基于STM 32和LTC 1859的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

崔海朋 （青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東?青島?266071）

摘? 要：現(xiàn)在很多采集系統(tǒng)要求較高的精度，而且信號形式、范圍也有所不同，處理電路比較復(fù)雜，硬件成本 高。為了解決該問題，設(shè)計(jì)了基于STM32和LTC1859的16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了軟硬件設(shè)計(jì)。此 系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)8路電流信號的單端輸入，也可以實(shí)現(xiàn)8路電壓信號的單端輸入，成本低，精度高。 

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；Cortex-M3；LTC1859

0  引言 

現(xiàn)在很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求較高的精度，同時(shí)要求 可以適應(yīng)不同的信號形式，例如可以連接電流信號、電 壓信號，信號的范圍也不同，常規(guī)的方法是采用復(fù)雜的 電路處理再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣不僅增加了硬件成本， 還降低了系統(tǒng)精度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于Cortex-M3處理 器和 LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅可以 實(shí)現(xiàn)8路的電流信號的輸入，還可以實(shí)現(xiàn)8路電壓信號的 輸入，對輸入信號的范圍可以通過軟件來設(shè)置，同時(shí) AD采集電路與Cortex-M3處理器采用了電源隔離和信 號隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。 

LTC1859是ADI公司推出的一款高性能的具停機(jī)功 能的8通道、 16位、100 ksps的 AD轉(zhuǎn)換器,每個(gè)通道可 通過軟件實(shí)現(xiàn) 0~5 V，0~10 V，0~±5 V，0~± 10V的 不同范圍的輸入電壓，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)單輸入和差分 信號輸入的選擇，每個(gè)通道可承受至±25 V的故障保 護(hù)。LTC1859的多路復(fù)用器可以配置為接受 4個(gè)差分輸 入、8個(gè)單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件 提供了卓越的DC性能，具有在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的15位無漏失碼和±3 LSB MAX INL。LTC1859與控制器之 間采用SPI總線進(jìn)行通信。LTC1859用單5 V電源工作， 同時(shí)僅消耗40 mW功率。LTC1859還具有溫度系數(shù)為 ±1.0×10-5/℃的 2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)，如果需要較高的準(zhǔn)確 度，還可以從外部驅(qū)動。對于那些對功耗敏感的應(yīng)用， LTC1859提供了兩種斷電模式：打盹模式和休眠模式。 

本系統(tǒng)的 Cortex-M3處理器為意法半導(dǎo)體公司推 出的32位RISC處理器STM32F103VCT6，主頻最高可 達(dá)72 MHz。該處理器具有256 kB的程序存儲器，48 kB 的RAM，同時(shí)它有8個(gè)定時(shí)器、5路串口、3路SPI、2 路I2C，具有獨(dú)立看門狗和窗口看門狗，非常適合于與 LTC1859構(gòu)成高精度的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

1  硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由 2片LM324運(yùn)放和1片 LTC1859構(gòu) 成 8通道的單端信號輸入。每片LM324含有4個(gè)運(yùn)放，2 片LM324構(gòu)成了8路信號調(diào)理電路，其中電阻實(shí)現(xiàn)電流 信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，當(dāng)連接電壓信號時(shí)，該電阻 不連接。LM324為電壓跟隨器電路，這里不再詳述。LTC1859的電路如圖1所示。本電路具有通用性，在實(shí) 際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，效果很好。下面對電路進(jìn)行詳細(xì) 分析。 

LTC1859引腳中CH0~CH7是8路模擬輸入通道， 在本系統(tǒng)中構(gòu)成了8路單端輸入信號。 MUXOUT+、 MUXOUT-為模擬復(fù)用器的正負(fù)輸出，把它們連在 ADC+、ADC-上進(jìn)行正常操作。BUSY為輸出轉(zhuǎn)換 器的狀態(tài)，當(dāng)正在轉(zhuǎn)換中為低，轉(zhuǎn)換結(jié)束變高，連在 ARM處理器的I/O口上，SDO為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸 出，接在Cortex-M3處理器的SPI接口的MISO引腳上， SDI為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸入，接在Cortex-M3處理器 的SPI接口的MOSI引腳上，SCK為SPI總線的時(shí)鐘，接 在Cortex-M3處理器的SPICLK上。RD為引腳SDO數(shù)字 輸出的能使信號，當(dāng)RD為低能使輸出，當(dāng)RD為高SDO 為高阻抗。在本系統(tǒng)中，該引腳連接至地，一直使能

LTC1859的輸出功能。CONVST為啟動轉(zhuǎn)換引腳。其它 引腳分別接電源、數(shù)字地、模擬地，在布線時(shí)注意數(shù)字 地和模擬地的分開，幾個(gè)電容推薦采用鉭電容，這樣可 以提高系統(tǒng)的精度。

2  隔離電路設(shè)計(jì) 

為了提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電源隔離和 SPI總線隔離電路，使LTC1859采集電路與Cortex-M3處 理器電氣完全隔離，外部輸入信號不會影響到處理器電 路的運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。下面從2個(gè)方面 來重點(diǎn)介紹。 

2.1 電源隔離 

LTC1859的供電采用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電源與 CPU電源的隔離。電源模塊采用廣州金升陽公司的 B1212M-2M。B1212M-2M采用小型DIP封裝，溫度特 性好，隔離電 壓1 000 V DC。 圖2中12 V輸出 電壓為前端信 號調(diào)理電路中 LM324芯片供 電，后端電源采 用了L7805CV穩(wěn) 壓，為LTC1859 供電。 

