本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集裝置，特別涉及一種基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置，屬信號(hào)處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)考察、國(guó)防建設(shè)等諸多方面的迫切需要，對(duì)于各種設(shè)備的性能要求越來(lái)越嚴(yán)格。這就需要對(duì)所研制的設(shè)備進(jìn)行大量的試驗(yàn)以達(dá)到要求，而這些試驗(yàn)多是在不同環(huán)境下進(jìn)行的，這對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求。在20世紀(jì)50年代，美國(guó)首先對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行研究并應(yīng)用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)；20世紀(jì)70年代中后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了性能優(yōu)良的融合采集器、儀表和計(jì)算機(jī)為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；20世紀(jì)90年代之后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是可以把功能模塊化，并結(jié)合系統(tǒng)編程，這樣使得擴(kuò)展和修改系統(tǒng)變得非常方便，這種數(shù)據(jù)采集技術(shù)被廣泛應(yīng)用在軍事、航空航天技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域中。

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，arm以其體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、民用控制系統(tǒng)中。與此同時(shí)，usb技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展，隨著usb2.0、usb3.0的相繼推出，給以arm為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速、超高速提供了有效的手段。利用arm微處理器可以結(jié)合internet技術(shù)、usb技術(shù)、lcd顯示，以及觸摸屏的功能，分別實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等功能，速度也達(dá)到了一定的水平。

在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)及分布式領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了重要的變化。首先，分布式控制應(yīng)用場(chǎng)合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。其次，總線(xiàn)兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量不斷增大，與個(gè)人計(jì)算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。國(guó)內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集機(jī)先后問(wèn)世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個(gè)全新的時(shí)代。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采樣和實(shí)時(shí)傳輸。

本發(fā)明提供一種基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置，其包括信號(hào)調(diào)理電路板和數(shù)據(jù)采集電路板，其中，所述信號(hào)調(diào)理電路板包括帶通濾波器、單端轉(zhuǎn)差分電路、光耦隔離電路和ad芯片；所述數(shù)據(jù)采集電路板包括arm微處理器、spi總線(xiàn)、flash、lcd顯示、usb接口和pc機(jī)。其中，單端轉(zhuǎn)差分電路將單極性、單端信號(hào)轉(zhuǎn)換層差分信號(hào)，便于后續(xù)信號(hào)處理；光耦隔離電路主要是起到隔離模擬電路和數(shù)字電路的作用，避免相互干擾；ad芯片是差分輸入、同步采樣、12位adc；采樣到的數(shù)據(jù)通過(guò)spi總線(xiàn)傳輸?shù)絘rm微處理器，arm微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到flash并通過(guò)usb傳輸?shù)絧c機(jī)，lcd對(duì)采樣過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

在上述基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置中，每條通道都有對(duì)應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)，用于控制通道的開(kāi)啟與關(guān)斷。

在上述基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置中，所述arm微處理器通過(guò)spi總線(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到flash并通過(guò)usb接口傳輸?shù)絧c機(jī)，lcd對(duì)采樣過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。還包括rc電路、flash存儲(chǔ)器以及晶振電路，所述rc電路為arm微處理器提供電源去耦，所述flash存儲(chǔ)器為arm微處理器提供存儲(chǔ)空間，所述晶振電路為arm微處理器提供供源時(shí)鐘。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明通過(guò)采用spi協(xié)議，大大提高了傳輸速率，最高采樣速率可以達(dá)到110mhz，量化比特可以達(dá)到12bit，數(shù)據(jù)采集功能比較強(qiáng)大；

2、本發(fā)明通過(guò)采用撥碼開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)用戶(hù)需要靈活選擇數(shù)據(jù)采集通道的開(kāi)啟與關(guān)斷；

3、本發(fā)明通過(guò)采用光耦隔離電路，將模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，避免相互干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為信號(hào)調(diào)理電路板示意圖

具體實(shí)施方式

首先，對(duì)本發(fā)明采用的spi接口進(jìn)行說(shuō)明。spi全稱(chēng)是串行外設(shè)接口(serialperipheralinterface)，是由motorola提出的一種高速的、全雙工、同步串行通信接口。spi具有全雙工操作、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸速率較高等優(yōu)點(diǎn)，并且在芯片的管腳上只占用四根線(xiàn)，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為pcb的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，如今越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。spi，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線(xiàn)，事實(shí)上3根也可以(單向傳輸時(shí))。也是所有基于spi的設(shè)備共有的，它們是sdi(數(shù)據(jù)輸入)、sdo(數(shù)據(jù)輸出)、sclk(時(shí)鐘)、cs(片選)

(1)sdi–主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

(2)sdo–主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

(3)sclk–時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；

(4)cs–從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。

其中，cs是控制芯片是否被選中的，也就是說(shuō)只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)(高電位或低電位)，對(duì)此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線(xiàn)上連接多個(gè)spi設(shè)備成為可能。

