基于FPGA和STM32的数据采集系统设计

STM32多通道ADC采集详解（DMA模式和非DMA模式）在非DMA模式下，ADC采集的数据是通过CPU直接读取的，采集效率相对较低，但是编程相对简单。

首先，需要初始化ADC模块的工作模式（单通道、多通道等）和采样时间。

然后，使能ADC模块，并配置所需的通道和采样时间。

接着，设置采样序列，指定要采集的通道和相应的排列顺序。

在采集数据时，首先需要设置ADC转换模式和采样时间，然后开始转换，并等待转换完成。

转换完成后，通过读取ADC_DR寄存器可以获取转换结果。

如果需要采集多个通道的数据，可以通过设置ADCSQR中的SQx位来启动下一次转换。

在DMA模式下，ADC采集的数据是通过DMA控制器传输到指定的内存区域，采集效率较高，适合数据量较大的应用场景。

与非DMA模式相比，DMA模式下的配置需要额外设置DMA控制器的工作模式（单次传输、循环传输等）和传输数据的目的地地址。

在采集数据前，需要设置DMA传输的目的地地址，并使能DMA传输。

在开启ADC转换后，DMA控制器会根据设置的目的地地址来自动传输数据，无需CPU干预。

采集完成后，CPU可以通过检查DMA传输完成标志位来判断数据是否已传输完毕。

总结：
使用非DMA模式的ADC采集相对简单而容易上手，适用于数据量较小且对实时性要求不高的应用场景。

DMA模式下的ADC采集效率更高，适用于数据量较大且对实时性要求较高的应用场景。

无论是DMA模式还是非DMA模式，都需要根据具体的应用需求来选择合适的模式。

在使用DMA模式时，还需要注意合理设置DMA传输的目的地地址和传输模式，以充分发挥DMA的优势。

基于STM32的Lattice FPGA脱机编程系统设计俸皓;凌小壮;陈俊彦【摘要】It is inconvenient to update and maintain the deeply?embedded application environment with Lattice FPGA,a novel off?line programming scheme based on STM32 is proposed. The scheme is composed of theoff?line programmer based on STM32 and upper computer software,which can realize the VME file format conversion,optimization and managementof the fuse figure in PC terminal,and VME file storage,selection and download function in off?line programmer and programmer. The off?lime system is rid of the dependency of PC on traditional FPGA programming method,and improves the programming effi?ciency. The test and practical application results show that the off?line programming system has the characteristics of portable use,flexibility and stability,and can meet the requirements of production,update and maintenance of the target applications.%为了解决运用Lattice FPGA的深度嵌入式应用环境不便于升级维护的问题，提出一种基于STM32的新型脱机编程方案。

嵌入式数字存储示波器设计程志强1，汪思静1，杨杰1，魏磊2（1.武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉430081；2.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉430081）摘要：提出了一种基于FPGA 和STM32的嵌入式数字存储示波器设计，以STM32为控制核心，FPGA 作为数据采集和处理模块，完成了对外部信号的采集和传输，实现了存储示波器数据处理和显示的功能。

关键词：STM32；FPGA ；数据采集；数据显示中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1674－6236（2013）02-0162-03A design for embedded digital storage oscilloscopeCHENG Zhi -qiang 1，WANG Si -jing 1，YANG Jie 1，WEI Lei 2（1.College of Information Science and Engineering ，Wuhan University of Science and Technology ，Wuhan 430081，China ；2.School of Automobile and Traffic Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081，China ）Abstract:This paper introduces a designing method for embedded digital storage oscilloscope based on FPGA and STM32，STM32is used as the controlling core and FPGA is used as the module of data acquisition and processing.The design completes the collection and transmission of external signal and achieves the data processing and showing on embedded digital storage oscilloscope.Key words:STM32；FPGA ；data collection ；data showing收稿日期：2012-09-19稿件编号：201209135作者简介：程志强（1988—），男，湖北武汉人，硕士研究生。

Design of the Data Acquisition System Based on STM32ABSTRACTEarly detection of failures in machinery equipments is one of the most important concerns to industry. In order to monitor effective of rotating machinery, we development a micro-controller uC/OS-II system of signal acquisition system based on STM32 in this paper。

we have given the whole design scheme of system and the multi —channel vibration signal in axis X，Y and Z of the rotary shaft can be acquired rapidly and display in real-time。

Our system has the character of simple structure，low power consumption, miniaturization.Keywords:STM32；data acquisition；embedded system；uC/OS-II；1.1. IntroductionThe real—time acquisition of vibration in rotating machinery can effectively predict, assess and diagnose equipment operation state，the industry gets vibration data acquisition Rapidly and analysis in real-time can monitor the rotating machinery state and guarantee the safe running of the equipment。

