的數據采集系統具有采樣頻率高、數據傳輸速率高的優勢。

1 數據采集系統設計概述

1.1 系統設計目標

該系統應能夠完成以下功能：每隔1ms對4路模擬信號、8路數字信號進行一次巡回電平采集；每隔1s對采集結果進行一次處理并將初步處理結果發送給通信板；上位機完成分類、分客戶信息存儲、分析、顯示；測量數據采用以太網直接回傳到服務器，通過網絡可實現實時監測。

1.2 系統主要技術參數和性能指標

主機部分預留出USB接口、以太網口、RS232串行接口、RS485串行接口、4路模擬量接線端口及8路開關量接線端口，模擬量和開關量也可采用串口進行傳輸。USB采用主機模式，提供的串行總線為USB2.0標準。以太網傳輸速率為10M。存儲容量不低于1GB。

2 數據采集系統硬件設計

數據采集系統的硬件設計原理是從模擬信號源中采集信號，并將之轉換為數字信號送入數字處理器的過程。完成數據采集應具備下列基本部件：傳感器、信號處理電路、A/D轉換電路以及通信接口電路等。因此，數據采集電路設計不僅僅限于是單純A/D轉換芯片的接口設計，還必須綜合考慮傳感器到CPU的全過程。

2.1 ARM9系列芯片EM9260

EM9260是一款面向工業自動化領域的高性價比嵌入式網絡模塊，其內核CPU為工業級品質的AT91SAM9260，模塊已預裝正版Window CE5.0實時多任務操作系統，用戶可直接使用Microsoft提供的著名免費軟件開發工具eVC（+SP4）或其它更高版本的開發工具，在EM9260上開發自己的應用程序。

2.1.1 EM9260主要特點：

EM9260帶有多種標準接口，以滿足各種應用需求。這些接口包括：100M以太網接口，支持標準WinSock以及基于WinSock的各類API；5個標準異步串口，可支持RS232C、RS485、RS422、以及GPRA/CDM無線通訊；USB HOST接口，可直接支持USB盤；USB Device接口，支持ActiveSync方式對其內部文件進行更新修改；SD接口，直接支持SD卡；標準CAN總線接口，支持標準幀和擴展幀通訊；全雙工高速SPI接口以及標準的I2S格式音頻輸出接口；多位GPIO；2路AD輸入，分辨率10-bit；精簡ISA擴展總線等。

2.1.2 主要技術指標。CPU單元：工業級32位ARM9系列CPU，主頻200MHz；64MB系統內存，256MB NAND FLASH；預裝WINDOWS CE實時多任務實時操作系統；支持包括eVC在內的多種應用程序開發工具；提供標準SD卡插座，即插即用；USB接口支持U盤即插即用；實時時鐘RTC，具有掉電保護功能。

2.1.3 通訊接口配置。（1）10M/100M自適應快速以太網接口（100BASE-TX）；（2）2個USB HOST接口，其中一個USB與CAN復用管腳；（3）1個USB Device接口，支持ActiveSync；（4）1個系統專用調試維護串口；（5）5個用戶可用標準UART串口。COM2，9線制，TTL接口，一般使用該端口接GPRS/CDMA模塊；COM3，3線制RS232電平接口；COM4，TTL接口，一般使用該端口作RS485 擴展；COM5，TTL接口，與P4.0和P4.1復用管腳；COM6，TTL接口，與P4.2和P4.3復用管腳。（6）1個CAN接口，支持CAN2.0B。

2.2 前置信號處理電路設計

前向通道中，被測的溫度、濕度、市電電壓、市電電流等模擬量經傳感器和前端信號處理電路的處理轉換成電信號，而每一種傳感器都有與之配套的信號處理接口電路，接口電路再將這一電信號轉換成電壓信號。信號處理電路的作用就是依據傳感器輸入信號的具體特征和后端系統的要求，對傳感器輸出信號進行各種形式的處理，如放大、濾波、電平轉換等，同時還要考慮在傳輸過程中可能遇到的干擾影響，采取一定的措施，傳感器信號處理電路的內容要依據被測對象的特點和環境條件來決定。

