基于ARM协调控制的多路信号采集系统

基于ARM协调控制的多路信号采集系统

李永刚

江西连胜科技股份有限公司天津分公司天津300000

摘要：随着电子信息产业的不断快速发展，信号采集技术已是能够影响该领域发展的重要技术。信号采集系统需要通过传感器、模数转换器和其他设备来采集和转换信号。数据采集作为现代工控领域至关重要的一环，应用多处理器的主从控制模式可大大提高信号的采集与处理性能。因此文章提出了一种32位ARM处理器进行信号的高速采集与处理，CAN总线建立的拓扑网络负责多个处理器间数据、命令的有效对接，利用uC/OS-III实时系统实现信号采集与处理任务的调度，该模式可增进多个处理器间的协调控制，实现多路信号的采集和远程传输，还能增强系统的实时性和稳定性，同时可最大程度抑制线路传输干扰。

关键词：ARM协调控制；多路信号；采集系统

数据采集是从被测的模拟和数字单元中获取信息的过程。随着计算机的普及、移动通讯设备的广泛使用，数据采集成为现实世界与虚拟世界的连接。互联网行业的快速发展，物联网进程的持续不断推进，数据的采集、传输方式已经发生了重要的变化，特别是一些新型传感器的投入使用，使需要采集的信息更加复杂。在获取这些复杂信息的过程中，一些新的功能逐渐被提出，比如多通道、分布式架构、及时性、准确性等。目前的数据采集系统也正在往远距离、多端点、高精度的方向发展。

一、基于ARM协调控制的多路信号采集系统研究的必要性

高端信号采集系统一般都具备高性能、体积小、功能强、应用广等特点。功能的强大和应用的广泛离不开采集系统的通用性，而通用型信号采集系统常常具备多种类、多通道信号采集和处理能力。能够实时对多路信号进行采集，这就需要在系统中配备多个处理器，容易造成系统成本过高，系统过于复杂。多路复用器的使用能够在满足采样精度的基础上，解决多路数据采集面临的成本高、效率低等问题，并且为系统扩容留有备用通道。以往的数据传输方式已不能满足当下需求，在一些应用领域中远距、高速的传输方案逐渐被提出，对系统的数据输方式要求越来越高。因此在综合考虑系统设计中的各个方面后，结合所要采集的模拟信号特点来选择最适合的采集、处理方法和传输方式。目前，国内外对基于嵌入式的模拟信号采集系统做了大量的研究工作：采用单个处理器的信号采集系统，其硬件资源和处理能力有限，对多路模拟信号的采集与处理，效率相对较低，且实时性能差；多处理器的信号采集系统中，在不同的应用场合发挥着各自的优势，如基于FPGA和DSP的组合、基于ARM和DSP/FPGA的组合、基于ARM和ARM的组合等，该类系统处理器之间的分工明确，可协同控制。FPGA和DSP的工作速率快，为纳秒量级，可满足高速信号采样、数据处理和存储的工作需求，尤其对矩阵处理很有优势，但是其硬件量大，很难做到小体积便携式，且设计复杂，价格高功耗大。而ARM与ARM的应用组合，若采用集成高速AD，有较好的DSP处理性能，且带浮点运算的高性能高性价比微控制器STM32F407为主控器，能较好的满足本设计开发需求。

二、基于ARM的多路信号采集系统设计分析

（一）系统架构

整个系统主要由信号调理电路、主控模块、通信模块和显示模块等组成。其中，主从MCU均采用了TI公司的高性能数字信号控制器STM32F407，该处理器内部集成增强型DSP处理指令、CAN接口、16路12位ADC等，具有更快的通信接口，更高的采样率；采用uC/OS-III实时操作系统搭建应用层程序，以多任务调度的形式完成信号的采集与传输；信号调理电路用于实现对所采集模拟信号的处理，使其转换成满足后续传输与处理系统要求的信号；CAN总线负责网络中信号采集节点的串行数据通讯，本设计采用分布式的网络拓扑结构使得实时控制变得十分灵活方便，具有很大的自由度。