2.2 SPI總線的 隔離是非常關(guān) 鍵的一部分 

本系統(tǒng)采 用了專用的 SPI隔離芯片 ADUM1411。 它是ADI公司推 出的四通道數(shù) 字隔離芯片， 單芯片可以替 代 4 個(gè)光耦，采用芯片級脈沖變壓器磁耦合技術(shù)，施密特觸發(fā)器輸 入/輸出，隔離電壓2 500 V。與傳統(tǒng)的光耦隔離相比， 具有壽命長，節(jié)省PCB（印制板）面積等諸多優(yōu)點(diǎn)。 每個(gè)ADUM1411芯片含有3路數(shù)字輸出和1路數(shù)字輸入 通道。由于LTC1859有5條控制線與Cortex-M3處理器 進(jìn)行通訊，因此本系統(tǒng)選用了2片ADUM1411實(shí)現(xiàn)與 Cortex-M3處理器的完全隔離。電路如圖3所示。

3  軟件設(shè)計(jì) 

系統(tǒng)采用SPI總線通信，軟件的關(guān)鍵是Cortex-M3處 理器和LTC1859之間的時(shí)序匹配，下面詳細(xì)介紹。 

3.1 LTC1859軟件配置 

LTC1859是在SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲， 這就要求Cortex-M3處理器在進(jìn)行SPI初始化時(shí)采用上 升沿?zé)o延時(shí)模式。8位的控制字通過SDI輸入，用于配 置LTC1859以進(jìn)行下一個(gè)轉(zhuǎn)換，同時(shí)前一個(gè)轉(zhuǎn)換輸出在 SDO上輸出，在數(shù)據(jù)交換的末端，在CONVST上施加1 個(gè)上升沿啟動被請求的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果將 在下1個(gè)數(shù)據(jù)傳送周期提供。LTC1859的8位命令控制字 在首8個(gè)SCK的上升沿按時(shí)間順序記錄到SDI輸入中， SDI隨后的輸入的位被忽略。8位的控制字含有對通道地 址、信號輸入范圍和斷電模式的控制，具體內(nèi)容參見手 冊，這里不再贅述。本系統(tǒng)中配置為8通道單端輸入方 式，信號輸入范圍默認(rèn)配置為0~5 V，斷電模式設(shè)置為上電模式，不進(jìn)入打盹和休眠模式。 

3.2 Cortex-M3處理器SPI接口配置 

Cortex-M3處理器的SPI接收設(shè)置為全雙工主模式。 為了一次可以讀取到LTC1859轉(zhuǎn)換后的16位的結(jié)果， SPI接收設(shè)置為16位模式。禁止軟件NSS功能，SPI的速 率默認(rèn)設(shè)置為256分頻后的速率，實(shí)際應(yīng)用可以根據(jù)需 要進(jìn)行更改。初始化代碼如下：

void SPI1_Configuration(void) 

{ 

SPI_InitTypeDef   SPI_ InitStructure; 

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //全雙工 

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;   //主模式 

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;//16bit模式 

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;   //空閑時(shí)為低電平 

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //上升沿?zé)o延遲模式 

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;  //禁止軟件NSS功能 

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_ BaudRatePrescaler_256;      //SPI速率設(shè)置 

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //高位先發(fā) 

SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); 

SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); 

} 

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換采集 

下面詳細(xì)介紹軟件編寫，SPI總線的時(shí)鐘很快，既 可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式。本系統(tǒng)采用查詢方式，其軟件流程如圖 4所示。

程序源代碼及其詳細(xì)注釋如下，該函數(shù)的入口參數(shù) 為通道號，即為0~7，函數(shù)根據(jù)通道號讀取該通道的數(shù) 據(jù)，同時(shí)將該數(shù)據(jù)值返回，其中部分函數(shù)為STM32的庫 函數(shù)，這里不再詳細(xì)講述。 

u16 ReadADC1859(u16 channel) 

{ 

u16 control_code; 

control_code=Get_Control_Code(channel);//根 據(jù)通道計(jì)算控制字 

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_TXE) == RESET); //等待發(fā)送緩沖器為空 

SPI_I2S_SendData(SPI1,control_code);   //發(fā)送 控制字 

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_RXNE) == RESET);//等待接收緩沖器變非空 

temp_value = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); / / 讀取數(shù)據(jù) 

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);//convst 置低 

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);  //convst 置高啟動一個(gè)轉(zhuǎn)換 

delay40ns();  //延遲 

delay40ns(); 

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);//將 convst拉低 

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_ Pin_4)==0x00); //等待busy變高 

delay40ns();  //延遲 

delay40ns(); 

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_TXE) == RESET); //等待發(fā)送緩沖器為空

SPI_I2S_SendData(SPI1,control_code);   //發(fā)送 控制字 

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_RXNE) == RESET);//等待接收緩沖器變非空 

temp_value = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); / / 讀取數(shù)據(jù) 

return temp_value; //數(shù)據(jù)返回 

}

4  結(jié)論 

本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了基于STM32處理器和LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了全新實(shí)用的硬件和軟 件設(shè)計(jì)，適用于不同信號類型和電壓范圍變化較大的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度高，成本低，可靠性高，具有 一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)： 

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第43頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。