基于LPC2378的高精度数据采集系统设计.docx

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基于LPC2378的高精度数据采集系统设计

基于LPC2378的高精度数据采集系统设计

摘要

数据采集系统用于从一个或多个源采集模拟信号并将信号转换成可供终端设备,如数字计算机,通信网络分析和传输的数字形式。

输入到数据采集系统中的模拟信号往往是由传感器和变送器将实际参数,比如压力,温度,流量等转化成相应的电信号。

这些相应的电信号通常被数据采集系统转化,然后被终端设备以数字量形式利用.系统保障信号的准确和完整性的能力是衡量这个系统质量的标准。

在用工控机进行数据测量和控制时,必须将信号输入到工控机里和将工控机里数据输出去。

数据采集卡功能强大,可以实现多种信号的输入和输出。

以LPC2378微型处理器为核心的数据采集和处理系统,提供极其灵活的面向对象的动态图形功能以及丰富的图形库.在"数据采集系统"中得到广泛应用。

依托LPC2378为核心处理器在嵌入式应用领域内的成熟技术，设计新一代的基于lpc2378的多参数数据采集仪，可提升自动化监测系统的技术水平。

通过对数据采集系统的分析,以ADS1.2开发工具设计出工控机数据采集系统；同时,对数据采集系统的原理,实现,意义作了主要介绍,总结了数据采集系统的特点以及数据采集系统在ADS1.2下的实现。

并以其在1个典型自动气象站中的应用为实例，着重说明外接传感器的接口电路、低功耗、大容量固态存储等的设计，并阐明数据采集仪嵌入式系统软件设计的过程。

通过试验结果表明，该系统效果良好，有极大的应用潜力。

[关键词]：

LPC2378,数据采集系统，大容量储存，低耗能。

BasedonLPC2378highaccuracyofthedataacquisitionsystemdesign

Abstract：

DataacquisitionsystemusedforfromoneorDuoGesourcecolle

ctionanalogsignalsandwillsignalconversiontoavailableforterminalequipm

ent,suchasdigitalcomputer,communicationnetworkanalysisandtransmissio

nofthedigitalform.Inputtothedataacquisitionsystemoftheanalogsignalisoftenthesensorandthetransmitterwilltheactualparameters,suchaspressure,temperature,flowrateandturnintothecorrespondingelectricsignals.Thecorrespondingsignalisusuallydataacquisitionsystemtransformation,andbepreparedtoaterminaldigitalquantityofsystemsecuritysignalform.Theaccuracyandcompletenessoftheabilitytomeasurethequalityofthesystemisthestandard.

Withindustrialcomputerindatameasurementandcontrol,mustthesignalisinputtotheindustrialcomputerinindustrialoutputdataandwillgoto.Thedataacquisitioncardpowerful,canrealizeDuoZhongsignalinputandoutput.ToLPC2378microprocessorasthecoreofthedataacquisitionandprocessingsystem,andprovideextremelyflexibleobjectorienteddynamicgraphicsfunctionsandtherichgraphicslibrary.In"dataacquisitionsystem"hasbeenwidelyused.

RelyingonLPC2378asthecoreprocessorinembeddedapplicationsinthematuretechnology,designofanewgenerationofLPC2378basedontheparameterdataacquisitioninstrument,canpromoteautomaticmonitoringsystemleveloftechnology.Throughtotheanalysisofthedataacquisitionsystem,inordertoADS1.2developmenttooltodesigntheindustrialdatacollectionsystem;Atthesametime,theprincipleofdataacquisitionsystem,realizethemeaning,mainlyintroduced,summarizesthecharacteristicsofthedataacquisitionsystemanddatacollectingsystemintherealizationoftheADS1.2next.

Andwithitsinatypicalautomaticweatherstationsoftheapplicationforexample,thefocusonexternalsensorinterfacecircuit,lowpowerconsumption,solidstatestoragecapacity,andexpoundsthedesignofembeddedsystemsoftwareanddataacquisitioninstrumentdesignprocess.

Throughthetestresultsshowthatthesystemhasgoodeffectiveness,havegreatpotentialapplication

Keywords:

PC2378,dataacquisitionsystem，Thelargecapacitytostore,thelowconsumption.

