河北大学
硕士学位论文
基于ARM7的高速高精度数据采集系统设计与实现
姓名：田轶
申请学位级别：硕士
专业：检测技术与自动化装置
指导教师：孙荣霞
2011-05
摘要
近年来，随着计算机技术、电子技术等技术的发展，如何对数据进行采集和处理显得越发重要，数据采集的速度和精度是数据采集系统发展的两个主要方向。单片机、ARM、DSP等各种微处理器的广泛应用，为数据采集系统提供了一个有效的平台。对信号进行高速和高精度的采集以及对采集数据处理的研究和设计是本课题的主要任务。
本文基于ARM 7 LPC2388设计了一种数据采集系统，利用LPC2388丰富的功能接口和较高的工作频率，实现对信号的采集和数据处理的功能。本文介绍了数据采集系统的国内外研究现状和发展趋势，对本系统的主要芯片进行了选型。根据模块化的思想，将系统化分成各个功能单元并对各个功能模块进行分析。随后文章详细分析了系统的硬件设计，提出了需要注意的问题，并提供了各模块的原理图和PCB图。本文第四章介绍了系统各模块的软件设计，在ADS1.2编译环境下进行C语言和汇编语言程序的编写，给出了部分代码，对系统的启动代码进行了详细分析。系统实现了红外遥控的控制功能，通过控制AD9238和CS5532进行高速高精度的数据采集，驱动液晶驱动控制器LGDP4531能够实现彩色液晶显示的功能，利用nRF2401和MAX3232分别进行无线通讯和串口通信，具有实时时钟功能。最后对系统进行了验证实验，实验结果表明该系统基本满足高精度数据采集、传输和显示的要求，并提出了改进系统性能的方法。
本文设计的基于LPC2388的数据采集系统为测控系统提供了良好的硬件平台，提供了多种通讯方式，根据需要可以对采集的数据进行不同的处理，为今后深层次的研究打下了基础。
关键词数据采集 LPC2388 彩色液晶无线通信
Abstract
In recent years, with computer technology, electronic technology and technology development, how to collect and process the data becomes more important. The speed and accuracy of data collection are the two main directions of the data acquisition system. MCU, ARM, DSP and other microprocessors are widely used provides an effective platform for data acquisition system. High speed and high precision signal acquisition as well as the research and design of collected data is the main task of this project.
Based on the ARM7 LPC2388 this paper designs a data acquisition system. Using rich function interface and higher operating frequency of LPC2388 achieves signal acquisition and data processing functions. This article describes the research status and development trend of the data acquisition system, selects the main chips of the system. According to the modular idea, the system is divided several functional units and analyzes each functional module. Then the article analyzes the hardware of the system, proposes the problems which are need for attentions and provides a schematic diagram and PCB map of each module. Chapter 4 describes the software design of each module, C and assembly languages are compiled in ADS1.2 environment, parts of the code are given, the boot code of the system is minutely dissected. System realizes infrared remote control function, the high accuracy data acquisition is acquired by controlling AD9238 and CS5532, LCD drive controller LGDP4531 is to implement the function of TFT LCD display.nRF2401 and MAX3232 are used respectively to achieve wireless communications and serial communication and with real-time clock function. Finally, through verifying the system, experimental result shows that the system can meet the high precision data acquisition, transmission and display requirements basically and proposes the means which could improve system performance.
This data acquisition system which is based on LPC2388 provides a good hardware platform for measurement and control system provides a variety of communication modes, collected data can be treated differently according to the need that is for the future of deep foundation.