基于FPGA的探地雷达数据采集系统设计程昌彦;李太全【摘要】基于探地雷达数据采集系统对数字化集成化的需求,提出了一种基于FPGA的数据采集系统的设计方案,用于采集探地雷达回波信号.FPGA直接通过控制精密延时芯片MC100EP196对采样脉冲进行延时调整,控制采样脉冲的延时步进,系统最大采样率理论值达到100 GS/s,并且时窗可以任意调整.给出了设计方案,对系统的工作原理和特点进行了详细的说明.通过与示波器对比以及分析采集测试效果图,得到稳定有效的数据,实际采样率达到20 GS/s,证明了系统的可行性.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2017(047)004【总页数】3页(P28-30)【关键词】探地雷达;等效采样;延时芯片;高速数据采集;MC100EP196;AD9629【作者】程昌彦;李太全【作者单位】长江大学物理科学与光电工程学院,湖北荆州434020;长江大学物理科学与光电工程学院,湖北荆州434020【正文语种】中文【中图分类】TN959探地雷达是一种有效的浅层地质勘探仪器,该仪器多为冲击型探地雷达，其回波是一个宽度为纳秒或亚纳秒级的窄脉冲[1]，在电路上难以实现对此快速的信号直接采样分析，现多以等效采样方法采集雷达回波[2]。

等效采样需要一个精确的时间步进取样脉冲，产生该脉冲的方法有快慢斜波信号法[3],通过比较器产生相位步进的取样脉冲，也有使用电容充放电原理的方法[4]，这些方法借助比较器产生取样脉冲，容易受到电源电压、噪声干扰等影响产生时钟抖动，降低模数转换的信噪比，特别是对高频信号的取样，信噪比下降更加严重。

还有使用多片ADC交替采样的原理[5-6]，但需要占用更多的布局空间和成本，对时钟同步性要求也较高。

本文提出的方法是直接通过控制数字延时芯片产生步进延时来等效采集雷达回波[7]，通过FPGA调整时窗，是一个集成化的数字系统，具有结构简单、成本低、调节控制方便和抗干扰性强等优点。

STM32的曼彻斯特编译码系统设计引言由于曼彻斯特（MancheSTer）编码具有传输时无直流分量，时钟提取方便等特点，被广泛地应用于以太网、车辆总线、工业总线中。

现在工程上常用的曼彻斯特编译码芯片为HD-6408和HD-6409，但是这种芯片有一些不足。

首先，该芯片在传输速率和每帧数据中的有效位数等方面都做了严格的限制。

其次，使用该芯片需要增加额外的硬件电路，提高了系统成本。

使用FPGA做曼彻斯特编译码成本高，而且开发周期长。

本文提出了一种基于STM32F103RET6的编译码系统方案，利用了STM32F103RET6强大的定时器功能，采用灵活的编译码方式，传输速率和数据帧格式都可以根据需要完全自行定义。

STM32F103RET6自带DMA 的功能使得数据编码不再需要频繁的定时中断，提高了编码速率，节约了CPU的资源。

该设计方案实现方法简单、稳定、灵活，应用范围广泛。

1 曼彻斯特码曼彻斯特编码是一种自动同步的编码方式即时钟同步信号就隐藏在数据波形中。

在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。

每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，与用高、低电平表示的非归零二进制码相比，在连“0”或连“1”的情况下更易于提取同步时钟信息。

并且曼彻斯特码传输时没有直流分量，可以降低系统的功耗，且有很强的抗干扰能力。

图1所示是最常用的一种曼彻斯特编码方法，当传送信号为“1”时，曼彻斯特编码由高电平跳变为低电平；若传送的信息为“0”，曼彻斯特由低电平跳变为高电平，在一个数据周期内保持低电平无跳变则表示空闲。

图1 曼彻斯特编码2 STM32F103RET6的定时器与DMA简介控制器采用ST公司的STM32微处理器，STM32系列微处理器基于ARM Cortex-M3内核，采用高效的哈佛结构三级流水线，达到 1.25DMIPS /MHz，这里我们选用增强型的STM32F103RET6.它具有如下特征：72 MHz系统时钟频率、512 KB闪存程序存储器、64 KBSRAM、8个定时器、3个12位模数转换器、1个数模转换器，1个CAN接口、7通道DMA控制器，以及SPI、USART、I2C、I2S、USB接口等。

基于STM32最小系统的温度采集程序设计研究摘要本文设计了一种以STM32作为主控系统，使用DS18B20温度传感器采集温度数据，并通过TFTLCD显示温度的检测系统。

每100ms获取温度信息并将其显示在LCD显示屏上，同时检测到的温度若是高于或低于设定的额定值，蜂鸣器将会报警以提醒操作人员。

在软件方面使用Keil5开发工具采用C语言编写程序所需的驱动代码及应用程序，在硬件方面使用Altium Designer 9开发软件绘制原理图以及PCB版图，采用STM32F103VET6芯片，配以外围驱动电路和电源电路组成STM32最小系统，使用DS18B20温度传感器采集温度信息，显示在TFTLCD液晶屏上[1]。

关键词STM32；DS18B20；温度检测；TFTLCD1 课题研究的目的与意义为了适配现在的工农业生产对温度监控的要求，温度传感器不仅仅追求结构简单、测量速度快和稳定性高，还需要其能够接入互联网。