目录

一.绪论8

（一）设计背景8

（二）设计意义9

二.系统整体结构和硬件设计9

（一）系统构造9

（二）主控10

（三）硬件11

（1）传感器11

（2）电源12

（四）处理模块12

（1）A/D接口电路12

（2）D/A接口电路12

（3）R/D接口电路13

（4）串口扩展模块13

（5）USB接口电路设计14

三.系统功能设计15

（一）系统软件设计15

（二）低耗能设计16

（三）大容量储存设计16

四.实验测试17

（一）使用USB和以太网的RAM17

（二）温度数据采集测试18

五.结语19

六.参考文献19

七.致谢20

八.附录20

（一）数据采集系统原理图20

（二）LPC2378资料图21

（三）智能CAN接口卡22

基于LPC2378的高精度数据采集系统设计

一.绪论

（一）设计背景

随着现代科学技术的迅猛发展,工厂自动化的规模越来越大,要求控制技术水平也愈来愈高,原来常规模式的控制仪表已满足不了先进控制水平的需求.在这种情况下,工业控制计算机及其系统伴随着这种需求而日新月异地发展.可以说,所有先进的工厂无不装备工业控制计算机,并以它作为控制和管理的主要工具.

我国工业控制计算机从20世纪60年代初开始,经历了近40年的历史,从晶体管工业控制计算机到中小规模集成电路工业控制计算机,以及今天的大规模集成电路工业控制计算机,经历了三代的变化,体积越来越小,功能越来越强。

20世纪60年代初期的工业控制计算机并没有统一的标准,软件编程也很是很原始的机器指令编程方式.20世纪80年代,工业控制计算机的发展跃进了一大步,无论从硬件还是从软件方面都有了较大的发展,出现了STD总线工业控制计算机,VME总线工业控制计算机等,出现了工业控制组态软件包,用户可自己组态,组成自己的控制系统。

随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统迅速得到广泛应用,渗透到地质,医疗器械,通讯等各个领域,为获取信息提供良好的基础.在生产过程中应用这一系统,可以实现对现场各种参数的采集,提高产品质量。

数据采集系统伴随着工业计算机的发展更加准确地反映现场的信息,为决策者提供更加详细的数据,从而采取更加符合要求的方案解决实际中产生的问题

（二）设计意义

随着数据采集系统的不断改进,人们对数据采集的功能要求越来越高,对数据采集系统提出更高的要求,实时性,多功能化,操作方便是其主要的发展方向.LPC2378微型处理器以为核心的数据采集系统具有功能强,成本低,测量准确,通用性强等特点,正得到越来越广泛的应用。

LPC2378微型处理器在数据采集系统设计中的应用是工控机的一个重要领域.数据采集作为项目工程的基础已经涉及到人们生产生活的方方面面。

采集数据的准确性和实时性对工程质量监督起着至关重要的作用.采用工控机对现场进行数据采集,可以直观地反映量的变化情况以及安全生产情况。

二.系统整体结构和硬件设计

（一）系统构造

以NXP公司LPC2378为核心构成的控制系统的结构如图1所示。

该控制系统主要包括：

嵌入式主控模块、电源控制模块、数据采集和处理模块（A/D、D/A、R/D）、串口扩展模块（SC16C554）。

由主控模块进行控制，其他模块协同工作，共同实现数据采集和处理的功能。

处理器和CPLD模块是整个系统的核心，它控制各模块间的协同工作；电源控制模块负责为芯片提供所需要的工作电压，并对电压进行监测，同时提供系统的复位功能；数据采集和处理模块由A/D、D/A、R/D构成，实现数据的数模或模数转换；串口扩展模块实现了与LPC2378之间数据的串、并行转换，并完成与上位机的通讯功能。

图1数据采集处理系统框图

SC16C554扩展出4路UART接口，波特率等底层协议由程序独立设置，每个通道具有16字节的FIFO，兼容16C550。

通过线路板接插件引入2组外部双口RAM的存取接口，符合IDT7130的时序要求，数据、地址及控制信号等驱动。

为方便客户未来的扩展应用，系统向外部预留2组CAN总线接口。

系统中实现2路A/D，2路D/A，2路R/D；并预留12位IO控制口，每位可单独设置为输入或输出

（二）主控

该模块由LPC2378和CPLD（EPM7128AE）构成。

LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RISC微处理器。

处理器带有Thumb指令扩展；主频高达72MHz；片内集成512KBFlash，支持ISP及IAP，58KBSRAM，PLL加强型矢量中断控制器，10/100M以太网带DMA，USB2.0全速设备接口，2路CAN2.0接口，通用DMA控制器，4个UART接口，1个具有全功能Modem的接口，3个I2C串行接口，3个SPI/SSP串行接口，一个I2S接口，SD/MMC记忆卡接口，8路10位ADC，1路10位DAC，4个32位捕获/比较时钟，看门狗时钟，PWM模块支持3相马达控制，RTC实时时钟带可选后备电池，通用I/O等。

CPLD主要负责整个系统的译码工作，从而为系统中的某些芯片产生片选和控制信号。

（三）硬件

（1）传感器

通常情况下,随着温度的升高,金属的电阻具有正的温度系数,其大小约为3000~7000ppm/℃.因此通过测量金属电阻值的变化,可以测量出其对应的温度,作为能够测量温度的电阻体,除了铂以外,还有铜和镍.铂的纯度可以高99.999%以上,在所有金属中是最高的,再加上下述的几点,使铂成为较理想的测温电阻器:

纯度越高,电阻值-温度特性越稳定;纯度越高,电阻的温度系数越大.铂电阻使用高纯度铂丝制作的温度传感器.铂电阻不像热敏电阻那样具有强烈的非线性,它的电阻-温度特性如图2所示,其线性度非常好.因此是一种非常容易使用的温度传感器.