Key words Data Acquisition LPC2388 TFT LCD Wireless Communication
第1章 绪论
第1章绪论
1.1 课题的背景及研究意义
随着数字化时代的来临，数字信号的处理技术已经渗透到人们生活的方方面面，化工、医学、工业及科研等各个领域中，都必须对相应的信号进行检测与处理。人们通常根据采样定理将传感器传送来的模拟信号转换成数字信号，再对这些数字信号进行处理。数据采集可以说是数字信号处理的核心，数据采集的好坏将直接影响未来的工作。数据采集的目的在于测量电气信号或物理量，如电压、温度、压力、流量、液位等[1]。一个完整的数据采集系统应当包括信号、传感器或执行机构、信号调理、数据采集设备和软件等部分[2]。社会的发展和科技的进步使信号处理系统的智能性越来越强，实时性越来越好，数据采集的精度和速度也越来越高[3]，对数据采集系统提出了更高的要求。除了基本数据采集的功能外，还必须针对不同行业领域、不同的现场环境实现多种工作模式、多种量程范围、多种控制方法、多种数据传送和显示方式以及实时时钟的功能等[4]，因此，数据采集仪器仪表的种类繁多，更新的速度越来越快。通用的数据采集系统不能满足专门的场合，这就迫使许多公司开发出各种专用的数据采集系统。
今年来，嵌入式系统在通讯、工业控制等领域的应用，使嵌入式技术得到了极大的发展。以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统叫做嵌入式系统[5]。嵌入式微处理器的功能越来越强大，可以满足大部分数据采集的要求，为了便于开发，有些微处理器还集成了ADC和DAC单元。一些微处理器还集成了多种通讯接口和寄存器，可以根据不同的场合进行扩展。目前嵌入式应用技术是科研人员开发的热点和重点之一。1.2 国内外研究现状和发展趋势
近年来，数据采集系统速度以及数字信号处理技术得到了飞速发展，同时USB技术、以太网技术和无线通讯等技术在数据采集系统中的应用使接口方式得到了拓展，便携式数据采集系统越来越受到用户的青睐。单片机、ARM、DSP、FPGA多种微处理器的应用使得数据采集卡市场百花齐放。目前，国内的数据采集卡市场由外国公司主导，高速和高精度数据采集方面尤为突出。日本东京测器研究所生产的TDS-150便携式数据记录仪是一款静态数据采集仪，测量通道达到50个，具有休眠间隔定时和数据储存功
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能，可进行长期自动测量，配有USB和RS-232端口，可读取各种测量设置和测量数据并传输到电脑。美国NI公司的CompactDAQ与以太网技术相结合，将高速数据采集的范畴拓展到实验室乃至全球的远程传感器和电子测量，与LabVIEW软件紧密集成，能以较少的开发投入换取测量系统的最高性能。国内公司的产品较之国外产品在通用性、稳定性等发面还有较大的差距，随着国内公司研发资金和技术的投入，开发数据采集系统达到了比较高的水平。如深圳市创智联科技发展有限公司开发的PTF100，其检测功能是温度、压力和流量的组合。石家庄铁道学院和铁道部襄樊内燃机厂联合研制的液压系统诊断仪等仪器都具有多参数检测功能，被国内多家企业采用。
目前国内外数据采集系统具有以下特点：
（1）利用各种微控制芯片来处理，采集速度越来越快，精度越来越高。
（2）系统向着多参数、网络化方向发展[6]。
（3）系统自动化、智能化程度不断提高。
（4）系统功耗逐渐降低，可扩展性进一步提高。
1.3 论文主要内容
本论文在分析国内数据采集系统的基础上，考虑到数据的采集速度、精度和系统可扩展性，选用了PHILIPS公司的ARM7微控制器LPC2388，设计出一套通用性较强的数据采集系统。实现了的高速和高精度信号采集，显示及无线传输等功能。本文的主要研究内容如下：
（1）分析了国内外数据采集系统的研究现状，将系统划分为不同的模块，研究了基于ARM7芯片LPC2388数据采集系统的硬件电路和软件的设计，初步实现了对信号的高速和高精度采集、显示及传输功能。
（2）选用12位双通道AD9238通过并行口方式以较高速度的数据采集，为了提高精确度，采用差分驱动芯片AD8138为其提供差分信号。
