基于stm32 的高精度、大容量、多通道同步数据采集存储系统的设计

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1、基于STM32的高精度、大容量、多通道同步数据采集存储系统的设计连杰田小超中煤科工集团西安研究院有限公司西安710077【文章】近些年来，随着计算机、电子技术的发展与进步，为数据采集、存储系统的开发与应用提供必要条件。基于此，本研究主要结合目前实际需求，分析设计了基于STM32的高精度、大容量、多通道同步数据采集存储系统，研究了系统具体的功能需求及软硬件选择等，以期为数据采集存储系统的进一步发展提供更多机遇。【关键词】STM32；高精度；大容量；多通道；数据采集与存储1系统功能设计在本系统的设计过程中，最关键的是要具备数据采集、存储及传输三个功能。其中，在数

2、据采集设计方面，重点考虑的是采集精度和采集速度，前者主要通过A/D转换芯片的有效位数来反映，其精度随着A/D转换芯片位数的升高而升高；而后者主要借助于采样率来反映，目前速率最高的A/D转换芯片已达到了1.5Gb。选用A/D转换芯片时，主要考虑的是A/D采样位数（分辨率）、采样率和采样通道。系统对A/D采集的需求有：3个以上的通道同步采集，各个通道的采样率在0-100KSPS之间，精度12位及以上。基于这些需求，本设计中选用AD7656，其性能指标如下：（1）输入通道：支持6个通道同步采集；（2）采样率：最高可达250KSPS；（3）采样位数：16Bit。在数

3、据存储设计方面，最关键的是存储容量和速度。其中，在存储容量上，选用容量大的存储器时，必须考虑相应的成本，因为存储容量增大，成本也会增加很多。本设计中，对存储容量的要求相对较低，只要求能够达到100M以上；在存储速度上，不仅要考虑芯片本身擦除、页面编写的效率，同时还与程序算法的设计有着密切关系，其中包括坏块处理算法设计、文件系统设计、扇区读写管理算法设计等。在高速、实时、连续采集和存储的情况下，一方面要求系统不间断地进行信号采集，另一方面要求实现数据的实时存储，否则会造成数据丢失。因此，在本设计中，采用的是双缓冲区交替存储模式，在100KSPS的采样率下，缓冲

4、区的大小应超过840字节，才能保证采集的数据能够完整地存到Flash中。在数据传输设计方面，该系统一般是在脱机状态下使用的，现场实时完成信息快速采集与存储，事后再回收存储器,由计算机处理和再现被测信息。尽管无需进行数据的实时传输，但在后续的数据读取和处理过程中，大量的数据使得232、485串口通信无法满足速度上的实际需求，而通用串行总线USB凭借其即插即用、热拔插以及高传输速率的特性成为了设计过程中数据传输设计的首选。2系统总体设计2.1系统硬件设计(1)微处理器本系统硬件设计的核心部分就是微处理器和USB控制器，在二者有机结合的基础上才可以实现上位机和下位

5、机之间的快速通信，从而使PC机获取采集到的数据。目前，世界上的微处理器已经超过了千余种，按照数据总线的宽度主要划分成8位、16位、32位三类。本研究中所设计的系统，结合其实际需要选择基于ARMCortex-M3内核的STM32系列32位处理器。STM32系列微处理器性能优异、功耗超低，集成度高，拥有复位电路、精确的RC振荡器等，并提供丰富的外设和USB接口，便于进行USB开发，并且还免费提供简单易用的开发工具。（2）A/D芯片尽管STM32F103ZE自带三个同步的ADC，支持21通道采集，但最多只能做到3通道同步采集，无法满足系统设计要求。因此本设计中选用

6、美国ADI公司生产的16位的逐次逼近(SAR)型A/D芯片AD7656。AD7656内部含有6个A/D转换器，最大转换速率达250KSPS，转换时间为3us,支持6个通道同步采集，并且内置低噪声、宽带采样保持放大器(T／H)，可来处理输入频率高达4.5MHz的信号,可以与微处理器(MCU)或数字信号处理器(DSP)连接，把多个ADC连接到单个串行接口上。（3）外围存储器Flash存储器有容量大、低功耗、易擦除等特点，Flash存储器按其底层技术结构主要分为NAND和NOR两大类，由于数据采集存储系统中对存储的速度有很高的要求，基于本系统容量、成本、硬件设计等

7、方面的考虑，主要选用NandFlash存储器K9F1G08UOB，它共有1024块，64页，共132K字节，总存储容量为1GB+32MB，存储器每页有64字节的冗余字节。（4）USB控制电路STM32的MCU自带符合USB2.0全速设备技术规范的通信连接的USB从控制器。USB从控制器提供STM32F103和USB总线进行数据交换的硬件接口，PC主机和微处理器STM32之间的数据传输通过共享一专用的数据缓冲区来完成，而数据缓冲区可以被USB外设直接访问。当USB模块处于非工作状态时，通过写控制寄存器可以将USB置于低功耗模式，此时不消耗任何静态电流；当需要U

8、SB工作时，可以通过对USB线上数据传输的检测，在低