图2波电子的温度特征

（2）电源

过接插件向线路板提供±15V、±12V、＋5V的直流电源。

由于系统中大多数芯片的工作电压均为3.3V或5V，故选择的电源电压调节器为TPS76633，它能对外提供3.3V的电压及250mA的电流，且误差在3%以内。

为了使系统能稳定的工作，抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，需要使用磁珠进行系统的模数隔离。

系统工作时，会经常要求进入复位工作状态，所以，系统的复位电路必须能准确、可靠地工作。

这里的复位电路采用LTC1326芯片，同时实现低电平复位和手动复位功能。

LTC1326能够在有多种电压供电的系统中实现同时对3种电压的监控功能。

为了提高芯片的抗干扰能力，应给每个Vcc引脚接一个0.1μF的对地旁路电容。

（四）处理模块

（1）A/D接口电路

LPC2378本身提供有8路10位ADC和1路10位DAC，而该系统要求提供的A/D和D/A精度均为12位，故需要扩展外部A/D和D/A。

　　AD7922是12位逐次逼近型高速、低功耗的A/D转换器，吞吐率最高可达1MSPS。

本系统采用通过LPC2378的SPI接口直接与其相连，不需要其他的附加逻辑电路。

在采集过程中，选择不同的通道进行采集。

（2）D/A接口电路

DAC7574是12位、低功耗、4路带缓冲器的电压输出型D/A转换芯片，最高速率可达3.4Mbps。

外部为该芯片提供的工作电压为5V，故转换后的电压输出范围是0~5V，需要设计D/A转换后输出电压范围是-10V~+10V，所以要用到两级运算放大器，第一级构成反相求和电路，第二级构成反相比例运算放大电路。

经过第一级运放后，得到-2.5V~+2.5V的电压值，再经过第二级运放后得到-10V~+10V的电压范围。

为了在第一级运放的输入端获得精准的-2.5V电压，这里使用LM236，它是能够提供精确的-2.5V电压的稳压芯片。

（3）R/D接口电路

D2S80A是最新一代旋转变压器数字转换芯片，又叫角分解器（Resolver），是一种特殊的模数转换器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。

AD2S80A的分辨率有10、12、14、16bits几种可选。

用户通过选择不同的外接电阻和电容，可以得到不同的带宽和跟踪速率。

本系统中只用到了R/D的8条数据线（DB1~DB8），其余8条数据线（DB9~DB16）接地。

LPC2378负责处理AD2S80A送来的信号，AD2S80A与LPC2378的相关引脚直接相连，接口电路如图2所示。

图3AD2S80A与LPC2378的连接图

（4）串口扩展模块

MAX3074是RS-422总线的收发器，其功能是实现RS-422总线信号电平到SC16C554可接受信号电平的转换。

该系统中共使用6片MAX3074，其中4片与SC16C554的4路UART端口连接（其中两路做为备用），其余2片与LPC2378的两路UART端口相连。

MAX3221是RS-232总线的收发器，其功能是实现RS-232总线信号电平到LPC2378可接受信号电平的转换。

系统中使用2片MAX3221与LPC2378其余电路UART端口相连（图4）

图4

（5）USB接口电路设计

主控制器LPC2378内部集成了USB2.0设备控制器。

使CPU与外设之间的数据交换可以稳定地达到很高的速度，同时也减少了开发难度，提高了芯片的性价比。

USB接口电路如图6所示，USB1D-和USB1D+为LPC2378中USB端口的一对差分数据线，分别通过27匹配电阻与USB接口连接VBUS用于检测USB总线电源是否连接，当USB总线连接时，该管脚输入高电平。

UICONNECT灵活控制LPC2378与PC之间的连接与断开。

当该口输出低电平时，D+数据线通过1.5Ω的上电阻连接到VD3V3通知PC：

设备要与之连接；输出高电平时，D+数据线与电源VD3V3断开，通知PC：

设备已经断开与主机的连接。

USB_UIUP_LED口用于控制LED亮灭以提示USB总线的活动状态,当USB设备枚举成功时，LED点亮；枚举成功后，当USB总线处于正常通行状态时，LED闪烁；当USB设备处于挂起状态或者通信不正常时，LED熄灭。

