STM32F103x的USB多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

引 言

目前，在工業(yè)和許多其他場合依然使用基于PCI板卡、ISA板卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，價格昂貴、接插不方便。USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是計算機(jī)上的一種新型接口技術(shù)，它使得計算機(jī)和外部設(shè)備的連接十分方便。USB具有高效、快速、價格低廉、體積小和支持熱拔插等優(yōu)點，使其成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的新寵兒。然而當(dāng)前的USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備大多采用的是專門的USB接口芯片，而且根據(jù)不同的需求，需要外擴(kuò)一定數(shù)量的A／D 轉(zhuǎn)換芯片，使得接口非常復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的開發(fā)難度，進(jìn)而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的新型32 位微控制器STM32F103x作為主控芯片。該芯片內(nèi)部集成了全速USB2．0設(shè)備接口模塊和16通道的12位高精度A／D轉(zhuǎn)換器，單芯片即可完成設(shè)計任務(wù)，避免了復(fù)雜的接口電路設(shè)計，有效地降低了系統(tǒng)接口的復(fù)雜度和系統(tǒng)開發(fā)的難度，在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 主控芯片STM32F103x

STM32F103x是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARMCortex-M3處理器核的微控制器。Cortex-M3是基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點。它是專門為在微控制器系統(tǒng)、汽車電控系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計的，大大簡化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體。STM32F103x微控制器采用了先進(jìn)的 Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有豐富的性能出眾的片上外設(shè)，包括16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、16位定時器、USART接口、 CAN接口(2．0B)和USB2．0全速接口(12 Mbps)等。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包含5個模塊：信號輸入接口模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊、USB2．0通信模塊和上位機(jī)模塊。其中的信號輸入接口模塊實現(xiàn)信號的隔離接入；信號調(diào)理模塊對輸入信號進(jìn)行放大或衰減，以適應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程；數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊和USB2．0通信模塊實際是由微控制器 STM32F103x獨自實現(xiàn)的。STM32F103x通過內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器對經(jīng)過調(diào)理后的信號進(jìn)行采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過 USB2．0全速接口傳送到上位機(jī)。上位機(jī)模塊主要是對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析處理。由于大量的工作都是在STM32F103x內(nèi)部完成的，只需通過簡單的寄存器設(shè)置和程序設(shè)計即可完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程，這在很大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計。

2．2 STM32F103x的ADC模塊

STM32F103x系列微控制器所帶的2個12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有16個外部通道，可測量16個外部信號源。各通道的A／D 轉(zhuǎn)換可以是單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)模式執(zhí)行，其轉(zhuǎn)換結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)存儲器中。ADC轉(zhuǎn)換頻率最高可達(dá)1 MHz，且每個通道的采樣間隔時間均可獨立編程設(shè)置。在通道轉(zhuǎn)換期間，ADC能產(chǎn)生DMA請求，使DMA來傳輸ADC轉(zhuǎn)換值，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�率�?ADC模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2．3 STM32F103x的USB2．0全速設(shè)備接口模塊

USB接口模塊為上位機(jī)和由微控制器實現(xiàn)的功能設(shè)備之間提供了符合USB規(guī)范的通信連接。USB接口模塊通過和微控制器共享一塊專用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實現(xiàn)上位機(jī)和系統(tǒng)存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。這塊專用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小由所使用的端點數(shù)目和每個端點最大的數(shù)據(jù)分組大小來決定，每個端點最大可使用512字節(jié)緩沖區(qū)，最多可用于16個單向或8個雙向端點。USB接口模塊根據(jù)UJSB規(guī)范實現(xiàn)了令牌分組的檢測，數(shù)據(jù)發(fā)送／接收的處理和握手分組的處理。整個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式由硬件自動生成，其中包括CRC的生成和校驗。USB2．0全速設(shè)備接口模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

作者：唐偉 于平 李崢輝　中國科學(xué)院 來源：中華電子網(wǎng)