基于STM32的数据采集存储系统的设计与实现

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原 创 性 声 明
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测试计量技术及仪器
2014 年 5 月 23 日
图书分类号 UDC
TN431.2
密级
非密
硕
士
学
位
论
文
基于 STM32 的数据采集存储系统的设计与实现
赵圣飞
指导教师(姓名、职称) 申请学位级别 专业名称 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予日期 论文评阅人 答辩委员会主席 年 年 年
李永红教授 工学硕士 测试计量技术及仪器 月 月 月 日 日 日
Key words: STM32, Data acquisition, Data storage, USB Communication, Reliability
中北大学学位论文
目 录
1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 课题来源、研究目的及意义 ........................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................................ 2 1.2.2 国内研究现状 ........................................................................................................ 4 1.2.3 发展趋势 ................................................................................................................ 5 1.3 主要研究内容及章节安排 ............................................................................................... 6 2 系统设计方案及关键技术研究 ............................................................................................. 8 2.1 系统总体设计 ................................................................................................................... 8 2.1.1 系统设计技术指标 ............................................................................................... 9 2.1.2 系统主控单元及相关接口 .................................................................................... 9 2.1.3 系统总体设计概述 .............................................................................................. 10 2.2 需解决的关键技术问题 ................................................................................................. 11 2.2.1 系统采样时序控制和状态转换 .......................................................................... 11 2.2.2 系统重复上电和特殊存储要求设计 .................................................................. 12 2.2.3 多串口数据的接收与存储 .................................................................................. 14 2.2.4 USB 接口数据传输设计 ..................................................................................... 15 2.2.5 系统抗干扰性设计 .............................................................................................. 17 2.2.6 系统结构可靠性设计 .......................................................................................... 18 3 系统硬件电路设计与实现 ................................................................................................... 20 3.1 系统总体硬件组成 ......................................................................................................... 20 3.2 模拟数据采集模块设计 ................................................................................................. 20 3.2.1 信号调理电路设计 ............................................................................................. 21 3.2.2 看门狗触发电路设计 ......................................................................................... 21 3.3 数字量采集模块设计 ..................................................................................................... 22
分类号：TN431.2
单位代码：10110 学 号：s20110301
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
基 于
STM32
中 北 大 学
硕 士 学 位 论 文
的 数 据 采 集 存 储 系 统 的 设 计 与 实 现 赵 圣 飞 中 北 大 学
基于 STM32 的数据采集存储系统 的设计与实现
硕士研究生 指导教师 学科专业
赵圣飞 李永红 教授
关键词：STM32，数据采集，数据存储，USB 通信，可靠性
中北大学学位论文
Design and Realization of Data Acquisition and Storage System based on STM32 Abstract
From the initial system scheme demonstration to the development of each stage and final qualification test, for various types of aircrafts and weapon systems, there is the need for acquiring and storing a lot of data information, which including vibration during flight testing, overload, speed and other parameters, the power parameters of each system module, state parameters, control and the image position. Through a comprehensive analysis of this information, it provides a way to evaluate the correctness of the guidance strategy and the merits of the system performance, thus completing constant improvement of the system scheme. And to obtain such target, the acquisition and storage system that could record data parameters during the flight test procedure should be mounted on these aircrafts and weapon systems. On the basis of theory research for data acquisition and storage system and design principles for engineering system, and for technical specifications of a certain kind of flight measurement system, this thesis is intended for a data acquisition and storage system based on STM32, which uses Samsung K9F1G08U0C NAND Flash as the medium for storage, USB interface to realize the communication between the hardware and PC. It achieves the acquisition and storage for 16 channel analogy signals, 4 channel RS422 digital signals and 1 TTL signal. And it also accomplishes the data-reading, unpacked analysis and graphical display after the flight test. This thesis first analyzes the overall design scheme of the data acquisition and storage system, key technology and its solution. And it elaborates the design method of constituent modules for hardware in detail and outputs the circuit design and detail description from the aspect of the acquisition of analogy signal channel, digital signal conversion and receiving, power supply conversion, main control, Flash storage, trigger judgment and working mode
中北大学学位论文 selection, program debugging and downloading and USB interface communication module. Then the software design is discussed in detail, which including the timing control of system, receiving of multiple and uncertain-length serial port data, the realization of special requirements for data encoding and storage, DMA transfer, Ping-pang receiving and storage and USB communication procedure. The PC data reading and analysis software is also introduced. Finally, the analog channel signal calibration, functional testing method and actual flight test situation of the system are also illustrated. The data acquisition and storage system designed in this thesis have been promoted in a certain kind of flight measurement system. After the analysis of the relevant live shell test result, it is manifested that the system designed basically lives up to the demands of related index, which is featured with small size, low power consumption, high reliability, overload resistant and high interference resistant.
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基于 STM32 的数据采集存储系统的设计与实现
摘 要
各类飞行器、武器系统从最初的系统方案论证，到各个阶段的研制过程及最后的定 型试验，需要对飞行试验过程中的振动、过载、转速、各个系统模块的电源参数、状态 参数、控制和位置图像信息等进行采集存储，通过对这些信息进行综合分析来评测系统 采用的制导策略的正确性和系统性能的优劣性，以完成系统方案的不断设计改进。而这 些工作， 往往通过在飞行器和武器系统上安装能够采集存储飞行试验过程多种数据的采 集存储系统来完成的。 本文在数据采集存储理论研究和工程系统设计原则基础上，针对某型号飞行测量系 统的相关设计指标要求，设计了基于 STM32 微处理器平台的数据采集存储系统，其选 用三星 K9F1G08U0C NAND Flash 作为存储单元， 采用 USB 接口方式实现与 PC 上位机 之间的数据传输，实现了 16 路模拟信号采集存储、4 路 RS422 串口信号、1 路 TTL 串 口数据的接收存储及对试验过程中采集存储数据的回读、解包分析和图形化显示等功 能。 本文首先分析讨论了该数据采集存储系统的总体设计方案、关键技术及其解决方 案，详细阐述了硬件部分各组成模块的设计方法，并从模拟通道信号采集、串口数字量 转换接收、电源转换、主控单元、Flash 存储、触发判断和工作模式选择、程序调试与 下载和 USB 接口通信模块等几个方面给出了相应的电路设计和详细说明；其次，对系 统软件部分的设计进行了详细的论述，包括系统的时序控制、多串口和不定长度串口数 据的接收、对有特殊要求的数据编码存储的实现、DMA 方式传输、乒乓缓存接收存储 和 USB 通信程序设计等，对上位机数据读取与分析软件也进行了介绍；最后对该系统 模拟通道信号的标定、功能测试方法和实际飞行试验情况也作了一定的说明。 本文设计的基于 STM32 的数据采集存储系统具有体积小、功耗低、高可靠性、抗 高过载、抗干扰能力强等特点。目前，已经在某型号飞行测量系统中得以应用，通过对 相关靶场试验数据的综合分析， 表明该数据采集存储系统基本满足设计的指标和高可靠 性要求。
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