PRTR5VOU2X为ESD元件，用于防止静电从USB总线中进入电路中损坏芯片。

三.系统功能设计

（一）系统软件设计

系统的软件开发工具采用ADS1.2，设计语言使用ARMC。

为了实现系统各部分的正常运行，在进行软件设计时必须充分考虑3个因素：

程序的可靠性；程序的严密性；程序的稳定性。

　　软件程序由主程序和中断服务程序构成。

主程序中首先完成系统的初始化，接着进入一个无限循环的后台程序，巡回地执行多个事件，完成相应的操作；使用向量IRQ中断，中断服务程序采用基于定时器的巡回服务流程，完成事务处理。

对于CPLD的软件设计工具采用Altera公司的MAXPlusII，使用VHDL编程语言。

（二）低耗能设计

通过编写程序，可使数据采集仪器内核处理器大部分时间处于掉电模式。

当有外部特定事件发生时，可被终端唤醒，进入全速工作状态，当完成不要的任务后，再次进入值守状态。

在值守状态下系统功耗很低，而且外部传感器不消耗电能。

在工作状态下，气象仪和传感器同时上电工作，此时功耗较大，但由于工作时间极短，所以整个系统的功耗并不大，能够满足长期在野外无人值守状态下的连续不间断检测气象参数的功耗需求。

书籍采集仪设计了输出2路控12V电路，其中一路用来给气象传感器供电，另一路接到继电器开关，用以给瞬时电流消耗较高的远程数传电台供电。

同时，为达到尽可能低的功耗，还将数据采集仪电路板上的若干消耗电流较大的3.3V电子器件改为控点方式工作，在不需要工作的时这些器件的电源进行下电处理，从而进一步降低功耗，使得整个数据采集仪的静态功耗可以达到3mA以下。

（三）大容量储存设计

数据采集仪的一个重要功能就是对采测的参数进行自动记录，存储在采集仪自身所带的大容量存储设备中，以便在需要的时候读出。

在系统中每次采测的参数为6个，每个参数值占2字节。

每隔5min采测存储1次，拟将每个参数至少存储1a。

所以，大容量存储设备的存储最小空间计算如下：

2*288*366*6＝1264896字节＝1.2M字节，所以采用2M字节的Flash存储器即可满足要求。

在此选择型号为SST25VF016B的NOR型Flash芯片，其存储容量为2M字节，并可通过SPI通信接口进行读写。

其与LPC2378芯片引脚的连接原理图如图6所示。

图6大容量存储电路原理

四.实验测试

（一）使用USB和以太网的RAM

LPC2378内部有58KBRAM由内部32KBRAM、8KBUSBRAM、16KB以太网RAM 和2KBRTCRAM组成。

     2KB的RTCBATTERYRAM没有测试，我想应该也可以直接使用。

     对于USB和以太网的RAM，只需经如下操作即可使用。

1、将功耗管理寄存器PCONP中的PCENET和PCUSB位置1，使能USB和以太网功能。

  2、在分散加载文件中做如下申明：

               USB_RAM0x7FD000000x2000   ;8K

                { 

                   dataflash.o（+RW,+ZI）

                   from.o（+RW,+ZI）

                }

                ENET_RAM0x7FE000000x4000  ;16K

                { 

                    uart.o（+RW,+ZI）

                }

    这样，就可以将程序的一些模块的RAM变量放到USB和以太网的RAM中了。

上面的例子，我是将对DataFlash和铁电RAM操作的一些缓冲区放到USB的RAM中，将串口驱动的缓冲区放到以太网RAM中。

（二）温度数据采集测试

经过多次试验和测量，系统模拟性度良好。

能满足预期的设计要求和一般工业测量的要求。

图7为本系统测试。

五.结语

基于LPC2378的高精度数据采集系统，在试验工作中能长期稳定可靠的运行。

可将蒸发器，雨量计，温度传感器，风速仪等数据采集，利用USB总线建立下位机与计算机通信简单方便，是未来计算机与外设连接的发展趋势。

由于自身知识和时间的限制，设计中还存在较多的问题。

希望在今后的工作和学习中我一定不断努力，总结，提高自己的水平。

六.参考文献

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（8）康华光.电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社,2006.

（9）刘影.PCL-818L数据采集卡的应用[J].现制造技术与装备,2006.（4）：

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（10）马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:

清华大学出版社,2001.

七.致谢

挚的感谢指导老师王老师，在论文的写作过程中，给予了我极大的支持与教导。

王老师严肃的科学态度、严谨塌实的治学态度、丰富的理论与实践经验、不求回报的无私奉献精神、深深地感染和激励这我。

两个月来，王老师不仅在毕业设计上给我以精心指导，同时还在思想上给我以精确的指导，在碰到设计上的困难时，他总会热衷地帮助我解开疑惑，找到解决方法。

在此表示感谢！

八.附录

（一）数据采集系统原理图

（二）LPC2378资料图

（三）智能CA