文档介绍：目录
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设计内容 3
硬件电路设计 4
电源电路 4
AD输入电路 5
RS232接口电路 5
USB接口电路 6
SD卡接口电路 7
软件驱动设计 8
AD输入设计 8
RS232通信设计 9
SD卡驱动设计 10
USB驱动设计 11
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制作实现 12
软件模块测试 15
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数据采集是指从传感器和其他待测设备等模拟和数据被测单元中自动采集信息的过程[1]。相应的系统称为数据采集系统。随着嵌入式技术的发展,数据采集系统的性能也有很大提升。在工业现场、工厂车间及其他户外测量作业的实际应用中,常常需要对设备的一些物理状态(如温度,湿度,压力,流量等)进行检测。通过采集设备的运行参数,就能了解、跟踪设备的运行状态,进而对设备进行分析和诊断,及早发现和排除不良状态,从而减少维护设备的人力和物力。在科学研究中,应用该系统可获得大量的动态信息,是研究某物理量变化过程的有力工具。总之,数据采集系统的使用大大提高了工作效率,增加了经济效益。
基于该系统的诸多优势,市场上出现了较多的商业化产品。根据它对物理量的采样精度和速度,可分为高速系统的低速系统。其中高速数据采集普遍使用CPLD+DSP、FPGA+DSP作为主芯片,配备专用的高精度AD转换芯片和大容量FLASH或SATA硬盘等存储器件,系统可达到高采样率,高采样精度,高存储速度。但系统成本较高,开销大,主要应用于对精度和速度高要求的实时专用测控领域。
低速数据采集的主芯片以C51、AVR单片机为主,或较高性能的ARM芯片,如ARM7,ARM9系列,选择性的加入AD转换芯片和FLASH存储类芯片。系统通用性大,成本低,可满足一般的数据采集和处理需求。它在大部分的工厂车间及户外测量领域都有应用,使用范围非常广泛,也是本文要研究的内容。

在普通数据采集应用中,使用单片机+AD芯片的串口传输模式是较普遍的一类,目前已出现多种商业应用。它结构简单,性能稳定,成本低廉,广泛用于工厂,车间自动化领域。但这种模式也有缺点:由于单片机的硬件资料较少,系统一般没有大容量的外部存储,在环境较为恶劣、野外和便携式的工业测控系统中,
不能实现长时间的数据采集与存储,造成很大不便。同时单片机的控制和计算性能较弱,以嵌入式采集中使用最普遍的AT89C51芯片为例,它属于高端的单片机,但最高主频仅24M,在要求较高,需要一定控制性能的环境中使用时,有很大劣势。
ARM技术作为嵌入式系统的主流技术,基于ARM的数据采集系统具有高精度、高速度等特点,已逐渐取代了单片机控制技术。而其数据采集系统的数据采集部分正向强实时、多参数、高精度的方向发展;数据存储部分向大容量、微型化、便携式的方向发展;数据传输部分向多通信方式、远距离数据传输的方向发展。使用ARM处理器对工业现场传感器传出的电流电压信号以及一些热工参数进行数据采集将成为主流。
SD/SDHC卡是一种大容量的(最大容量可达32G),性价比高,体积小,访问接口简单的存储卡。SD/SDHC卡大量应用于数码相机,MP3,手机,等移动大容量存储用具。作为这些便携设备的存储载体,它还具有低功耗,非易失性,保存数据无需消耗能量等特点。SD卡接口向上兼容SDHC于卡,访问SD卡的SPI协议也完全适用于SDHC卡。
可以预见,SD卡存储的ARM数据采集系统在嵌人式系统领域将有着很广泛的应用前景,及很大的商业开发价值。

设计内容
本文设计嵌入式数据采集系统,实现数据采集和数据存储及传输功能。围绕系统的设计,详细介绍基于ARM处理器的整体电路。系统整体框架如图1所示。
图1 数据采集系统结构图
整个系统由ARM7主芯片LPC2141扩展而成,提供AD接口,实现传感器的模拟量输入。使用RS232与上位机通信,给系统写入命令,从而控制和改变系统的工作状态。SD卡存储AD转换后的数字采集数据,当用户需要检测采集情况时只需取出读取即可,或直接用USB接口与上位机连接传输。取出的数据即用来分析和监测现场设备运行情况。根据系统设计框架的相关功能,我将其划分为相对独立的四个模块,独立地设计模块的硬件电路和相关软件。四个模块为:
最小系统模块:由LPC2141芯片,电源,晶振,复位,JTAG连接等组成的电路板最小系统。
AD模块:主芯片AD模块相关引脚,及滤波,参考电平等外围电路。
USB模块:主芯片USB模块相关引脚及外围电路