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基于ARM Cortex-M3的数据采集系统的研究与实现于鹏【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(35)10【摘要】With the rapid development of the information industry, such as the computer and Internet, the data acquisition system has got more attention and application. Based on the horizontal project of laboratory of the data acquisition system of a research institute, this article elabora-ted the hardware and software design of the data acquisition system, and achieved a set of data acquisition system based on ARM Cortex-M3. Firstly this paper gave a brief introduction of system selection and development platform, then elaborated the design of the hardware circuit and software program, and finally explained the method of integrated debugging and the key issues encountered and their solutions.%随着计算机和互联网等信息行业的快速发展，数据采集系统越来越得到人们的重视和应用。
以某研究院数据采集系统的研究室横向项目为基础，阐述了数据采集系统的软硬件设计，并实现了一套基于ARM Cortex-M3的数据采集系统。
基于ARM的数据采集系统的设计数据采集系统是一种用于收集、处理和存储数据的技术解决方案。
在当今信息化社会中，数据采集系统的设计和应用变得越来越重要。
本文将介绍基于ARM架构的数据采集系统的设计原理和关键技术。
第一部分：引言数据采集系统在工业自动化、物联网和传感器网络等领域广泛应用。
它可以收集各种环境参数、物理量等数据，为决策和分析提供基础。
本文将以ARM架构为基础，设计一种高效可靠的数据采集系统。
第二部分：ARM架构概述ARM架构是一种低功耗、高性能的处理器架构，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
其特点是低功耗、高效能和可扩展性，非常适合用于数据采集系统的设计。
第三部分：数据采集系统设计原理3.1 系统架构设计基于ARM架构的数据采集系统的设计需要考虑到硬件和软件的结合。
硬件方面，需要选择适合的传感器和通信模块，并设计合理的电路板布局。
软件方面，需要开发适合ARM架构的驱动程序和数据处理算法。
3.2 传感器接口设计数据采集系统需要与各种传感器进行连接，获取各种环境参数和物理量的数据。
通过ARM的通用IO口和模拟输入功能，可以与各种传感器接口匹配，实现数据的准确采集。
3.3 数据存储与处理设计采集到的数据需要进行存储和处理，以便后续的分析和应用。
基于ARM架构的数据采集系统可以利用内置的存储器和外部存储器进行数据的存储，并通过ARM的高性能处理器进行数据的实时处理和分析。
第四部分：关键技术介绍4.1 低功耗设计技术ARM架构的数据采集系统需要考虑低功耗设计，以提高系统的工作时间和稳定性。
通过适当的电源管理和功耗优化技术，可以降低系统的功耗，延长系统的使用寿命。
4.2 实时性要求技术某些数据采集应用对实时性要求较高，需要将采集到的数据及时传输和处理。
在基于ARM架构的数据采集系统中，可以通过优化系统的中断响应和任务调度来实现实时性的要求。
第五部分：实例分析以某工业自动化场景中的数据采集系统设计为例，介绍基于ARM 架构的具体实现。
基于ARM Cortex－M3和Internet 的实时数据采集系统设计刘亮王击杨泽（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410083）Design of Real－time Data Acquisition System Based on ARM Cortex－M3and Internet本文设计一种基于ARM Cortex－M3和Internet 的实时数据采集系统，介绍了整个系统构架，描述了系统硬件设计方案，分析了系统软件设计流程，并给出系统的相关参数和上位机测试界面。
