一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于數據采集與處理領域，尤其涉及一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，該系統采用結構化、模塊化的方案進行系統的軟硬件設計，開發了一個集多路數據采集與處理、實時顯示和USB通信于一體的便攜式數據采集系統。
【背景技術】
[0002]數據采集技術是信息科學的一個重要分支，它研究信息數據的采集、存貯、處理以及控制等作業。在智能儀器、信號處理以及工業自動控制等領域，都存在著數據的測量與控制問題。將外部世界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等模擬量轉換為數字信號，收集到計算機并進一步予以處理、顯示、傳輸與記錄這一過程，即稱為“數據采集”。數據采集技術在雷達、通信、水聲、遙感、地質勘探、震動工程、無損檢測、語聲處理、智能儀器、工業自動控制以及生物醫學工程等領域有著廣泛的應用。數據采集技術隨著科學技術的發展出現了新的趨勢。隨著新材料技術的發展，不斷有新型的傳感器出現，使得傳感器向著集成化、智能化方向發展。數據采集系統的一個瓶頸就是數據的通信。但是隨著總線技術局發展，這一問題也得到很大程度的緩解。常見的通信方式有VXI總線，PXI總線，串行總線，USB，ISA總線，PCI總線等等。
[0003]目前常用的數據采集方式是A/D卡和422、485等總線板卡，這類方式的數據采集過程必須依賴PC機完成，不便野外應用，而且數據的采集和分析顯示往往不能在采集板卡上實現，因此開發能夠實現脫離PC機集數據采集、處理、顯示于一體的數據采集系統具有重要實際意義。在工業應用中，數據采集系統主要是基于X86和MCU架構的硬件方案。X86是復雜指令結構的CPU，基于X86通用處理器的工業控制計算機系統在功耗和成本上都較難控制，特別是在高端的數據采集領域受到了很大的限制。基于單片機的數據采集系統的主要缺點是處理速度慢、系統資源有限、實時性能較差。
【實用新型內容】
[0004]針對上述現有技術存在的缺陷和不足，本實用新型的目的在于，提供一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，該系統采用結構化、模塊化的方案進行系統的軟硬件設計，開發了一個集多路數據采集與處理、實時顯示和USB通信于一體的便攜式數據采集系統。
[0005]為了實現上述任務，本實用新型采用如下的技術解決方案:
[0006]一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，其特征在于，包括嵌入式微處理器、上位機、USB設備接口、DBGU接口、電源與復位電路、時鐘電路、LCD接口、按鍵處理電路、A/D電路、NAND Flash接口、SDRAM接口和JTAG接口組成；所述的嵌入式微處理器選擇Atmel公司的ARM7微控制器AT91SAM7SE256，該嵌入式微處理器作為系統核心器件與上述電路相互相連，通過USB設備接口和DB⑶接口與上位機進行通訊。
[0007]在該基于ARM的便攜式數據采集與處理系統中，所述電源與復位電路包括數字電源模塊、模擬電源模塊和復位電源模塊，所述的數字電源模塊由凌特公司LT4080型芯片組成，將充電鋰離子電池輸出的4.2V電壓轉換成3.3V供CPU、時鐘芯片、NAND Flash、SDRAM和DBGU接口芯片等使用；所述的模擬電源模塊由XC6351A型電荷泵電壓反轉器組成，為A/D電路的供電需要模擬電源，將數字電源3.3V通過10uH電感作為電荷泵電壓反相器芯片XC6351A120的輸入；所述的復位電源模塊使用AT91SAM7SE256型復位控制器，能處理系統的所有復位而不需要任何外圍器件并給出最近發生的一次復位情況。
[0008]在該基于ARM的便攜式數據采集與處理系統中，所述時鐘電路由兩路時鐘輸入組成，分別為處理器工作時鐘和芯片FM3116時鐘，其中處理器工作時鐘為18.432M的無源晶體；所述的按鍵處理電路利用并行輸入/輸出控制器(P1)Jf I/O 口配置為通用功能I/O線，來實現按鍵處理電路。
[0009]本實用新型的有益效果是:
[0010]基于AT91SAM7SE256的便攜式數據采集與處理系統，能夠實時顯示關鍵參數，同時可以USB大容量存儲設備的方式來存儲、讀取原始采集數據。系統的硬件電路設計包括5路模擬量輸入通道、電池充電電路、USB大容量存儲設備電路、DB⑶串口調試接口、NANDFlash數據存儲電路、SDRAM接口、IXD液晶顯示等。
[0011]本系統與一般的數據采集系統相比具有3大特點:可以實現數據采集、數據處理和實時顯示于一體；支持鋰離子電池和外接電源供電；本系統可以作為大容量存儲設備，將采集的原始數據通過USB接口導入計算機。
[0012]本實用新型提出的基于ARM的嵌入式數據采集與處理系統結構清晰、通用性好、可擴展性強，可為各種嵌入式應用提供一套完整的軟、硬件解決方案，在工業測量與控制領域具有較為廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0013]以下結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的解釋說明。
[0014]圖1是該系統硬件電路功能圖；
[0015]圖2是該系統鋰離子電池充電及數字電源電路；
[0016]圖3是該系統模擬電源電路；
[0017]圖4是該系統輸入信號調理電路；
[0018]圖5是該系統主程序流程框圖。
【具體實施方式】
[0019]圖1是該系統硬件電路功能圖，系統包括AT91SAM7SE256、電源與復位電路、時鐘電路、32M的SDRAM同步動態隨機存儲器、IG的NAND Flash數據存儲器構成的一個ARM最小系統和一些基本外設和接口，包括JTAG接口、DB⑶接口、USB設備接口、IXD接口、按鍵處理電路和AD電路，能夠實時顯示關鍵參數，同時可以USB大容量存儲設備的方式來存儲、讀取原始采集數據。