（3）利用24位精度的CS5532芯片通过SPI协议实现以高精度的数据采集。
（4）通过控制LGDP4531实现TFT彩色液晶显示图片、数据，利用GUI等函数实时描绘显示数据采集的波形和数据。
（5）利用 nRF2401芯片实现无线通信功能，通过MAX3232实现了与计算机之间的串口通信。
第1章 绪论
（6）实现了利用红外遥控进行控制功能，并可以通过按键设置实时时钟。
（7）对系统的采集、显示和传输功能进行了实验的验证，基本达到了预期的效果。最后提出本设计的不足之处和今后的改进和探索方向。
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第2章 数据采集系统介绍
2.1 数据采集基本理论
电压、温度、压力等这些信号都是模拟量，它们是随时间变化而连续变化的。而微处理器系统内部运算时使用的是数字量，这就需要必须将模拟量转换为数字量。因此，通常需要在电路前端加上模拟/数字量转换器，即ADC(Analog to Digital Converter)。
在A/D 转换过程中，因为输入的模拟量在时间上是连续的，而输出的数字量在时间上是离散的，因此需要在一些选定的时间点上对模拟信号进行采样，把这些采样值转换为数字量。一般的A/D 转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的[7]。即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间距的脉冲，脉冲的幅度取决于输入的模拟量，并按一定的编码格式输出转换的结果。
2.1.1 采样定理
可以证明，如图2-1所示，为了保证能从采样信号S V 恢复成原信号i V ，必须满足：
max 2i S f f ≥ （2-1）
（2-1）式为采样定理,其中s f 为采样频率, max i f 为输入模拟信号i V 中的最高频率。在满足采样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号S V 还原为i V ，低通滤波器的电压传输系数|A(f)|在低于max i f 的范围内保持不变，而在max i s f f ?以前应迅速下降为0，如图2-2所示。因此，采样定理规定了采样的频率下限，在工程设计中通常取max )5~3(i s f f =。
图2-1 对输入模拟信号的采样 图2-2 还原采集信号所用滤波器的频率特性
第2章数据采集系统介绍
2.1.2 量化
在A/D转换过程中，用数字量表示断续变化的模拟量时，必须将采样电压值表示为某个最小单位的整数倍，这个过程叫做量化过程。这个最小单位称为量化单位，用Δ表示。量化过程中必然存在误差，这种误差称为量化误差。
2.1.3 编码
把量化得到的结果用二进制编码表示出来，称为编码。编码的最低有效位(LSB)所代表的数量大小等于Δ。
2.2 A/D转换器的主要参数指标
由于单片机、ARM、DSP等微控制器芯片的运行速度不断提高，数据采集应用领域的扩大，这就要求也能满足高速、高精度的要求。主要电气参数如下：（1）分辨率
A/D转换器的分辨率[8]是指能够区分的最小单位输入模拟量。它表示了A/D转换器对输入信号的分辨能力，通常以输出二进制值数的位数表示。在输入信号一定时，输出位数越多，分辨率越高。常用的ADC有8位，10位，12位，16位，24位，32位等。一个n位ADC的分辨率为n2。
（2）转换精度
A/D转换器的实际输出值与理论值的差异叫做转换精度。当用百分比或最低有效位(LSB)表示时，它叫做相对精度。需要注意的是，分辨率与精度没有直接联系，分辨率描述的是刻度划分的，它反映了区分最小单位信号的能力；而精度是用来表示准确性的，它反映了器件描述物理量的准确程度。
（3）转换时间与转换速率
A/D转换器完成一次A/D转换需要的时间称为转换时间。转换速率是指在保证输出的数字信号跟踪输入的模拟量且没有增加误差的情况下，输入信号允许的最大变化率[9]。对于大部分A/D转换器，转换速率与转换时间是倒数关系，即转换速率是转换时间的倒数。但对于简单的ADC来说，转换速率等于采样保持捕获时间和转换时间之和的倒数。此外，对于一些高速的ADC，由于采用了流水线等技术，转换速率比转换时间快得多。
