基于STM32的多路模拟量数据采集设计
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Keywords:data acquisition,STM32,ADC
1绪论
1.1研究背景及其目的意义
近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
关键词：数据采集，STM32，模数转换
The Designof Multi-channel Data Acquisition System Basedon STM32
ABSTRACT
This paper introduces the hardware design and software design of data acquisition based on STM32. The data acquisition system is an indispensable link between analog and digital domains. It plays a very important role. The focus of this article is the data acquisition system, and the focus of the hardware part of the system is the single-chip microcomputer chip. Data collection and communication control use a modular design and use STM32 MCU to realize themsleves. The hardware part is a single-chip microcomputer as the core, and it also includes a display module and the serial interface. The system is directly controlled by the program STM32 chip. Three-measured voltage uses a dedicated DMA channel data acquisition and the data transmission to get the STM32 built-in ADC analog digital conversion module, and it realizes the data acquisition through the digital conversion, and converts the data through the STM32 , GPIO to control LCD screen and display the collected results. Software part of the application of Csoftware use the data acquisition system, analog digital conversion system, data display, and data communications and other procedures to design.
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。
受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。
在现代信号处理系统中，多通道数据采集系统广泛应用于各种商用以及工业领域中，随着信号处理系统计算量的增加，一个高速稳定的信号采集系统对于后续的数字信号处理有着重要的意义。同时，这些信号之间是相互关联的，需要进行相关分析，这就需要同步采集多通道信号，并能准确无误存储。现有的多数采集系统，只能循环采集多路信号，不能实时同步采集，无法对多通道信号进行相关信息的分析，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了传统采集系统的不足。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.3该课题研究的主要内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机（如IBM PC系列）使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用.
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统框图
2.2方案论证
2.2.1A/D模数转换
ADC的开关控制，通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位可给ADC上电。当第一次设置ADON位时，它将ADC从断电状态下唤醒。ADC上电延迟一段时间后（tSTAB），再次设置ADON位时开始进行转换。通过清除ADON位可以停止转换，并将ADC置于断电模式。在这个模式中，ADC几乎不耗电（仅几个μA）。由时钟控制器提供的ADCCLK时钟和PCLK2（APB2时钟）同步。RCC控制器为ADC时钟提供一个专用的可编程预分频器。ADC通道的选择上有16个多路通道。可以把转换组织成两组：规则组和注入组。在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换。例如，可以如下顺序完成转换：通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。规则组由多达16个转换组成。规则通道和它们的转换顺序在ADC_SQRx寄存器中选择。规则组中转换的总数应写入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]位中。注入组由多达4个转换组成。注入通道和它们的转换顺序在ADC_JSQR寄存器中选择。注入组里的转换总数目应写入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]位中。如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在转换期间被更改，当前的转换被清除，一个新的启动脉冲将发送到ADC以转换新选择的组。
20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。
20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
2数据采集系Hale Waihona Puke Baidu设计
2.1数据采集系统
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。
70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。
1.2国内外研究现状
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。
在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而STM32单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制、数据传输、数据转换等一系列的任务，然后通过控制液晶屏显示。
数据采集系统不仅需要硬件设置，还需要软件的相应配置才能调试好硬件，是系统正常工作。硬件电路的调试与硬件设计和软件配置息息相关。在硬件设计时必须确保所有的元器件都设计正确后方可把元器件焊接上进行调试。软件配置和硬件调试基于Keil uVision5软件。系统硬件包括电源电路、串口电路、液晶屏显示、数据采集电路等。
毕 业 设 计
题目：基于STM32的多路模拟量数据采集系统设计
学 生：
学 号：
学 院：电气与信息工程学院
专 业：电气工程及其自动化
指导教师：
2016年6月10日
基于STM32的多路模拟量数据采集系统设计
摘 要
本文介绍了基于STM32的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机芯片。数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机STM32来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括显示模块和串行接口部分。该系统由程序直接控制STM32芯片。3路被测电压通过DMA专用通道采集，将数据传输向STM32自带的模数转换模块进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过STM32通过GPIO口控制液晶屏来显示所采集的结果。软件部分应用C语言编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。
1绪论
1.1研究背景及其目的意义
近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
关键词：数据采集，STM32，模数转换
The Designof Multi-channel Data Acquisition System Basedon STM32
ABSTRACT
This paper introduces the hardware design and software design of data acquisition based on STM32. The data acquisition system is an indispensable link between analog and digital domains. It plays a very important role. The focus of this article is the data acquisition system, and the focus of the hardware part of the system is the single-chip microcomputer chip. Data collection and communication control use a modular design and use STM32 MCU to realize themsleves. The hardware part is a single-chip microcomputer as the core, and it also includes a display module and the serial interface. The system is directly controlled by the program STM32 chip. Three-measured voltage uses a dedicated DMA channel data acquisition and the data transmission to get the STM32 built-in ADC analog digital conversion module, and it realizes the data acquisition through the digital conversion, and converts the data through the STM32 , GPIO to control LCD screen and display the collected results. Software part of the application of Csoftware use the data acquisition system, analog digital conversion system, data display, and data communications and other procedures to design.
