基于STM32和LTC1859的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

崔海朋

摘要：現(xiàn)在很多采集系統(tǒng)要求較高的精度，而且信號形式、范圍也有所不同，處理電路比較復(fù)雜，硬件成本高。為了解決該問題，設(shè)計了基于STM32和LTCl859的16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了軟硬件設(shè)計。此系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)8路電流信號的單端輸入，也可以實(shí)現(xiàn)8路電壓信號的單端輸入，成本低，精度高。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;Cortex-M3;LTCl859

0引言

現(xiàn)在很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求較高的精度，同時要求可以適應(yīng)不同的信號形式，例如可以連接電流信號、電壓信號，信號的范圍也不同，常規(guī)的方法是采用復(fù)雜的電路處理再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣不僅增加了硬件成本，還降低了系統(tǒng)精度。本系統(tǒng)設(shè)計的基于Cortex-M3處理器和LTCl859的16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)8路的電流信號的輸入，還可以實(shí)現(xiàn)8路電壓信號的輸入，對輸入信號的范圍可以通過軟件來設(shè)置，同時AD采集電路與Cortex-M3處理器采用了電源隔離和信號隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。

LTCl859是ADI公司推出的一款高性能的具停機(jī)功能的8通道、16位、100ksps的AD轉(zhuǎn)換器，每個通道可通過軟件實(shí)現(xiàn)0～5V，0～10V，0～±5V，0～±10V的不同范圍的輸入電壓，同時還可以實(shí)現(xiàn)單輸入和差分信號輸入的選擇，每個通道可承受至±25V的故障保護(hù)。LTCl859的多路復(fù)用器可以配置為接受4個差分輸入、8個單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件提供了卓越的DC性能，具有在整個溫度范圍內(nèi)的15位無漏失碼和±3LSB MAX INL。LTCl 859與控制器之間采用SPI總線進(jìn)行通信。LTCl859用單5V電源工作，同時僅消耗40mW功率。LTCl 859還具有溫度系數(shù)為±1.0×10^-5/℃的2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)，如果需要較高的準(zhǔn)確度，還可以從外部驅(qū)動。對于那些對功耗敏感的應(yīng)用，LTC1859提供了兩種斷電模式：打盹模式和休眠模式。

本系統(tǒng)的Cortex-M3處理器為意法半導(dǎo)體公司推出的32位RISC處理器STM32F103VCT6，主頻最高可達(dá)72MHz。該處理器具有256kB的程序存儲器，48k13的RAM，同時它有8個定時器、5路串口、3路SPI、2路12C，具有獨(dú)立看門狗和窗口看門狗，非常適合于與LTCl859構(gòu)成高精度的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了由2片LM324運(yùn)放和1片LTCl859構(gòu)成8通道的單端信號輸入。每片LM324含有4個運(yùn)放，2片LM324構(gòu)成了8路信號調(diào)理電路，其中電阻實(shí)現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，當(dāng)連接電壓信號時，該電阻不連接。LM324為電壓跟隨器電路，這里不再詳述。LTCl859的電路如圖1所示。本電路具有通用性，在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，效果很好。下面對電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

LTCl859引腳中CH0-CH7是8路模擬輸入通道，在本系統(tǒng)中構(gòu)成了8路單端輸入信號。MUXOUT+、MUXOUT-為模擬復(fù)用器的正負(fù)輸出，把它們連在ADC+、ADC-上進(jìn)行正常操作。BUSY為輸出轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，當(dāng)正在轉(zhuǎn)換中為低，轉(zhuǎn)換結(jié)束變高，連在ARM處理器的I/O口上，SDO為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸出，接在Cortex-M3處理器的SPI接口的MISO引腳上，SDI為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸入，接在Cortex-M3處理器的SPI接口的MOSI引腳上，SCK為SPI總線的時鐘，接在Cortex-M3處理器的SPICLK上。RD為引腳SDO數(shù)字輸出的能使信號，當(dāng)RD為低能使輸出，當(dāng)RD為高SDO為高阻抗。在本系統(tǒng)中，該引腳連接至地，一直使能LTCl859的輸出功能。CONVST為啟動轉(zhuǎn)換引腳。其它引腳分別接電源、數(shù)字地、模擬地，在布線時注意數(shù)字地和模擬地的分開，幾個電容推薦采用鉭電容，這樣可以提高系統(tǒng)的精度。