不过传统的温度检测的手段是通过人力来进行监视和测量，人工方法既费时又费力、效率极其低下，并且测量出的温度结果经常误差很大。

因此我们需要一种价格低廉、使用方便、测量结果准确，并且可以很便捷的接入互联网的温度测试仪器[2]。

2 硬件电路设计本文由STM32F103VET6作为主控单元，并使用DS18B20温度模块，TFTLCD显示模块及电源电路构成。

控制电路包括：本文采用的STM32VET6是基于Cortex-M3内核的微处理器，时钟电路采用高速外部晶振（HSE），产生高频时钟信号提供给单片机和外围硬件工作，外部晶振发出8MHz的高频时钟信号，复位电路是比较简单的RC电路，低电平有效，调试所用接口电路采用JTAG，外接J-LINK，用于下载和调试编写的程序[3]。

电源电路的设计：使用18650，一款3.7v可充电锂电池作为供电电源，并用XL6009芯片将外部输入电压转换为5v的电压输出，给DS18B20模块与蜂鸣器供电。

第42卷第3期激光杂志 Vol.42，No_3 2021 年3 月L A S E R J O U R N A L M a rc h,2021•光电技术与应用•基于F P G A的光谱仪数据采集系统袁洪平，曾立波，林志鹏武汉大学电子信息学院，武汉430072摘要:傅里叶红外光谱仪高效、可靠地获得光谱数据对于后续定性和定量分析物质有着重大的意义。

使 用F P G A的并行处理能力和可自定义外设构建灵活的片内系统，配合外部硬件电路设计，提出了一种基于FP- G A的可定制高效稳定地采集、存储和传输光谱数据的系统实现方法。

阐述了基于F P G A完全使用硬件实现干 涉信号采集和存储的方法,用以提高数据采集的可靠性。

通过最终的实验结果表明，系统可以长时间稳定的运 行，解决了使用ARM进行数据采集和传输出现数据丢失的问题。

关键词：光谱仪;F P G A;自定义外设；数据采集中图分类号:TN216 文献标识码：A d o i：10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021. 03. 153Data acquisition system of spectrometer based on FPGAYUAN Hongping,ZENG Libo,LIN ZhipengSchool o f Electronics a n d In fo rm a tio n,W uhan U niversity,W uhan430072, C hinaAbstract：The efficient and reliable acquisition of spectral data by Fourier infrared spectrom eter is significant for the subsequent qualitative and quantitative analysis of substances. Using the parallel processing capability of FPGA and the characteristic of building flexible in-c h ip system with custom izable peripheral and com bining with the design of ex­ternal hardware circ u it, a system im plem entation m ethod based on FPGA can be custom ized and efficiently and stably co llec t, store and transm it spectral data was proposed. The method of interference signal acquisition and storage based on FPGA was described to improve data acquisition reliability. The final experim ental results show that the system can run stably for a long time and solve data loss in ARM data acquisition and transm ission.Key words：spectrom eter；F PG A；custom izable p e rip h e ra ls；data acquisitioni引言傅里叶红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTS)能够对物质进行定性和定量分析，因此被广泛地应用于医药化工、石油、煤炭、环保等领 域[|4]。

基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要：随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用，对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。

本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统，通过系统硬件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的探究，实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输，为相关领域的探究和应用提供了重要支持。

一、引言红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术，具有透过阴郁、烟雾等不利环境的能力。

它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。

红外图像的实时采集和处理对于这些领域的探究和应用至关重要，然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。

因此，设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有重要意义。

二、系统框架设计基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部分组成。

硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、图像传输模块等；软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。

硬件框架设计接受分层结构，分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。

红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路，负责将红外辐射信号转换为数字信号。

控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路，负责采集信号的控制和同步。

存储层包括高速存储器和图像缓存，负责暂存采集到的红外图像数据。

传输层包括数据传输电路和网络接口，负责将采集到的图像数据传输到外部设备。

三、图像采集流程设计图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。

在红外图像采集层，红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号，经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。

在控制层，FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽，通过时钟控制电路实现同步。

在存储层，高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来，图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。

在传输层，数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。

traditional mainstream technology in embedded systems, and the collecting data toward the direction of high real-time, multi-parameter, high-precision, while data storage become large capacity, more miniaturization and portable, and the development of multicommunication mode and long-distance for data transmission. So as to meet the actual acquisition system multitasking requirements, this article has designed based on STM32 micro-controller uC/OS-II system of signal acquisition system. Therefore, in order to meet the actual acquisition system multitask requirements, this novelty of this article has designed a signal acquisition system in micro-controller uC/OS-II based on STM32.
基于 STM32的数据采集系统英文 文献
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Design of the Data Acquisition System Based on STM32

基于STM32的k型热电偶采集系统
制作人-王天浩 陈力豪 夏正俊 2012级电气工程及其自动化
基本功能
对温度进行实时监测 绘制最近七组温度折线图 监测热电偶的连接状态 实现中文显示
基本参数
MCU主频72MHZ 热电偶温度范围为0~800摄氏度 精度为°C 彩频尺寸280*420
传感器部分
基本原理：
MAX6675内部结构
时序与数据结构
MAX6675 的输出数据为16 位,其中D15 始终无 用, D14～D3 对应于热电偶模拟输入电压的数字转 换量, D2 用于检测热电偶是否断线(D2 为1 表明热 电偶断开) , D1 为MAX6675 的标识符, D0 为三态。 温度值= 1023. 75 ×转换后的数字量/ 4095。（约为四分之一）
在热电偶回路中产生的 电势由温差电势和相 接触电势两部分组成 但是以接触电势为主
接触电势：它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生 的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时，假设 导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且Na>Nb，则在 两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同， 由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要 多。导体A失去电子而显正电，导体B获得电子而显负电。 因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静 电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电 子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到 动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。冷端补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到 仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低 成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由 端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪 表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只 起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的 仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对 测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其 他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影 响。