整个系统占用资源少，操作方便，运行稳定，能够实现网络数据传送，是新一代物联网应用。
1系统架构系统设计选用基于ARM Cortex－M3内核的STM32F107－VCT6作为主控制芯片，网路接口物理层采用DM9161A 实现，配置STM32F107VCT6内置的温度传感器和ADC 通道，并在程序中嵌入LwIP 协议栈，可将系统所在区域的温度和电压数据通过Internet 实时发送至远程监测设备。
1．1ARM Cortex－M3内核芯片架构ARM Cortex－M3为32位处理器。
采用了最新的设计技术，门数更低，性能却更强。
Cortex－M3处理器内核是单片机的中央处理单元（CPU ）。
完整基于Cortex－M3的MCU 还需要其它组件。
芯片制造商得到Cortex－M3处理器内核的使用授权后，把Cortex－M3内核用在芯片设计中，添加存储器、外设、I ／O 以及其它功能块。
不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。
芯片架构如图2所示。
图1基于Cortex－M3内核的芯片架构1．2LwIP 协议栈LwIP 是TCP ／IP 协议栈的一种实现。
LwIP 协议栈的主要目的是减少微处理器内存利用量和代码尺寸，使LwIP 适合应用于小的、资源有限的微处理器，如嵌入式系统。
为了减少微处理器和存储器要求，LwIP 可以通过不需任何数据复制的API 函数进行剪裁。
基于Cortex—M3电厂多通道数据采集系统的设计作者：蔺韬来源：《数字技术与应用》2018年第09期摘要：火电厂燃煤锅炉在运行过程中，准确监测一次风管道中的煤粉速度对锅炉燃烧的稳定性、安全性和经济性十分重要。
基于Cortex-M3为核心的ARM处理器，设计了一套对电厂一次风管道煤粉速度在线监测装置。
通过8通道同步数据采集系统实现对煤粉速度信号的采集，经以太网将采集到的数据上传至上位机，并利用基于FFT的互相关算法对其进行计算分析。
经在吉林热电厂的实际安装监测表明该设备具有很强的实用性，满足电厂的要求，同时该装置具有成本低，安装便捷等特点。
关键词：微波法；Cortex-M3；煤粉速度；在线监测中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0152-04随着工业技术的飞速发展以及当前严峻的环境问题，燃煤发电厂不得不对当前的煤粉监测设备进行升级改造，从而达到一次风管道中的煤粉在锅炉中能够充分燃烧[1]。
目前电厂采用的煤粉速度测量方法有很多种，如静电法[2]、超声波法[3]、光学法[4]、微波法[5]等，其中一些方法得到了较多的应用。
但由于众多的方法仍然采用独立的采集通道或者是FIFO实现对煤粉速度信号的同步采集[6]，导致了整个测量系统对AD芯片的需求量增加，成本代价比较高，同时由于采集的通道较多，FIFO调整输入比较困难。
本文设计的电厂多通道数据采集系统可以利用AD7606芯片实现对电厂数据多路同步采集，只需将该芯片与控制器连接并配置相应的通讯程序，便能够实现对电厂多个一次风管道的煤粉速度信号进行采集。
1 系统测量原理在实际工程中，由于4条管道中煤粉速度的测量原理相同，这里只提供一组系统测量原理图。
如图1所示，在电厂一次风管道上，按照一定的距离L安装两个传感器探头，数据采集系统需要同步采集两路信号，把采集的两路信号放入一个数组中，分别记为X（t）、Y（t）。
基于ARM Cortex-M3的多路数据采集系统的设计摘要：数据采集是获取信号对象信息的过程。
本文设计了一个基于ARM Cortex-M3处理器的数据采集系统，利用内置的丰富的外设资源，实现多路模拟输入电压信号的连续采集和顺序转换，通过RS232串行通信将转换结果在PC 接收端显示，并产生PWM方波信号，实现对现场电压信号的实时监测。
关键词：数据采集系统；嵌入式系统：Cortex-M3微处理器0 引言数据采集系统是将采集传感器输出的温度、压力、流量、位移等模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，进行相应的计算存储和处理；同时，可将计算所得的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测和控制。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器。