2.3 模擬量輸入部分電路設計

1.3.1 AD轉換電路設計

A/D轉換接口電路是數據采集系統前向通道中的一個重要環節。數據采集是從模擬信號源中采集信號，并將之轉換為數字信號送入數字處理器的過程。溫度信號作為一種典型的模擬信號，要完成對采集的溫度信號的數字處理，必然需要一個穩定、精確的A/D轉換接口來完成前端傳感器到嵌入式系統的信號傳遞。完成A/D轉換的芯片種類很多，根據轉換纂理可以分為逐次逼近式、雙積分式、計數器式等。衡量A/D轉換性能的主要參數有分辨率、轉換速率、轉換精度、量化誤差等。

2.3.2 A/D轉換芯片 ADC0809 介紹

ADC0809數據采集元件是單片CMOS器件，具有8位模/數轉換器、8通道的多路開關以及和微處理器相兼容的控制邏輯，這個8位A/D轉換器使用逐位逼近作為轉換技術。該轉換器的主要特點是：具有一高阻抗斬波穩定比較器，帶有模擬開關的256R分壓器、以及一逐位逼近寄存器，8個通道的模擬開關可以直接訪問8個單端信號中的任何一個。該器件取消了外部調零和滿量程調整。鎖存及譯碼的多路地址輸人和鎖存的TTL三態輸出使該器件易于和微處理器接口。集許多A/D轉換技術于一體，ADC0808和ADC0809的設計被優化，它們提供高速、高精度、最小溫度相關性、極好的長期精度和可重復性以及最小功耗。這些特點使該器件適合于從過程和機器控制到消耗裝置及自動化的應用。

2.4 RS485 串口的電路實現

目前實現RS485電平與TTL電平轉換的芯片很多，如SN75176、MAX1482等。在綜合考慮性能價格等各種因素后，系統選用了MAX485作為RS485串口的驅動芯片。MAX485芯片的結構和引腳非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO和D1端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機相連時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；RE和DE分別為接收和發送的使能端，當RE為邏輯“0”時，器件處于接收狀態；當DE為邏輯“l”時，器件處于發送狀態，因為MAX485 工作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳來控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發送的數據為“l”；當A引腳的電平低于B時，代表發送的數據為“0”；同時要在A和B端之間加100f2左右的終接電阻。

3 數據采集系統軟件設計

3.1 上位機應用程序設計

系統與上位機的通信采用的基于TCP/IP協議，該協議可實現設備間無差錯的數據傳輸。系統與傳感器和下位機的通訊是通過模擬/數字采集模塊和串口通訊模塊實現的。

3.2 RS232_RS485 通訊模塊

RS232_RS485通訊模塊主要的作用就是將下位機（智能設備）通過RS232_RS485通訊與上位機（PC）進行通訊，通過上位機發送采集數據的命令，下位機根據命令中分配給自己的地址碼把自己做出的回應回傳給上位機從而完成通訊。

3.3 模擬//數字輸入模塊

模擬/數字輸入模塊主要作用是通過接線端子把溫濕度、市電電壓/電流、漏水、煙感等模擬量和數字量傳感器進行通訊，智能采集各傳感器的數據并經過A/D轉換處理后傳給上位機進行存儲和顯示。

4 結束語

本次設計的雙通道的嵌入式數據采集系統是針對現在工業數據采集的環境和要求，提出的采集系統的設計方案，從硬件和軟件兩方面進行了數據采集系統的設計和實現。

[1]傅曦.Windows CE.嵌入式開發入門，北京，人民郵電出版社.

[2]EM9260.嵌入式模塊數據手冊 V1.11.成都英創信息技術有限公司