基于STM32的实验室环境监测系统设计一、引言实验室环境监测是现代科研工作中至关重要的一部分，保持良好的实验室环境有助于提高实验结果的准确性和可重复性。

针对这一需求，本文设计了一个基于STM32的实验室环境监测系统，旨在实时监测和记录实验室的温度、湿度、光照强度等关键参数，以提供及时的环境数据供科研人员参考。

二、系统硬件设计1. 硬件选型在设计实验室环境监测系统时，我们选择了STM32系列单片机作为主控芯片。

STM32具有低功耗、高性能、丰富的外设接口等特点，非常适合实验室环境监测的需求。

同时，为了获取环境参数，我们选用了温湿度传感器、光照传感器等模块，并通过I2C或SPI接口与STM32进行通信。

2. 硬件连接将选购的传感器模块按照其规格书中给出的引脚定义进行连接，可以通过焊接或者插座的方式进行。

为了简化设计，我们可以将多个传感器模块共用一个总线，通过地址寻址的方式与STM32通信。

三、系统软件设计1. 系统架构实验室环境监测系统的软件设计采用了分层的架构，主要分为底层驱动层、数据处理层和界面显示层。

底层驱动层负责与传感器模块进行通信，获取环境参数数据；数据处理层负责对采集到的数据进行处理和计算，并存储到内存或者外部存储器中；界面显示层负责将处理后的数据以人性化的方式显示给用户。

2. 程序流程在系统软件设计中，我们需要编写一段代码来实现实验室环境监测系统的功能。

首先，我们需要初始化硬件引脚和相关外设，建立与传感器的通信接口。

然后，通过循环读取传感器的数据，并进行相应的处理和计算。

最后，将处理后的数据显示在液晶屏上或者通过串口传输给上位机进行进一步分析和处理。

四、系统功能实现1. 温度监测功能通过温度传感器监测实验室的温度变化，并将数据实时显示在液晶屏上。

用户可以根据温度数据来调节实验室的空调设备，以保持适宜的温度环境。

2. 湿度监测功能使用湿度传感器监测实验室的湿度变化，并将数据实时显示在液晶屏上。

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接口)匹配 AD9224的工作时序,读取 A/D 转换后的数据,并通过 DMA 直接写入内存。本文首先阐述该方案的可行性,
然 后 搭 建 硬 件 平 台 并 编 写 软 件 实 现 该 方 案 。 最 后 ,总 结 该 方 案 的 设 计 思 路 、优 势 及 其 局 限 性 ,并 拓 展 到 其 他 并 行 接 口 。
② HSYNC、VSYNC 连接到 STM32F407的其 他I/O 口,通过软 件 控 制 HSYNC、VSYNC 引 脚 的 电 平,进 而 模 拟 DCMI协议,完成数据的正常采集。
③ 配 置 DMA,将 DCMI 采 集 的 数 据 直 接 存 储 到 SRAM 中。
2 硬件设计
按照上述 可 行 性 分 析 给 出 的 方 案,设 计 的 电 路 图 如 图3所示。
陈 春 雨 (硕 士 研 究 生 ),主 要 研 究 方 向 为 航 空 电 子 测 量 。
(责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-06-05)
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图6 组网示意图 无需复 杂 的 配 制 管 理,部 署 方 便 灵 活,具 有 广 阔 的 应 用 前景。
参考文献 [1]1350SimpleLink Ultra-Low-PowerDual-Band Wire-
DCMI和 ADC 需要外 部 时 钟 输 入,因 此 需 提 供 外 部 时 钟 信号,DCMI最 高 时 钟 为 54 MHz,AD9224 时 钟 最 高 为 40 MHz,为同时使 DCMI接口和 AD9224 正 常 工 作,外 部 时钟输入最大不得超过40 MHz(如 果 采 用 更 高 采 样 率 的 ADC,则 接 口 速 度 最 高 可 达 54 MHz)。
Keywords:STM32F4;DCMI;parallelinterface;high-speedADC