目前，采用ARM技术的微处理器占据了主流，其应用遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。
而 ARM微处理器的Cortex系列专为安全要求较高的应用而设计。
其中，Cortex-M3适于高性能、低成本需求的嵌入式应用。
1 多路数据采集系统总体设计1．1 系统设计要求本数据采集系统的设计要求实现150路直流电压的实时采集和顺序转换。
经过部分采集处理后，由串行数据总线将转换数据发送至上位机界面，经过换算，以检测采集的电源正常与否；同时在输出端产生5路PWM方波信号，以用作输出测试与控制。
1．2 系统设计方案根据上述设计要求和数据采集系统的设计规范，将系统划分为两个部分：最小系统和采集系统。
最小系统采用基于ARM Cortex-M3架构的微控制器STM32F103RBT6为主控CPU，利用其内置16通道ADC对输入的多路直流电压信号进行实时采集和转换，内置外设USART将转换结果经过串口发送在PC端由串口调试助手显示。
采集系统采用5块采集板，每块板实现30路电压信号采集。
Cortex—M3的生态物联网数据采集分站设计李骏慧;陶华;俞哲伟;宋军【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2011(011)010【摘要】The IOT（Internet of things）data acquisition substation for forestry ecology monitor is proposed, which employs the Cortex- M3 processor as the CPU. Digital temperature humidity sensor, smoke sensor, C（）2 sensor and digital luminance sensor are employed to acquire the environment information which is related with forestry ecology. Then the sensors data are collected by LM3S811 and ID of substation is added to data packet. Further more, LM3SSll transmits the data packet to servers using RF module.%以Cortex—M3处理器LM3S811为核心，设计了面向森林生态监测的物联网数据采集终端分站系统。
通过单总线数字式温湿度传感器、烟雾传感器、CO2传感器和环境光亮度传感器分别采集温度、湿度、可燃性颗粒物、CO2含量和光照等与林木生态相关的环境信息和林场防火的相关信息。
由LM3S81l处理器处理并添加分站ID和校验码后，采用无线模块传送给服务器。
【总页数】4页(P40-42,45)【作者】李骏慧;陶华;俞哲伟;宋军【作者单位】南京林业大学信息学院,南京210037;南京林业大学信息学院,南京210037;南京林业大学信息学院,南京210037;南京林业大学信息学院,南京210037【正文语种】中文【中图分类】TN92;TP216【相关文献】1.基于Cortex-M3的矿用便携高速红外数据采集器设计 [J], 王希林;王晓荣;陆志峰;张磊;陈燕2.基于Cortex-M3处理器的红外脉搏数据采集系统的设计 [J], 赵祥;周建斌;周靖;郝宽;喻杰3.基于Cortex-M3处理器的数据采集系统的设计 [J], 刘华;汤彬;王仁波;马松4.基于Cortex-M3电厂多通道数据采集系统的设计 [J], 蔺韬5.基于Cortex-M3电厂多通道数据采集系统的设计 [J], 蔺韬[1]因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于Cortex－M3的电能表数据采集终端的设计
刘诗笺
【期刊名称】《福建电脑》
【年(卷),期】2012(028)011
【摘要】本文介绍了一种简单易行的电能表数据采集终端的设计方案，重点介绍了系统的硬件组成以及各部分功能。
【总页数】2页(P124-125)
【作者】刘诗笺
【作者单位】闽江学院计算机系,福建福州350108
【正文语种】中文
【中图分类】TP274.2
【相关文献】
1.基于ARM Cortex-M3的智能数据采集终端的设计 [J], 王建辉;李正民;刘伟伟
2.基于多传感器的数据采集终端设计 [J], 韩金霞;孙方霞
3.基于ZigBee技术的数据采集终端设计 [J], 陈光
4.基于ZigBee技术的数据采集终端设计 [J], 陈光