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。
受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。
在现代信号处理系统中，多通道数据采集系统广泛应用于各种商用以及工业领域中，随着信号处理系统计算量的增加，一个高速稳定的信号采集系统对于后续的数字信号处理有着重要的意义。同时，这些信号之间是相互关联的，需要进行相关分析，这就需要同步采集多通道信号，并能准确无误存储。现有的多数采集系统，只能循环采集多路信号，不能实时同步采集，无法对多通道信号进行相关信息的分析，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了传统采集系统的不足。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.3该课题研究的主要内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机（如IBM PC系列）使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用.
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统框图
2.2方案论证
2.2.1A/D模数转换
ADC的开关控制，通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位可给ADC上电。当第一次设置ADON位时，它将ADC从断电状态下唤醒。ADC上电延迟一段时间后（tSTAB），再次设置ADON位时开始进行转换。通过清除ADON位可以停止转换，并将ADC置于断电模式。在这个模式中，ADC几乎不耗电（仅几个μA）。由时钟控制器提供的ADCCLK时钟和PCLK2（APB2时钟）同步。RCC控制器为ADC时钟提供一个专用的可编程预分频器。ADC通道的选择上有16个多路通道。可以把转换组织成两组：规则组和注入组。在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换。例如，可以如下顺序完成转换：通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。规则组由多达16个转换组成。规则通道和它们的转换顺序在ADC_SQRx寄存器中选择。规则组中转换的总数应写入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]位中。注入组由多达4个转换组成。注入通道和它们的转换顺序在ADC_JSQR寄存器中选择。注入组里的转换总数目应写入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]位中。如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在转换期间被更改，当前的转换被清除，一个新的启动脉冲将发送到ADC以转换新选择的组。
20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。
20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
2数据采集系Hale Waihona Puke Baidu设计
2.1数据采集系统
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。
70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。
1.2国内外研究现状
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。
在该系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而STM32单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制、数据传输、数据转换等一系列的任务，然后通过控制液晶屏显示。
数据采集系统不仅需要硬件设置，还需要软件的相应配置才能调试好硬件，是系统正常工作。硬件电路的调试与硬件设计和软件配置息息相关。在硬件设计时必须确保所有的元器件都设计正确后方可把元器件焊接上进行调试。软件配置和硬件调试基于Keil uVision5软件。系统硬件包括电源电路、串口电路、液晶屏显示、数据采集电路等。
毕 业 设 计
题目：基于STM32的多路模拟量数据采集系统设计
学 生：
学 号：
学 院：电气与信息工程学院
专 业：电气工程及其自动化
指导教师：
2016年6月10日
基于STM32的多路模拟量数据采集系统设计
摘 要
本文介绍了基于STM32的数据采集的硬件设计和软件设计，数据采集系统是模拟域与数字域之间必不可少的纽带，它的存在具有着非常重要的作用。本文介绍的重点是数据采集系统，而该系统硬件部分的重心在于单片机芯片。数据采集与通信控制采用了模块化的设计，数据采集与通信控制采用了单片机STM32来实现，硬件部分是以单片机为核心，还包括显示模块和串行接口部分。该系统由程序直接控制STM32芯片。3路被测电压通过DMA专用通道采集，将数据传输向STM32自带的模数转换模块进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过STM32通过GPIO口控制液晶屏来显示所采集的结果。软件部分应用C语言编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。