㊀２０２１年㊀第１期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．１㊀基金项目：国家重点研发计划（２０１６ＹＦＣ０３０２１００）；青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目（２０１７ＡＳＫＪ０１）收稿日期：２０１９－１１－２１基于ＳＴＭ３２微控制器和ＣＨ４３８Ｑ数据采集器的设计与实现刘㊀君，程㊀凯，赵培刚，徐㊀爽，马㊀超（中国海洋大学，光学光电子青岛市重点实验室，山东青岛㊀２６６１００）㊀㊀摘要：为有效解决深海资源探测传感器搭载数量以及控制系统小型化问题，结合ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６和ＣＨ４３８Ｑ设计了一种能够在深海区域控制多种传感器并将实时探测到的数据进行分类存储的小型化数据采集控制系统㊂海上试验结果表明，数据采集系统工作稳定㊁数据完整，可广泛应用于各种海洋环境监测和深海资源探测系统的建设中㊂关键词：数据采集；海洋探测；串口扩展；ＳＴＭ３２；ＣＨ４３８Ｑ中图分类号：ＴＰ３６８．１㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０１－００３０－０３ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓａｎｄＣＨ４３８ＱＬＩＵＪｕｎ，ＣＨＥＮＧＫａｉ，ＺＨＡＯＰｅｉ⁃ｇａｎｇ，ＸＵＳｈｕａｎｇ，ＭＡＣｈａｏ（ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＴｈｅＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃａｒｒｙｉｎｇｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｅｐ⁃ｓｅａｒｅｓｏｕｒｃｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎ⁃ｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ａｔｅｓｔｉｎｇｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｎｓｏｒｓｉｎｔｈｅｄｅｅｐ⁃ｓｅａａｒｅａｔｏｃｌａｓｓｉｆｙａｎｄｓｔｏｒｅｔｈｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｅｔｅｃｔｅｄｄａｔａｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ａｎｄＣＨ４３８Ｑｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｏｆｆｓｈｏｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｍａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｄｅｅｐ⁃ｓｅａｒｅｓｏｕｒｃｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｍａｒｉｎｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；ＳＴＭ３２；ＣＨ４３８Ｑ０㊀引言海洋为人类提供了丰富的海洋资源与发展空间［１］㊂传统的海洋科学研究方法只能从地面或者乘船从海面观察海洋，随着卫星遥感技术的发展，也可从空中对海洋进行观测，但这些方法都只能得到海洋表面的数据［２］㊂随着科学技术的发展，海洋探测技术也相应的在不断发展与改进㊂深海运载器探测技术㊁深海光学传感器探测技术㊁深海电磁学传感器技术等［３］为人类科学地认识深海提供了方法㊂认识海洋的前提是需要依靠各种传感器探测到的数据，传感器在不同海洋环境下的控制和传感器数据存取则主要依托于数据采集系统㊂在设计数据采集系统中，采用微控制器ＳＴＭ３２作为系统的控制核心，由于试验需要搭载多种ＲＳ２３２串行接口的传感器进行测试，而ＳＴＭ３２所提供的３个串口不能满足需求，必须进行串口扩展㊂本文结合ＳＴＭ３２单片机和串口扩张芯片ＣＨ４３８Ｑ设计实现了一种集成度高㊁配置灵活㊁小型化㊁多种传感器接入的数据采集系统㊂１㊀系统架构海洋数据采集系统集传感器供电与管理于一体，兼容数字量㊁模拟量等接口传感器，可以广泛地应用在各种海洋监测平台系统建设中，能够满足在线观测与自容监测的设计需要［４］㊂数据采集系统的整体设计是基于深海环境背景下设计的，其整体设计图如图１所示㊂图１㊀海洋探测数据采集器整体设计框图㊀㊀㊀㊀㊀第１期刘君等：基于ＳＴＭ３２微控制器和ＣＨ４３８Ｑ数据采集器的设计与实现３１㊀㊀数据采集系统主要分为供电电源，微控制器，串口扩展三部分㊂供电电源负责为微控制器㊁串口扩展以及外接传感器提供电源管理；串口扩展部分负责与各种传感器进行通信对接，将传感器探测的数据传输到微控制器之中㊂微控制器是整个数据采集系统的核心，负责控制整个数据采集系统的工作，需要对各类数据进行采集㊁处理㊁存储，对各种传感器工作状态工作进行监控，保证整个采集工作的稳定进行㊂数据采集系统各部分的详细设计需要考虑所搭载传感器的工作电压㊁通信方式㊁通信速率㊁数据格式等主要参数㊂本试验所搭载的主要传感器和其性能参数如表１所示㊂表１㊀传感器类型及性能参数传感器类型工作电压通信方式通信速率ＣＴＤ９ ２４ＶＤＣＲＳ２３２１１５２００ｂｉｔ／ｓ甲烷９ ３６ＶＤＣＲＳ２３２９６００ｂｉｔ／ｓＭｉｎｉＣＯ２５ ３０ＶＤＣＲＳ２３２９６００ｂｉｔ／ｓ自研ＣＯ２１２ＶＤＣＲＳ２３２９６００ｂｉｔ／ｓ㊀㊀传感器返回的数据格式如下所示㊂（１）ＣＴＤ返回的数据格式为：温度，电导率，压力，盐度，声速，日期，时间㊂（２）甲烷返回的数据格式为：１：甲烷浓度对应的电压值；２：温度；３：保留；４：保留；５：保留；６：保留；７：保留；８：保留㊂（３）自研ＣＯ２返回的数据格式为：开始标志，年月，日，时，分，秒，参考Ａ／Ｄ，当前Ａ／Ｄ，未校正ＣＯ２浓度，校正后ＣＯ２浓度，传感器温度，气压，内部电池温度，电源电压，记录器温度，模拟输入１，模拟输入２，数字输入１，数字输入２㊂（４）ＭｉｎｉＣＯ２返回的数据格式为：ＣＯ２浓度㊂２㊀串口扩展串口扩展部分是数据采集器中的重要部分，它主要负责接收各种传感器探测获得的数据㊁将微控制器发送的指令传达给部分传感器以及将接收到的数据再返回到微控制器，微控制器再进行相应的分类存储㊂在此部分的设计中，选用了ＣＨ４３８Ｑ芯片进行串口扩展㊂ＣＨ４３８Ｑ芯片可以扩展为８路串口，只需要在控制部分进行相应的初始化配置即可使用，而不会影响单片机自身具备的串口功能，且支持最高４Ｍｂｉｔ／ｓ的通讯波特率，可以用于单片机／嵌入式系统的ＲＳ２３２串口扩展㊁带自动硬件速率控制的高速串口等，支持串口低功耗睡眠模式㊂ＣＨ４３８Ｑ与ＳＴＭ３２通信原理如图２所示㊂图２㊀ＣＨ４３８Ｑ与ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６通信原理图ＣＨ４３８Ｑ集成扩展出来的通信接口为ＴＴＬ电平，在本次数据采集器中所要搭载的传感器均为ＲＳ２３２通信方式，因此，在串口扩展设计模块中，需要采用ＭＡＸ３２３２芯片将ＴＴＬ电平转换成ＲＳ２３２电平与传感器进行通信㊂３㊀控制部分设计微控制器采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６芯片，它基于高性能㊁低成本㊁低功耗嵌入式应用的ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核，采用ＡＲＭＶ７构架，支持Ｔｈｕｍ－２指令集，具有位带操作㊁定时器㊁可嵌套中断㊁低成本㊁低功耗㊁接口丰富等优势［５］㊂在数据采集系统中，ＳＴＭ３２微控制器负责对串口扩展模块中的ＣＨ４３８Ｑ寄存器进行初始化㊁将采集到的数据进行整合㊁存储以及对整个系统运行进行监测㊂微控制器主要功能示意图如图３所示㊂图３㊀控制模块主要功能示意图控制模块的软件设计部分是在ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ５集成开发环境下完成的㊂软件架构基于模块化思想，针对不同的功能模块进行函数封装，提高了软件重用性和简洁性㊂３．１㊀ＣＨ４３８软件配置ＣＨ４３８Ｑ芯片内部具有８个完全独立的异步串口，在寄存器地址空间分布上，每个串口各占用８个字节的地址空间㊂对ＣＨ４３８Ｑ的串口进行初始化要根据串口号对应的地址进行相应的设置，主要包括：波特率㊁内部时钟频率㊁ＦＩＦＯ的设置㊂（１）波特率的设置是基于搭载传感器的波特率大小选择的㊂在本次试验中将串口１的波特率设置为１１５２００ｂｉｔ／ｓ，其他串口统一设置为９６００ｂｉｔ／ｓ㊂（２）内部时钟频率的大小要根据ＣＨ４３８Ｑ外部晶体的大小进行计算，其计算公式为：内部时钟频率＝外部晶振频率基准时钟ˑ１６ˑ所需通讯波特率㊀㊀㊀㊀㊀３２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪａｎ．２０２１㊀设计中选用了频率为７．３７２８ＭＨｚ石英振荡器作为外部晶振，以１．８４３２ＭＨｚ作为串口内部基准时钟，所需波特率为９６００ｂｉｔ／ｓ，则公式计算后，内部时钟频率大小为０．６１４４ＭＨｚ㊂（３）设置ＦＩＦＯ模式为打开状态，触发点为１１２字节，便于数据缓存㊂３．２㊀数据处理考虑到所搭载传感器的数量和返回数据的重复，有必要对数据进行相应的处理，这样有利于数据的存储以及后期处理㊂微控制器将接收到ＣＴＤ传感器㊁甲烷传感器㊁ＭｉｎｉＣＯ２传感器㊁自研ＣＯ２传感器㊁舱内温湿度传感器以及ｐＨ传感器数据，每个传感器保留必要的数据后并用分号隔开进行组合㊂数据处理后的格式为：标志位，日期，时间，温度，电导率，压力，溶解氧，盐度，声速；甲烷浓度；参考Ａ／Ｄ，当前Ａ／Ｄ，未校正ＣＯ２浓度，校正后ＣＯ２浓度，传感器温度，气压，内部电池温度，电源电压；ＣＯ２浓度；舱内温度，舱内湿度；ｐＨ值㊂３．３㊀数据存取存储模块应具有非易失性，及在掉电后的数据不会被丢失㊂常用的有固化存储器主要包括ＦＬＡＳＨ㊁Ｅ２ＰＲＯＭ和ＳＤ卡［６］㊂在深海探测时，由于深度原因，数据一般无法进行实时传输到水面，可以采用大容量存储设备，以存储数据㊂这里选用ＳＤ卡作为数据存储器是非常合适的㊂它不仅容量可以做到很大（３２ＧＢ以上），而且方便移动，并且有几种体积的尺寸可供选择（标准的ＳＤ卡尺寸，以及ＴＦ卡尺寸等），能满足不同应用的要求㊂微控制器在将数据处理完成之后，将数据以．ＴＸＴ文件格式存储到ＳＤ卡之中，并以时间作为文件名㊂此外，为了方便测试后数据读取处理，设计了ＵＳＢ的硬件接口功能并编制了相应的控制程序，方便了数据的读取㊂４㊀近海实验结果数据采集系统装载在耐压舱体中，通过定制电缆分别与ＣＴＤ传感器㊁甲烷传感器㊁自研ＣＯ２传感器㊁ＭｉｎｉＣＯ２传感器等进行连接，工作电源由ＡＵＶ提供２４Ｖ直流电源㊂近海试验表明，数据采集器在长时间运行下可以稳定工作，通过ＵＳＢ读取的实验数据分类存储完整，达到了预期目标㊂部分实验数据整理后如表２ 表４所示㊂表２㊀ＣＴＤ传感器数据标志位日期时刻温度／ħ电导率／（Ｓ㊃ｍ－１）压力／Ｐａ溶解氧／（ｍｇ㊃Ｌ－１）盐度／（ｍｇ㊃Ｌ－１）声速／（ｍ㊃ｓ－１）＃２０１９－０４－１２０９：２１：２９１１．００７４０．０００３１－０．１６８７．２４８０．００６６７．２４８＃２０１９－０４－１２０９：２１：３９１０．９９２２０．０００３１－０．１８９７．２５７０．００６６１４５１．１７７＃２０１９－０４－１２０９：２１：４９１０．９３２７０．０００３２０．０５３７．３６６０．００６６１４５０．９５０＃２０１９－０４－１２０９：２１：５９１０．９０９００．０００３１０．０１３７．４１７０．００６６１４５０．８５８＃２０１９－０４－１２０９：２２：０９１０．９４７１０．０００３１－０．１３０７．３３００．００６６１４５１．００３表３㊀甲烷和ＭｉｎｉＣＯ２传感器数据甲烷浓度／（ｍｇ㊃Ｌ－１）参考Ａ／Ｄ当前Ａ／Ｄ未校正ＣＯ２浓度／（ｍｇ㊃Ｌ－１）校正后ＣＯ２浓度／（ｍｇ㊃Ｌ－１）传感器温度／ħ气压／Ｐａ内部电池温度／ħ电源电压／Ｖ０．３６２０１４８７０１７５８－２５０．００－２５２．９８１１．３１９８８．２２０．１７１１．８８０．４３５０１８４８０２１５１－２５０．００－２５２．８８１１．３０９８８．６１７０．３５１１．８０．５５７０１８７４０２１７７－２５０．００－２５２．７５１１．２７９８９．１３０．４０１１．８０．７９７０１８７７０２１８１－２５０．００－２５２．７７１１．２６９８９．０５０．５２１１．８０．９１００１８７７０２１８１５５９．