5.基于开源OpenPLC的数据采集终端的系统设计 [J], 张帆;贾泽峰;徐飞飞;胡海洋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
核发出中断请求信号，包含最多240个中断请求，以及1个不可屏蔽中断。
NVIC是与CPU紧密耦合的，它还包含了若干个系统控制寄存器。
2.2.3 总线系统总线系统用于将Cortex-M3内部的各个功能部件连接在一起。
总线系统包括：①内部总线系统；②处理器核内部的数据通道；③AHB Lite接口单元。
2.2.4 调试子系统作为Cortex-M3处理器重要的一部分，调试子系统提供下面的功能。
①管理调试控制、程序断点、以及数据监控点。
②当产生调试事件时，它将处理器核设置为停止状态。
此时，可以在该点分析处理器的状态，如寄存器值和标志。
2.3 异常处理与中断向量表设计Cortex-M3在内核水平上搭载了一个异常响应系统，支持为数众多的系统异常和外部中断。
向量中断控制器（NVIC）以存储器映射的方式来访问，除了包含控制寄存器和中断处理的控制逻辑之外，NVIC还包含了MPU的控制寄存器、SysTick定时器以及调试控制。
2.4 地址译码器和多路复用器设计本系统基于AHB-Lite所构建的Cortex-M3 SoC系统设计包含了地址译码器和多路复用器。
在系统中，来自不同从设备的响应信号，包括：HRDATA、HREADY和HRESP连接到多路复用器的输入，根据地址译码器所生成的选择信号，多路复用器将选择的从设备响应信号送给主设备。
其中HRDATA[31:0]是来自多路复用器到主设备的读数据，由多路复用器指向主设备；HREADY是来自多路复用器到主设备的准备信号，由多路复用器指向主设备和从设备，当该位为高时，该信号表示到主设备和先前完成传输的所用从设备。
2.5 APB子系统该APB子系统的顶层是AHB-Lite总线接口，可以与内核的AHB总线进行连接。
子系统内部包括的外设有定时器、UART、双输入定时器、看门狗电路、AHB到APB的桥接器、异步中断信号等。
表2为APB系统IRQ分配表。
表2 APB系统IRQ分配IRQ Device0UART 0 receive interrupt1UART 0 transmit interrupt2UART 1 receive interrupt3UART 1 transmit interrupt4UART2 receive interrupt5UART 2 transmit interrupt8Timer 09Timer 110Dual-input timer11Not used12UART 0 overflow interrupt13UART1 overflow interrupt14UART 2 overflow interrupt15Not used in APB subway16-31Not used in APB subway a: Reserved for GPIO in AHBb: Reserved for DMA2.6 时钟和复位电路设计本系统片上SoC系统主要包含HCLK、PCLK、PCLKG等三个时钟，HCLK时钟主要用于内核的工作时钟以及驱动片内高性能总线上挂载的外设。
计算机与现代化2011年第9期JISUANJI YU XIANDAIHUA总第193期文章编号：1006-2475（2011）09-0061-04收稿日期：2011-04-11作者简介：王建辉（1985-），男，河南淮阳人，郑州大学信息工程学院硕士研究生，研究方向：计算机系统结构嵌入式；李正民（1953-），男，河南郑州人，副教授，硕士生导师，研究方向：计算机系统结构嵌入式；刘伟伟（1987-），男，河南柘城人，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术。
基于ARM Cortex-M3的智能数据采集终端的设计王建辉，李正民，刘伟伟（郑州大学信息工程学院，河南郑州450001）摘要：设计并实现一个基于ARM Cortex-M3内核处理器的电力智能数据采集终端，并对该智能数据采集终端的软件和硬件部分进行详细的介绍。
数据终端设计选用IAR EWARM 作为系统的开发平台，既缩短了开发周期，又提高了系统的稳定性。
测试结果表明该系统功耗小，性价比高，功能易于扩展，便于推广使用。