2.3 A/D转换器的分类
（1）积分型A/D转换器
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积分型A/D 转换器基于间接A/D 转换的技术，将输入电压转换成频率（脉冲频率）或者时间（脉冲宽度信号），然后由定时/计数器获得数字值。它具有精度高、抗干扰性强、造价低的特点，常用于低速数据采集系统，如温度、湿度、重量等仪表上。
（2）逐次比较型A/D 转换器
它是一种直接A/D 转换的技术，它由比较器、D/A 转换器、控制逻辑和逐次寄存器等构成，取一个数字量加到D/A 转换器上，从最高位开始，顺序的将输入电压与D/A 转换器输出进行比较，经n 次比较直到两个模拟电压相等为止。在中高速数据采集系统、智能仪器仪表等系统中得到了广泛的应用，这种A/D 转换器具有转换速度快、精度高和功耗低的特点。
（3）并行比较型A/D 转换器
并行比较型ADC 转换速度最快、转换原理也最直观。采样多个比较器，n 位转换需要12?n 个比较器，因此电路规模较大，要获得分辨率高的并行ADC 是比较困难的。它的转换速度极快，但造价较高，在高速数据采集如图像处理、数字通信等领域应用广泛。
（4）Σ?Δ型A/D 转换器
Σ?Δ型ADC 由比较器、积分器、D/A 转换器和数字滤波器等组成。将输入电压转换成时间信号（脉冲宽度），再经过数字滤波器后得到数字量。电路容易集成到一个芯片上，因此容易做到高分辨率。Σ?Δ型A/D 转换器经常用在高分辨率场合，如音频和测量等应用。
2.4 主控制器选型
目前，常用的控制芯片有ARM 、DAP 、FPGA 和各种单片机。如今，嵌入式设备已经融入到我们生活中的方方面面，如手机、汽车、无线通讯和个人助理（PDA ）等[10]。ARM 处理器（Advanced RISC Machines ）是现在世界上应用最为广泛的32位处理器之一，它体积小、成本低、功耗低、可靠性高、资源丰富，是嵌入式设备的核心。据调查，基于ARM 技术的处理器已经占据了32位RISC 芯片75%的市场份额，可以说，ARM 技术几乎无处不在[11]。
ARM 处理器通常具有以下特点：
（1）采用流水线技术，提高了处理器核的效率和吞吐率。通过锁相环技术（PLL ）
第2章数据采集系统介绍
来倍频时钟。
（2）多重AHB总线，使AHB系统可以同步进行而不会产生竞争。
（3）具有系统编程（ISP）和应用编程（IAP）功能，无需使用昂贵的编程器和仿真装置。
（4）大容量的片内Flash程序存储器和SRAM，可以进行高性能的CPU访问，使其工作更加可靠。支持外部存储器，如：NAND Flash、SRAM和SD卡等，可以进行海量数据存储。
（5）内置PWM、A/D和D/A功能单元，可以不用外接转换电路直接对模拟信号进行处理和控制。定时计数器、实时时钟、中断系统等内部重要资源得到了大幅度提升，使其更适合进行实时控制。
（6）强大的数据通信功能，芯片内置了通用串行接口（USART）、同步串行接口（SPI）、两线串行总线接口（IIC）、CAN总线接口、以太网接口、USB接口，支持OTG 和DMA功能。
一般单片机为8位单片机，最高工作频率为40MHz左右，ARM7为32位处理器，经过PLL倍频后，工作频率可达到72MHz，考虑到系统要以较高速的数据采集和高精度的数据采集，ARM7的寄存器足够大，可以一次把转换的数据读入寄存器，片上资源多，性价比较高，因此决定选用ARM7芯片。
为了系统的可扩展性和今后学习研究的需要，搭建的硬件的平台具有较多的资源，如多个UART口、CAN、USB、以太网、SD卡、无线通讯等等，系统用彩色显示数据图片，考虑到处理数据的速率和实时性，与彩色液晶通过并口通讯，需要较多的I/O管脚。考虑到编写程序、处理数据的方便性和为了未来移植操作系统的需要，需要较大的Flash存储器和SRAM。因此选用较高端的ARM7芯片LPC2388。