００５６５．３４１１．２３９８８．７９０．５２１１．８表４㊀自研ＣＯ２㊁温湿度㊁ｐＨ传感器数据ＣＯ２浓度／（ｍｇ㊃Ｌ－１）舱内温度／ħ舱内湿度／％ＲＨｐＨ值５２８１０．９４３．８５．１７７５２０１１．０４３．８５．２０１５２９１１．０４３．８５．２１１５２９１１．０４３．７５．２１１５２６１１．０４３．７５．２２６５㊀结束语针对于深海资源探测设计的数据采集系统，在完成了串口扩展问题的基础上，不仅做到了集成度高㊁低功耗㊁低成本，还可以根据不同的探测任务需求，灵活搭载不同的传感器㊂后期还可以针对微控制器ＳＴＭ３２功能进行深入开发，设计不同的功能模块，满足不同领域通信控制和数据传输的需求㊂（下转第４７页）㊀㊀㊀㊀㊀第１期甄国涌等：基于ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ的高可靠性图像数据传输设计４７㊀㊀图８㊀１６ｂｉｔ灰度图像表１㊀误码统计表测试序号传输距离／ｍ数据量／ＧＢ误码个数双校验前双校验后重传次数１４１６２６００２４３２５７００３６１６５２００４６３２９６００５８１６１０６０２６８３２１９８２８７１０１６１７５７２３８１０３２４５３１６３１５㊀结束语针对图像数据在高速传输时可靠性较低的问题，设计了基于ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ的高可靠性图像数据传输系统㊂通过对接口时序进行优化设计以及使用ＣＲＣ校验与ＥＣＣ校验结合的双校验方法，提高了ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ接口在传输图像数据的可靠性㊂经试验验证，加入双校验逻辑后，误码率低于一百亿分之一，图像数据传输可靠性显著提升㊂参考文献：［１］㊀杜文略，李红薇，高越．水下试验图像数据采集存储系统的设计与实现［Ｊ］．电子器件，２０１９，４２（３）：７３３－７３９．［２］㊀隋延林，何斌，张立国，等．基于ＦＰＧＡ的超高速ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ图像传输［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２０１７，４７（５）：１６３４－１６４３．［３］㊀邱扬刚，邱琦，赵民伟，等．基于ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ的高速图像采集技术研究与应用［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１８，２６（４）：２３９－２４２．［４］㊀魏淑稳．基于ＦＰＧＡ的ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ图像数据采集装置的研究与实现［Ｄ］．太原：中北大学，２０１９．［５］㊀张维达，崔明，张甫恺．基于异步ＦＩＦＯ的ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ数字图像光纤传输技术［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（７）：４７－５０．［６］㊀汝兴海．图像数据高速传输和数据存储的关键技术研究与实现［Ｄ］．太原：中北大学，２０１６．［７］㊀刘源，李庆，梁艳菊．基于ＦＰＧＡ的红外目标自动检测系统［Ｊ］．红外技术，２０１９，４１（６）：５２１－５２６．［８］㊀李辉景，王淑琴，任勇峰，等．基于ＣＲＣ校验的高速长线ＬＶＤＳ传输设计［Ｊ］．电子器件，２０１５，３８（６）：１３４６－１３５１．［９］㊀朱金瑞，王代华，苏尚恩，等．存储式弹载数据记录仪存储可靠性技术研究［Ｊ］．兵器装备工程学报，２０１９，４０（１）：１５９－１６２．［１０］㊀范君健，吴国东，王志军，等．基于ＦＰＧＡ的高精度弹载压力数据采集系统［Ｊ］．兵器装备工程学报，２０１７，３８（９）：１０２－１０７．作者简介：甄国涌（１９７１ ），教授，博士，主要研究领域为动态测试技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｕｏｙｏｎｇ＠ｎｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ丁润琦（１９９６ ），硕士研究生，主要研究领域为动态测试技术，电路与系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｄｒｑｄｒｑ１００００＠１６３．ｃｏｍ（上接第３２页）参考文献：［１］㊀韩增林，李博，陈明宝，等． 海洋经济高质量发展 笔谈［Ｊ］．中国海洋大学学报（社会科学版），２０１９（５）：１３－２１．［２］㊀吴邦春，彭晓彤，周怀阳，等．基于海底观测网的深海化学监测系统的设计［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１１，３２（５）：１１７１－１１７６．［３］㊀丁忠军，任玉刚，张奕，等．深海探测技术研发和展望［Ｊ］．海洋开发与管理，２０１９，３６（４）：７１－７７．［４］㊀张涌萍，杨汝．具有优越陷波选择性和带宽的超宽带缝隙天线［Ｊ］．现代电子技术，２０１４，３７（１５）：８６－８８．［５］㊀魏旭可．基于ＳＴＭ３２单片机的光谱仪数据采集与处理系统［Ｄ］．青岛：中国海洋大学，２０１２．［６］㊀陈作聪．一种用于海洋大数据的低功耗数据采集器设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１８，２６（７）：３０６－３０８．作者简介：刘君（１９９３ ），硕士研究生，主要研究方向为光电探测与控制技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１４３２７０１７１３＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：程凯（１９７４ ），高级工程师，博士，主要研究方向为海洋信息探测与处理㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｋａｉ＠ｏｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ。