关键词：ARM ；Cortex-M3；数据采集终端；IAR EWARM 中图分类号：TP393文献标识码：Adoi ：10．3969/j．issn．1006-2475．2011．09．018Design of Intelligent Data Acquisition Terminal Based on ARM Cortex-M3WANG Jian-hui ，LI Zheng-min ，LIU Wei-wei（College of Information Engineering ，Zhengzhou University ，Zhengzhou 450001，China ）Abstract ：This paper designs and implements a power intelligent data acquisition terminal based on ARM Cortex-M3processor core．The software and hardware parts of the intelligent terminal are introduced in detail．This terminal chooses the IAR EWARM as the system development platform．It can shorten the development cycle ，and also improve the system stability．Test shows that the system is lower-power ，cost-effective ，easy to expand functions as well as easy to promote use．Key words ：ARM ；Cortex-M3；data acquisition terminal ；IAR EWARM0引言目前，国内自动抄表系统种类较多，但因受以往技术的局限，存在许多不足，比如芯片的硬件功能简单，需要在外围扩展很多器件；芯片的处理性能较低，不能满足抄表系统的实时性要求［1］；软件设计复杂，缺乏底层的操作系统支持，易出错且难以进行升级。
随着先进的嵌入式操作系统及嵌入式处理器技术迅猛发展［2-4］，这些问题得到了很好的解决。
本文选用先进的嵌入式开发平台IAR ，它提供了集成实时性强的μC /OS-II 操作系统的ARM 平台，设计基于ARM Cortex-M3处理器的电力智能数据采集终端［5-7］，能够满足抄表系统的实时性要求，便于系统的软硬件升级，又提高了系统的性能和扩展性，同时严格地控制了系统的成本。
1系统硬件设计本智能数据采集终端的硬件结构运用模块化的设计方法［8-9］，主要分成核心处理器、RS485通信模块、片外存储模块，LED 显示模块、JTAG 接口模块等几个部分，如图1所示。
既满足了当下采集终端实时性和可靠性的需求，同时又能使系统实现很高的性价比。
图1系统硬件设计框架图（1）CPU 核心处理模块。
智能数据采集终端的硬件结构中微处理器采用的是NXP 公司的LPC1768，基于ARM Cortex-M3内62计算机与现代化2011年第9期核的NXP-LPC1758微控制器以实现出色的性能和能效为设计目标［10-12］，同时保留开放工业标准的ARM 架构和开发环境的优点，时钟频率高达100MHz，提供了多达512kB嵌入式闪存、64kB的数据存储器和丰富的外设接口。
LPC1758提供有一个存储器保护单元（MPU），能够提高嵌入式操作系统保护用户代码中临界区的可靠性。
在性能方面，LPC1768嵌入式微处理器能够提供强大的计算和控制能力，同时仅消耗很低的能量，具有高集成度、低功耗、应用性和低成本优势，使用新内核的Thumb-2指令集，设计人员可以把代码容量降低45%，几乎把应用软件所需内存容量降低了一半。
（2）RS485通信模块。
本系统中需要多个串口进行上、下行通信，而LPC1758芯片具有4个UART串行口，能满足系统需求。
RS-485总线采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器驱动总线，可以联接32块RS485电能表，其最大传输速率为10Mbps，在此速率下电缆允许长度为120米，克服了RS-232数据传输速度慢、通讯距离短、接口间及各信号间易产生工模干扰等缺点。
因此，本文选择RS-485接口和RS485电能表进行通信。
（3）片外存储模块。
片外存储模块由FLASH和SDRAM构成，FLASH 采用的是一片1Mˑ16bit的SST39VF160，而SDRAM采用的是2片4Banksˑ1Mˑ16bit的HY57V641620HG。
为了构成32位数据线模式，将2片SDRAM组合，终端的片外存储模块大小可根据需要进行扩展。
（4）LED显示模块。
该智能采集终端在正常工作时，需要提供一个工作状态类型的指示，除了满足系统调试和维护用，还要提供系统在正常工作状态下的信号指示，因此终端采用了4个LED信号灯，分别为电源、告警、上行通信和下行通信，用于上电状态指示、告警指示、上行通信状态指示、下行通信状态指示。