[0020]圖2是該系統鋰離子電池充電及數字電源電路，電路板上有三個電源狀態指示燈:充電指示燈、欠電指示燈和3.3V指示燈。在正常情況下，只有3.3V指示燈亮來表明鋰離子電池電量充足；當在給鋰離子電池充電時，LTC4080的電源為PC機提供的USB電壓+5V，LTC4080的充電指示器引腳CHRG下拉，充電指示燈被點亮，當鋰離子電池電量充滿引腳BAT充電電流減小到全充電電流的10%時，CHRG變成高阻態，充電指示燈被熄滅；電壓監控芯片XC61CN3502M通過控制欠電指示燈亮滅狀態來表明鋰離子電池電量狀態。
[0021]圖3是該系統模擬電源電路，A/D電路的供電需要模擬電源，數字電源3.3V通過10uH電感作為電荷泵電壓反相器芯片XC6351A120的輸入，XC6351A是一系列電荷泵電壓反轉器，內置4個開關M0SFET，外圍只需要3個陶瓷電容，就可組成一個正電壓輸入，負電壓輸出的高效率、低功耗電壓反轉器電路。
[0022]圖4是該系統輸入信號調理電路，由于各通道或各參數送入測量放大器的信號大小并不相同，但都要放大至ADC輸入要求的標準電壓，因此各個通道要求測量放大器的增益就每個通道的數據采集而言可實現自動控制增益或量程自動切換，因此這里采用了程控增益放大器LTC6915，LTC6915是一款具有數字可編程增益的零漂移、精準儀表放大器，可通過一個并行或串行接口將增益設置為0、1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048或4096。在采用單5V電源以及任何設定增益的條件下，共模抑制比(CMRR)通常為125dB，電壓失調低于10uV，且溫度漂移小于50nV/0C，LTC6915采用充電平衡采樣數據技術將一個差分輸入電壓轉換成一個單端信號，隨后再由一個零漂移運算放大器對該單端信號進行放大，LTC6915既可在低至2.7V的單電源應用中使用，也可在采用雙±5V電源時使用。
[0023]圖5是該系統主程序流程框圖，軟件設計主要包括IXD顯示程序、按鍵設置程序、A/D數據采集程序、數據處理及FFT程序、NAND Flash的FAT16管理程序和基于NAND Flash的USB大容量存儲設備驅動程序。軟件的編程均是基于Windows下的集成開發環境IAR，同時借助于J-Link仿真器實現程序燒寫和在線仿真，借助于DBGU調試接口與PC機實現RS-232調試通信，PC機通過終端仿真程序SecureCRT來實時顯示調試信息。
[0024]除了上述以外本實用新型所屬技術領域的普通技術人員也都能理解到，在此說明和圖示的具體實施例都可以進一步變動結合。雖然本實用新型是就其較佳實施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術的人都可理解到，在所述權利要求書中所限定的本實用新型的精神和范圍內，還可對本實用新型作出種種改動和變動。
【主權項】
1.一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，其特征在于，包括嵌入式微處理器、上位機、USB設備接口、DBGU接口、電源與復位電路、時鐘電路、LCD接口、按鍵處理電路、A/D電路、NAND Flash接口、SDRAM接口和JTAG接口組成；所述的嵌入式微處理器選擇Atmel公司的ARM7微控制器AT91SAM7SE256，該嵌入式微處理器作為系統核心器件與上述電路相互相連，通過USB設備接口和DB⑶接口與上位機進行通訊。
2.如權利要求1所述的一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，其特征在于，所述電源與復位電路包括數字電源模塊、模擬電源模塊和復位電源模塊，所述的數字電源模塊由凌特公司LT4080型芯片組成，將充電鋰離子電池輸出的4.2V電壓轉換成3.3V供CPU、時鐘芯片、NAND Flash、SDRAM和DB⑶接口芯片等使用；所述的模擬電源模塊由XC6351A型電荷泵電壓反轉器組成，為A/D電路的供電需要模擬電源，將數字電源3.3V通過10uH電感作為電荷泵電壓反相器芯片XC6351A120的輸入；所述的復位電源模塊使用AT91SAM7SE256型復位控制器，能處理系統的所有復位而不需要任何外圍器件并給出最近發生的一次復位情況。
3.如權利要求1所述的一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，其特征在于，所述時鐘電路由兩路時鐘輸入組成，分別為處理器工作時鐘和芯片FM3116時鐘，其中處理器工作時鐘為18.432M的無源晶體。
4.如權利要求1所述的一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，其特征在于，所述的按鍵處理電路利用并行輸入/輸出控制器(P1)，將I/O 口配置為通用功能I/O線，來實現按鍵處理電路。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于微處理器的嵌入式數據采集與處理系統，該系統采用結構化、模塊化的方案進行系統的軟硬件設計，是一個集多路數據采集與處理、實時顯示和USB通信于一體的便攜式數據采集系統。整個系統設計以ARM7嵌入式微處理器AT91SAM7SE256為核心，包括5路模擬量輸入通道、鋰離子電池充電電路、SDRAM、NAND Flash存儲器電路、SPI通信方式的LCD接口等電路。本實用新型提出數據采集與處理系統結構清晰、通用性好、可擴展性強，在工業測量與控制領域具有較為廣闊的應用前景。
【IPC分類】G05B19-418
【公開號】CN204347589
【申請號】CN201520024383
【發明人】鄧柳于勤, 高飛, 管建娜, 黃睿, 黃軒
【申請人】鄧柳于勤
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月14日