LPC2388是Philips公司生产的基于实时仿真的32位ARM7TDMI-S 微处理器[12]，适用于为了各种目的需要而进行通信的应用。内部功能框图如图2-3所示。它包含了4 个UART、1个 SPI接口、2个同步串行端口（SSP）、3 个I2C 接口、2路 CAN 通道、1个 I2S 接口、10/100 Ethernet MAC、USB 2.0 全速接口等并支持OTG功能。
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图2-3 LPC2388内部结构框图
V SS
第2章数据采集系统介绍
LPC2388具有高达512K的Flash存储器和98K的RAM[13]。Flash在ARM的局部总线上，能够进行高性能的CPU访问；有两个AHB系统，可以同步进行Ethernet DMA、USB DMA和片内Flash执行程序；先进的中断向量控制器，支持多达32个向量中断还具有通用定时器、RTC、看门狗等功能模块。
LPC2388的一般工作电压为3.0V~3.6V，有空闲、睡眠、掉电和深度掉电四个低功耗模式；内部有4MHz的RC振荡器，可选择作为系统时钟，片内PLL可以使CPU最高工作在72MHz；封装为LQFP144。以上这些特点使它非常适用于工业控制和医药系统等领域。
2.5 A/D转换器选型
A/D转化芯片是数据采集系统的一个重要的组成部分，它的好坏直接关系到系统的性能，因此必须严格的选择。ADC的选择需要注意以下几点：
（1）根据被测信号的变化速率选择A/D转换器。不同的场合需要的ADC的速率是不同的，如测温度、重量、湿度这些变化缓慢的信号时低速的ADC就可以满足要求，而当处理视频、图像这些变化迅速的信号就需要高速的ADC来完成采集。
（2）应根据系统要求的精度选择ADC。系统的精度是一个综合的概念，它包括多个指标，如传感器的精度、ADC的精度及信号放大电路的精度等等。选择时要考虑这些综合因素。
（3）还应考虑其它因素选择ADC。如主控芯片的处理速度、电源的精确度、成本以及与主控芯片的通讯方式等等。
2.5.1 高速A/D转换器的选择
在工业控制和一般领域，信号的频率通常不会超过2~10MHz[14]，根据采样定理，采样频率为信号频率的3~5倍，采用AD9238作为高速ADC，本系统选取的AD9238型号的采样速率可达20MS/s，图2-4为AD9238功能框图。
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图2-4 AD9238功能框图 它是12位双通道模数转换芯片，封装为LPFQ64；供电电压范围为2.7V~3.6V ，功耗很低，当工作在20 MSPS 时，功耗仅为180 mW ，可以接受1Vp-p~2Vp-p 的单端或者差分模拟输入信号，内部自带稳定精确的参考电压；在每个时钟信号的上升沿进行采样，根据AD9238的时序图，AD9238输出的数据会有7个时钟周期的流水线延迟[15]，在采样开始时前7个数据是无效的，数据处理时应及时舍去。
2.5.2 高精度A/D 转换器的选择
对于变化缓慢的信号，系统要获得较高的精度同时还要有较高的转换速度，同时考虑到应用的普遍程度，系统选用了Cirrus Logic 公司生产的24位、超低噪声、2通道的Σ?Δ模数转换器CS5532，内部结构图如图2-5所示。它采用电荷平衡技术分辨率可以达到24bit ，线性误差达到0.0007%FS ，有多种电源配置方式，它提供了7.5Hz ~ 3,840Hz 之间的10种可供选择的字输出速率。本设计选择的CS5532芯片封装为SSOP20，它抗干扰能力强、体积小、功耗低，特别适合测量称重仪表、医疗和过程控制等应用领域的单双极小信号。
REFT_A
REFB_A
VREF
SENSE
AGND
VIN+_A
VIN-_A
MUX_SELECT CLK_A CLK_B DCS DRVDD DRGND
第2章 数据采集系统介绍
图2-5 CS5532内部结构框图
CS SD1 SD0 SCL
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第3章数据采集系统的硬件设计