（二）系统硬件设计

1.信号调理电路

在信号采集系统中，输入信号需要经过一系列的处理才能利用ADC进行采样，所以在进行ADC采样前级需要设计一个信号调理电路，主要包括：阻容衰减电路、阻抗变换电路、电平移位电路、程控增益放大器和抗混叠滤波电路。该电路的工作流程如下：被测信号首先通过阻容衰减电路，该电路对大信号进行适当的衰减，小信号进行适当的放大，还可补偿高频信号失真；然后经过经阻抗变换电路，它不仅可使信号经过衰减电路后电路达到较高的输入阻抗，还能提高已衰减信号的信号驱动能力，使其能被后级电路做进一步处理后再经过电平移位电路，把前级经过调理后的信号叠加2.5V，以满足AD转换器的电压输入范围；最后进入程控增益电路和抗混叠低通滤波器，程控增益电路根据不同的垂直灵敏度对输入电压的幅度进行响应的调整；而抗混叠滤波电路，可有效防止前级输入端信号中的高频噪声被ADC采样而导致后向通道不能准确的恢复出原被测信号。

2.控制电路设计

本设计MCU采用意法半导体的高性能处理器STM32F407主控制器主要实现信号的逻辑控制和数据处理，包括：发送控制命令给从控制器，控制从控制器信号采集状态；接受从控制器发出的应答指令，据此判断当前信号采集的状态；处理通信数据，包括CAN通讯和异步串曰通讯；接收外部触摸屏输入信号，处理逻辑关系，进行逻辑判断，并输出信号到显示模块而从控制器主要实现信号的采集，包括接收、解析和应答主控制器发出的控制命令和参数；进行信号的CAN传输。

3.CAN电路设计

CAN总线通过两根互相缠绕双向数据线传递信息，挂接在CAN总线上的控制器根据CAN_H、CAN_L两根数据导线彼此连接，将消息发送给接收方。本系统硬件电路实现简单，在于STM32F407其内置有CAN控制器，只需外接一个CAN电平转化芯片即可实现CAN通信。外置的CAN电平转化收发器采用ISO11989标准的PCA82C250，可实现高达128kb/s的数据通讯速率；当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。STM32F407内部集成16路AD转换器，则一个信号采集节点可采集16路模拟信号，本设计最多可实现110*16=1760路信号采集。本系统中由若干个CAN模块进行通信，为了统一匹配CAN总线的阻抗，无需在每个模块上添加匹配电阻，由系统统一在最远的两端节点处添加120Ω终端电阻，主要用于增强EMC兼容性能。

（三）测试结果

本系统对多路信号采集进行有效性和准确性的测试木设计取20个信号节点进行多次重复实验，每个节点发送幅值与频率均不相同的正弦波信号。CAN总线上有多个节点进行报文发送，设置波特率为200kbps，每帧报文有8字节数据域，任取其中12路测试结果，实验所得结果：对其中20路采集到的模拟信号，其频率基本一致幅值方面，最大的采集误差为：（0.002/1.125）*100%=0.1778%，误差较小，符合模拟信号采集的精度要求。

总之，在嵌入式的信号采集系统中，越来越多的系统采用多处理器的体系结构。设计主从控制器信号采集系统的重点在于分配好控制器间的硬件资源及数据流的共享，达到对多路信号进行最优采集与处理。本研究提出的基于ARM处理器协调控制的信号采集方法，采用CAN总线负责双CPU之间数据、命令的有效对接，利用uC/OS-III实时系统实现多路采集数据的任务调度，为高精度信号采集提供了保障。

参考文献：

[1]王程.基于以太网接口的信号采集系统设计[D].南京大学，2018

[2]孙文，全惠敏，吴桂清，蔡勇超.基于ARM和以太网接口的振动信号采集系统设计[J].电源技术，2015，39（09）

[3]雷鸿.基于DSP和以太网接口的高速实时信号采集系统设计[D].上海交通大学，2010