接下來(lái)就是負(fù)責(zé)通訊的3根線(xiàn)了。通訊是通過(guò)數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道spi是串行通訊協(xié)議，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是sclk時(shí)鐘線(xiàn)存在的原因，由sclk提供時(shí)鐘脈沖，sdi，sdo則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過(guò)sdo線(xiàn)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。因此，至少需要8次時(shí)鐘信號(hào)的改變(上沿和下沿為一次)，才能完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

sclk信號(hào)線(xiàn)只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線(xiàn)。同樣，在一個(gè)基于spi的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而spi允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)閟clk時(shí)鐘線(xiàn)由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，主設(shè)備通過(guò)對(duì)sclk時(shí)鐘線(xiàn)的控制可以完成對(duì)通訊的控制。spi還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)閟pi的數(shù)據(jù)輸入和輸出線(xiàn)獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的spi設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。

為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于arm和spi總線(xiàn)的雙通道數(shù)據(jù)采集裝置包括信號(hào)調(diào)理電路板和數(shù)據(jù)采集電路板兩部分。

信號(hào)調(diào)理電路板包括帶通濾波器、單端轉(zhuǎn)差分電路、光耦隔離電路和ad芯片；所述數(shù)據(jù)采集電路板包括arm微處理器、撥碼開(kāi)關(guān)、spi總線(xiàn)、flash、lcd顯示、usb接口和pc機(jī)。

下面以其中一個(gè)通道為例進(jìn)行說(shuō)明。輸入模擬信號(hào)沿sma同軸電纜接入，通過(guò)pcb走線(xiàn)傳給后續(xù)的帶通濾波器進(jìn)行調(diào)理，帶通濾波器不進(jìn)行放大作用。調(diào)理后的信號(hào)傳送到ad8022，ad8022的作用是將單極性、單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，轉(zhuǎn)化后的差分信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離器進(jìn)行隔離，光耦隔離器的作用是將模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，避免相互干擾。隔離后的信號(hào)傳送到ad采樣芯片進(jìn)行采樣。在此，ad采樣芯片的最高采樣頻率可以達(dá)到110mhz，輸入的模擬信號(hào)被量化成12bit的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)后續(xù)的spi總線(xiàn)傳送給arm微處理器。另外一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換機(jī)理與此通道相同。

撥碼開(kāi)關(guān)與arm微處理器相連，可以根據(jù)用戶(hù)的要求設(shè)置每一通道的接入狀態(tài)。例如，撥碼開(kāi)關(guān)s1可以用于設(shè)置通道1的接入或斷開(kāi)。撥碼開(kāi)關(guān)s2可以用于設(shè)置通道2的接入或斷開(kāi)。每一通道的撥碼開(kāi)關(guān)用“on”和“off”狀態(tài)分別表示對(duì)應(yīng)的通道的接入或斷開(kāi)，例如雙通道的撥碼開(kāi)關(guān)s1、s2的狀態(tài)是”onoff”,則表示第一通道接入準(zhǔn)備使用，同時(shí)第二通道斷開(kāi)不使用。此外，撥碼開(kāi)關(guān)外圍包含電阻，該電阻用于限流。從電路角度來(lái)說(shuō)，某一通道的撥碼開(kāi)關(guān)撥至“on”狀態(tài)，電源3.3v通過(guò)該限流電阻傳給arm微處理器，arm微處理器識(shí)別該信號(hào)為高電平使能信號(hào)。反之，若撥至“off”狀態(tài)，電源3.3v通過(guò)該限流電阻接地，接地信號(hào)傳給arm微處理器，arm微處理器識(shí)別該信號(hào)為低電平靜止信號(hào)。

arm微處理器根據(jù)撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)的設(shè)置，為ad采樣提供采樣時(shí)鐘，并且，通過(guò)spi協(xié)議對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)到flash中，lcd顯示器可以對(duì)采樣過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，便于觀察。存儲(chǔ)到flash中的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)usb3.0接口能夠快速傳輸?shù)絧c機(jī)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。具體而言，arm微處理器可以選用stmicroelectronics公司的stm32f407xx,stm32f407xx系列是基于高性能的armcortex-m432位精簡(jiǎn)指令集、運(yùn)行頻率高達(dá)168mhz，片上資源豐富。arm微處理器上電后，用于實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和spi協(xié)議處理，其被配置成具有：撥碼開(kāi)關(guān)、lcd顯示、usb接口、spi協(xié)議、以及flash存儲(chǔ)。

此外，本數(shù)據(jù)采集裝置還包括arm微處理器輔助工作電路，其與arm微處理器相連。該arm微處理器輔助工作電路包括rc去耦電路以及晶振電路。rc去耦電路為arm微處理器的穩(wěn)定工作提供電源去耦，競(jìng)爭(zhēng)電路為arm微處理器提供供源時(shí)鐘。