数据采集系统的结构框图如图3-1所示。传感器把要检测的信号转换为电压信号送至A/D转换模块，A/D转换模块把电压信号转换为数字信号后传送给主控制器LPC2388，LPC2388对数字信号进行相应的处理，将处理的数据通过并行口传输到彩色液晶屏进行显示，经过串口将数据送至电脑或其它设备，通过无线模块将数据传输给其它无线通讯设备，为了对时间进行有效控制和保证系统稳定的运行控制LPC2388自带的实时时钟相关的寄存器实现实时时钟的功能，为了节省主控制器的I/O管脚和在一定距离范围内对主控板进行有效的控制，选用了红外控制。
图3-1 系统框图
3.1 电源电路
为了保证主控制器LPC2388、A/D转换芯片、彩色液晶和无线通信等模块稳定的工作必须提供可靠的电压，因此电源电路的设计尤为重要。本设计中，需要提供5V和3.3V 电压，选用了AMS1117-3.3和AMS1117-5.0两个电源芯片。AMS1117是目前应用广泛的低压差线性稳压器，它成本低、电路简单、体积小、精度较高，可以提供1A的电流并且工作压差可降低至1V。在输出最大电流时，AMS1117器件的压差最大不超过1.3V，并会随着负载电流的减小而逐渐降低。片上微调把基准电压的误差调整到1%以内，电流限制也得到了调整，尽量减小因稳压器和电源电路超载带来的影响。电源电路如图3-2所示。
第3章 数据采集系统的硬件设计
图3-2 电源电路原理图 首先220V 交流电压经过一个稳压源输出9V 的直流电压，AMS1117-5将9V 电压转变为5V 电压给一部分电路供电，并将5V 电压传送至AMS1117-3.3进行电压变换后向系统其它电路供电。F μ220、F μ10大电容用来滤去纹波，F μ1.0的小电容滤去电路中的高频杂波，这样减小了对数字电路的干扰，提高了电源的效率。
3.2 数据采集模块
3.2.1 AD9238
AD9838的电路原理图如图3-3所示。
本设计中，采用3.3V 向AD9238供电，它有4个模拟电源和3个数字电源管脚，为了增强电路的抗干扰能力，在模拟电源和模拟地之间加4组旁路电容，数字电源和数字地之间用3组旁路电容隔开，每组都是2个F μ001.0和1个F μ1.0的电容；管脚OEB_A 和OEB_B 用来使能通道，管脚PDWN_A 和PDWN_B 可以使通道工作在休眠模式；为了增加采样精确性，使用芯片内置的精密电压作为参考电压，当SENSE 管脚与VREF 管脚相连时，使用内部0.5V 电压为参考电压，当SENSE 接地时，使用内部1V 电压为参考电压；当数据溢出时，OTR 管脚置位。
在信号输入管脚串联一个小电阻减小了瞬态电流峰值和前端开关电容的影响，而并联一个小电容可以动态的充电电流，这样增加了电路的精确度和稳定度。采用并行接口方式与LPC2388连接，利用LPC2388提供相应时钟信号，为了增强驱动能力和便于控制，增加了74HC04反相器。
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图3-3 AD9238原理图
3.2.2 ADC驱动电路
相对于单端信号，差分信号不容易受噪声和干扰的影响，具有更好的共模抑制比和更高的信噪比，因此采用差分信号输入可以提高了A/D转换的准确性，本系统选用了AD8138作为差分信号变换器[16]。
AD8138是低失真差分ADC驱动器，模拟带宽最高可达320M，输入阻抗为Ω
6，
M
可直接与输入信号相连而不需要隔离放大器，共模输出电压可调，它具有独特的内部反馈特性，提供了均衡的输出增益和相位匹配，抑制偶次谐波。其电路原理图如图3-4所示。
第3章 数据采集系统的硬件设计
图3-4 AD8138驱动电路
采用+5V 供电，3.3V 电压经过电阻分压后接com V 端，使其输出共模电压为AD9238供电电压的
1/2，为了增加抗干扰性，在电源旁边都加了F μ1.0的滤波电容，对信号没有放大作用，考虑到信号源的内阻，AD8138一端并联了Ω9.49的电阻，另一输入端多加了Ω23电阻。
3.2.3 CS5532模数转换电路
CS5532采集模块的电路原理图如下图所示。
DGND/24
图3-5 CS5535电路原理图
需要注意的是VREF+不能高于V A+，VREF-不能低于 V A-，对于单端参考电压，