（5）JTAG接口。
为了配合J-Link仿真器的使用，该终端电路板上设计了一个能够配合ARM处理器的JTAG调试接口，通过J-Link仿真器和目标板连接把调试好的程序烧写到终端的存储器中，为系统的实时在线仿真调试提供接口，同时为系统的现场升级提供便利。
2软件设计2．1系统开发模式在传统的嵌入式系统应用中，设计人员通常采用前、后台系统设计的方法。
后台系统是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成相应的功能；前台系统也就是中断服务程序，用来处理异步事件。
同时，由于使用的CPU资源较少，任务比较简单，往往采用汇编语言编写程序，这种应用程序的开发效率和可移植性都比较差，编程方法也都是面向过程的。
鉴于该智能数据采集终端要具有实时性、安全性、可靠性和扩展性等特点，系统的开发需要一个合理的结构。
目前嵌入式实时操作系统RTOS，为嵌入式系统的软件开发提供了一个高效和便利的平台，很好地满足了嵌入式系统要求的实时性需要。
在RTOS下的程序设计具有模块化的特点，在操作系统支持的情况下，添加功能非常方便，和前期设计关联较小，大大方便了后续的开发，也方便了后期的维护。
RTOS为用户提供了尽可能多的系统考虑，用户可以把主要的精力用于自己功能的实现上，而不必为系统如何协调而烦恼，而且采用RTOS有利于提高系统的可靠性。
RTOS内核非常多，本系统选择实时性非常强的μC/OS-II为系统开发的底层操作系统，它的内核是实时可剥夺型的，这就意味着在任务执行过程中或中断服务子程序中，一旦有一个新的更高优先级的任务就绪，内核就将立刻调度新任务，这说明任务的响应时间是即刻的、确定的。
因此，基于μC/OS-II操作系统的应用程序开发过程相对于以往传统的应用程序开发过程大为简化［12］，而且任务级的响应时间也得到最优化，完全可以满足系统开发的需要。
2．2系统开发平台本系统选择IAR Systems公司为ARM微处理器开发的一个集成开发环境IAR Embedded Workbench for ARM（下面简称IAR EWARM），IAR Embedded Workbench IDE系列是一种增强型一体化嵌入式集成开发环境，可以生成节省空间并且稳定可靠的可执行代码，其中完全集成了开发嵌入式系统所需要的文本编辑、项目管理、编译、链接和测试工具。
IAR公司独具特色的C-SPY，不仅可以在系统的开发2011年第9期王建辉等：基于ARM Cortex-M3的智能数据采集终端的设计63初期进行无目标硬件环境的纯软件仿真，也可以结合IAR公司推出的J-Link硬件仿真器，实现用户系统的实时在线仿真测试。
本文就是借助J-Link硬件仿真器把调试编译好的可执行文件烧录到目标平台。
IAR EWARM集成有针对ARM Cortex-M3处理器移植好的μC/OS-II操作系统，省去了操作系统对处理器的移植和测试，这样既加快了系统的快速开发，又确保系统开发的稳定性和可靠性。
嵌入式操作系统μC/OS-II是一个结构小巧、开放源码、抢占式的多任务的微内核RTOS［14］。
μC/ OS-II可以管理多达64个任务，具有信号量、互斥信号量、事件标志组、消息邮箱、消息队列、任务管理、时间管理和内存管理等系统功能。
至今，从8位到64位，μC/OS-II已经在多种架构的微处理器上运行，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等优点，其性能和实时性可以与商业产品媲美。
2．3系统软件功能的实现该智能采集终端软件部分主要实现包括电能量数据的实时采集、数据处理、通信规约的自动识别、串口通信波特率的自动适应、本地维护等功能。
传统的采集终端系统的开发，由于缺乏底层的操作系统的支持，软件设计复杂，任务的调度都需要程序开发者考虑，不仅容易出错，而且升级困难。
本文充分利用μC/OS-II操作系统提供的任务调度和管理的实时性特性，根据μC/OS-II的要求，软件功能的实现由中断服务子程序和各个单独的任务模块组成。
任务模块完成采集终端的数据采集功能，中断服务子程序主要是在终端收到上、下行命令后触发中断，完成数据传输过程中的数据处理、通信规约的识别、通信波特率的自适应等功能，使该终端更加智能化，同时便于系统的维护和升级。
该智能采集终端充分利用RS-485通信速度快、节点多等特点，尽量使其功能更加具体和精简。
为了让系统更好地进行串口通信，需要为ARM Cortex-M3的UART口编写驱动程序，对串口通信过程中的相关参数进行初始化，这样才能很好地进行通信。
