摘 要 针对多路信号采集，提出了一种嵌入式数据采集存储系统，该系统基于STM32微处理器和MDK KEIL软件开发平台设计。详细介绍了系统的硬件设计和软件设计。最后，通过两路电压数据采集存储分析试验，验证本系统的正确性和可靠性。
关键词 嵌入式；STM32；多路数据采集；MDK
中图分类号：P715.2 文献标识码：A
0 引言
随着现代科学技术的不断发展，人们对多路数据采集存储技术的要求越来越高。传统的基于单片机或工控机PLC的数据采集技术，因采集精度低、设计复杂等缺点，很难满足人们的要求。将嵌入式引入采集技术中能够解决上述存在的问题[1]。
STM32微处理器作为成熟的ARM嵌入式芯片，有着丰富的外围接口、较高的处理速度以及较低的价格，在嵌入式技术领域有着广泛的应用[2]。本文阐述基于STM32的多路数据采集存储系统的设计方法，希望提出一套具有一定借鉴意义的通用的开发方案。
1 系统组成
本系统主要由微处理器、多路数据采集模块、存储模块、电源模块、下载模块、时钟模块以及复位模块组成。微处理器是本系统核心，控制整个系统的工作流程，包括启动和暂停数据采集存储、读写存储器等；多路数据采集模块对外部输入的信号进行数据采集；存储模块对采集得到的数据进行实时存储；本系统电源输入为12V电压，通过电源模块转换后可为系统各个模块提供5V、3.3V的标准电压；下载模块为本系统提供软件程序下载接口；时钟模块采用8MHz的高速外部晶振和32.768的低速外部晶振，通过倍频分频的方式，为处理器各个部分提供相应时钟；复位模块采用按键复位设计，为整个系统提供硬件复位功能。系统组成如图1所示。
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2 系统硬件设计
2.1 微处理器
作为本系统核心，微处理器控制着整个系统的工作，包括启动和暂停数据采集存储、读写存储器等。
本系统微处理器采用STM32F407ZG处理器，该处理器是由意法半导体公司生产，基于Cortex-M4内核的ARM处理器，时钟频率高达168MHz，具有192KB的SRAM、1024KB的内部FLASH。同时，其内部还集成了A/D模块，最快可实现2.4MHz采样速率。STM32F407ZG还带有丰富的外围接口，包括多用复用IO口、多个串口、以及1个10/100M网络接口，方便系统的开发和扩展[3]。
2.2 多路数据采集模块设计
多路数据采集模块分为电路调理部分和采集部分。电路调理部分主要起到量程变换的作用。当被测信号的电压超过了A/D模块的量程，可能会烧坏A/D模块，所以必须使用电路进行调理[4]。在调理电路中，使用如图2所示的放大器的负反馈电路来调理量程，和之间的关系如下：
根据实际的应用选择不同的电阻，就可以放大或衰减被采集的信号
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对于采集部分，本系统利用STM32F407ZG处理器内部集成的A/D模块来实现。该A/D模块是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有多达19个通道，这些通道的A/D转换可以单次、连续或间断模式执行，从而实现多路（理论上最多19路）数据采集[5]。
需要说明的是， STM32F407ZG处理器内部集成的A/D模块需要参考电压源输入，输入引脚为 VREF引脚。VREF的输入范围为1.8-3.3V，为了提高采集精度，最好使用输出波纹小的精准电压源[6]，如图3所示。
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2.3 存储模块设计
嵌入式系统的存储模块设计一般有两种方案：
1）采用FLASH芯片方案。该方案的优点是读写速度快，价格相对便宜，但它属于芯片式存储介质，必须焊接在PCB电路板上，如果要将其数据读出到上位机，则必须要通过网口或串口等交互接口，增加了开发成本。
2）采用标准接口外接存储器方案。接口的优点是设计比较简单，直接连接到系统总线上就可以了，编写软件程序也比较简单。
本系统为了设计简单和方便读取数据，采用SDIO接口的SD卡作为本系统的存储模块。SD卡方便插拔，通过读卡器可直接读取数据。
STM32F407ZG处理器自带SDIO接口，该接口与SD存储卡规格版本2.0全兼容，支持多种数据总线模式；完全支持CE-ATA功能，8位总线模式下数据传输速率可达48MHz[7]。其硬件电路设计如图4所示。
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3 软件程序设计
本系统采用MDK作为软件程序设计平台，MDK软件源自德国的KEIL公司，是目前针对Cortex M 内核处理器的最佳开发工具[8]。
本系统的软件程序设计流程如图5所示。系统启动程序后，首先通过Adc_Init( )、SD_Init( )、KEY_Init( )等函数分别对A/D模块、SD卡存储模块以及外围电路进行初始化。初始化完成后，进入main( )函数，即主程序。之后，等待采集指令，一旦接受到采集指令，将进入数据采集程序，本次数据采集完成以后，将进入数据存储程序。数据存储程序结束以后，若系统接收到停止采集指令，则系统程序结束；否则，系统继续采集数据。
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对于数据采集程序，采用多次采集取平均值的方法来提高采集的精度。对于数据存储程序，若采集一次数据就存储一次，频繁的写SD卡，大大降低整个系统的数据采集速度。另外，SD卡最大写入次数也是有限的。为了解决该问题，本系统给数据存储程序额外分配20480字节大小的缓存区间，采集的数据将首先放置在该缓存区间，缓存满之后再将数据写入SD卡中。
4 设计实例
为了验证本系统的正确性和可靠性，利用信号发生器产生两路电压信号v1 / v2进行测试。其中v1起始电压为5V，之后逐渐降低至3.5V；v2起始电压为0，之后逐渐升高至3V。
本系统同时采集v1/v2电压信号，并将采集信息存储至SD卡。数据采集完成后，上位机通过读卡器读取SD卡上的数据，描绘出v1/v2电压数据变化曲线，如图6所示。
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由图6可以看出，本系统采集的v1/v2电压数据变化曲线平滑，没有出现跳变，曲线走势与实际信号发生器产生的基本一致，符合预期，这就验证了本系统的正确性和可靠性。
5 结束语
本文针对多路数据采集存储系统进行了讨论和研究，成功完成了系统的硬件设计和软件设计。最后，通过两路电压数据采集存储分析试验，验证了本系统的正确性和可靠性。
参考文献
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[2] 孟强, 徐慧, 万青苗. 基于STM32的数据采集及显示系统的设计[J]. 计算机知识与技术, 2013,13（9）：3184-3186.
[3] Yan R，Pang S，Sun H. Development and missions of unmanned surface vehicle[J]. Journal of Marine Science and Application，2010,9（4）：451-457.
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[7] 邹绵坤，陈星，徐承深. 基于单片机和NANDFLASH芯片的嵌入式文件系统[J]. 自动化与信息工程，2007,28（3）：38-40.
[8] 李剑，赵鹏程，汤建彬. 32位ARM嵌入式处理器的调试技术[J]. 电子技术应用， 2003,29（3）：25-27.