2隔離電路設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)設(shè)計了電源隔離和SPI總線隔離電路，使LTCl859采集電路與Cortex-M3處理器電氣完全隔離，外部輸入信號不會影響到處理器電路的運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。下面從2個方面來重點(diǎn)介紹。

2.1電源隔離

LTCl 859的供電采用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電源與CPU電源的隔離。電源模塊采用廣州金升陽公司的B1212M-2M。B1212M-2M采用小型DIP封裝，溫度特性好，隔離電壓1000VDC。圖2中12V輸出電壓為前端信號調(diào)理電路中LM324芯片供電，后端電源采用了L7805CV穩(wěn)壓，為LTCl859供電。

2.2S PI總線的隔離是非常關(guān)鍵的一部分

本系統(tǒng)采用了專用的s P I隔離芯片ADUMl411。它是ADI公司推出的四通道數(shù)字隔離芯片，單芯片可以替代4個光耦，采用芯片級脈沖變壓器磁耦合技術(shù)，施密特觸發(fā)器輸入/輸出，隔離電壓2500V。與傳統(tǒng)的光耦隔離相比，具有壽命長，節(jié)省PCB（印制板）面積等諸多優(yōu)點(diǎn)。每個ADUMl411芯片含有3路數(shù)字輸出和1路數(shù)字輸入通道。由于LTCl859有5條控制線與Cortex-M3處理器進(jìn)行通訊，因此本系統(tǒng)選用了2片ADUMl411實(shí)現(xiàn)與Cortex-M3處理器的完全隔離。電路如圖3所示。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用SPI總線通信，軟件的關(guān)鍵是Cortex-M3處理器和LTCl859之間的時序匹配，下面詳細(xì)介紹。

3.1LT C 1859軟件配置

LTCl859是在SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲，這就要求Cortex-M3處理器在進(jìn)行SPI初始化時采用上升沿?zé)o延時模式。8位的控制字通過SDI輸入，用于配置LTCl859以進(jìn)行下一個轉(zhuǎn)換，同時前一個轉(zhuǎn)換輸出在SDO上輸出，在數(shù)據(jù)交換的末端，在CONVST上施加1個上升沿啟動被請求的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果將在下1個數(shù)據(jù)傳送周期提供。LTCl859的8位命令控制字在首8個SCK的上升沿按時間順序記錄到SDI輸入中，SDI隨后的輸入的位被忽略。8位的控制字含有對通道地址、信號輸入范圍和斷電模式的控制，具體內(nèi)容參見手冊，這里不再贅述。本系統(tǒng)中配置為8通道單端輸入方式，信號輸入范圍默認(rèn)配置為0-5V，斷電模式設(shè)置為上電模式，不進(jìn)入打盹和休眠模式。

3.2C o rtex-M 3處理器S P I接口配置

Cortex-M3處理器的SPI接收設(shè)置為全雙工主模式。為了一次可以讀取到LTCl859轉(zhuǎn)換后的16位的結(jié)果，SPI接收設(shè)置為16位模式。禁止軟件NSs功能，SPI的速率默認(rèn)設(shè)置為256分頻后的速率，實(shí)際應(yīng)用可以根據(jù)需要進(jìn)行更改。初始化代碼如下：

3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換采集

下面詳細(xì)介紹軟件編寫，SPI總線的時鐘很快，既可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式。本系統(tǒng)采用查詢方式，其軟件流程如圖4所示。

程序源代碼及其詳細(xì)注釋如下，該函數(shù)的入口參數(shù)為通道號，即為0-7，函數(shù)根據(jù)通道號讀取該通道的數(shù)據(jù)，同時將該數(shù)據(jù)值返回，其中部分函數(shù)為STM32的庫函數(shù)，這里不再詳細(xì)講述。

4結(jié)論

本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了基于STM32處理器和LTCl859的16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了全新實(shí)用的硬件和軟件設(shè)計，適用于不同信號類型和電壓范圍變化較大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度高，成本低，可靠性高，具有一定的應(yīng)用推廣價值。