基于FPGAad数据采集存储处理报告（含Verilog源代码）基于FPGA AD数据采集存储处理项目报告(XILINX ALTEARA 都可用)组员：华、文、杰一、实验目的本次实验利用Basys2开发板完成一个开发小项目，即开发AD数据采集存储处理系统，旨在掌握FPGA开发基本方法以及锻炼解决开发过程中出现问题的能力。

二、关键词Basys2、FPGA、AD转换、RAM、串口通信、MATLAB处理三、方案设计要实现本次项目，首先确定器件，其次根据器件时序写出模块的使用程序，最后综合成一个工程，然后进行仿真，上板实验。

本次实验的器件：32M8位模数转换器、Basys2开发板、串口转RS232cp2102模块、基于三极管的电平转换电路。

选择好器件后，根据器件的时序完成模块的代码书写。

写好AD模块、串口通信模块后，现在就需要处理采样速率与串口通讯速率不匹配的问题了。

根据香农采样定理，采样频率得高于信号频率的两倍才能完成信号复现，我们这里使用25M的高速采样频率，而串口dps9600传送一个位104us明显比采样慢许多。

所以这里需要解决速率不匹配的问题。

我们想到可以利用FPGA的RAM先存储采样来的数据，然后再提取数据经过串口通信送至PC经由MATLAB处理。

本次小项目最为关键的是控制好采样与串口通信的时序问题。

关于时序的控制，留到模块介绍里面说明。

方案小结：本次实验基于片内RAM存储AD采样过来的数据，然后待采样完成后提取数据串口通信至PC，最后经由matlab处理。

四、模块介绍1.Verilog开发程序介绍如下给出基于QuartusII绘制出的Block Diagram图，涵盖了所有的模块以及模块之间的连线。

图4.1 综合模块图如下给出程序目录（txt格式）：现在分别介绍各个模块的端口以及功能。

AD外设：电路图、实物图、接口这个外设提供最大32M采样速率，包括一个模拟信号输入和一个采样时钟输入以及八个数字信号输出。