崔海朋 （青島傑瑞工控技術有限公司，山東 青島 266071）
摘 要：現在很多採集系統要求較高的精度，而且信號形式、範圍也有所不同，處理電路比較複雜，硬體成本 高。為了解決該問題，設計了基於STM32和LTC1859的16位高精度數據採集系統，詳細介紹了軟硬體設計。此 系統不僅可以實現8路電流信號的單端輸入，也可以實現8路電壓信號的單端輸入，成本低，精度高。
關鍵詞：數據採集；Cortex-M3；LTC1859
0 引言
現在很多數據採集系統要求較高的精度，同時要求 可以適應不同的信號形式，例如可以連接電流信號、電 壓信號，信號的範圍也不同，常規的方法是採用複雜的 電路處理再進行數據採集，這樣不僅增加了硬體成本， 還降低了系統精度。本系統設計的基於Cortex-M3處理 器和 LTC1859的 16位高精度數據採集系統，不僅可以 實現8路的電流信號的輸入，還可以實現8路電壓信號的 輸入，對輸入信號的範圍可以通過軟體來設置，同時 AD採集電路與Cortex-M3處理器採用了電源隔離和信 號隔離，提高了系統的可靠性。
LTC1859是ADI公司推出的一款高性能的具停機功 能的8通道、 16位、100 ksps的 AD轉換器,每個通道可 通過軟體實現 0~5 V，0~10 V，0~±5 V，0~± 10V的 不同範圍的輸入電壓，同時還可以實現單輸入和差分 信號輸入的選擇，每個通道可承受至±25 V的故障保 護。LTC1859的多路復用器可以配置為接受 4個差分輸 入、8個單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件 提供了卓越的DC性能，具有在整個溫度範圍內的15位無漏失碼和±3 LSB MAX INL。LTC1859與控制器之 間採用SPI總線進行通信。LTC1859用單5 V電源工作， 同時僅消耗40 mW功率。LTC1859還具有溫度係數為 ±1.0×10-5/℃的 2.5 V內部基準，如果需要較高的準確 度，還可以從外部驅動。對於那些對功耗敏感的應用， LTC1859提供了兩種斷電模式：打盹模式和休眠模式。
本系統的 Cortex-M3處理器為意法半導體公司推 出的32位RISC處理器STM32F103VCT6，主頻最高可 達72 MHz。該處理器具有256 kB的程序存儲器，48 kB 的RAM，同時它有8個定時器、5路串口、3路SPI、2 路I2C，具有獨立看門狗和窗口看門狗，非常適合於與 LTC1859構成高精度的數據採集和控制系統。
1 硬體系統設計
本系統設計了由 2片LM324運放和1片 LTC1859構 成 8通道的單端信號輸入。每片LM324含有4個運放，2 片LM324構成了8路信號調理電路，其中電阻實現電流 信號到電壓信號的轉換，當連接電壓信號時，該電阻 不連接。LM324為電壓跟隨器電路，這裡不再詳述。LTC1859的電路如圖1所示。本電路具有通用性，在實 際應用中性能穩定，效果很好。下面對電路進行詳細 分析。
LTC1859引腳中CH0~CH7是8路模擬輸入通道， 在本系統中構成了8路單端輸入信號。 MUXOUT+、 MUXOUT-為模擬復用器的正負輸出，把它們連在 ADC+、ADC-上進行正常操作。BUSY為輸出轉換 器的狀態，當正在轉換中為低，轉換結束變高，連在 ARM處理器的I/O口上，SDO為SPI總線的串行數據輸 出，接在Cortex-M3處理器的SPI接口的MISO引腳上， SDI為SPI總線的串行數據輸入，接在Cortex-M3處理器 的SPI接口的MOSI引腳上，SCK為SPI總線的時鐘，接 在Cortex-M3處理器的SPICLK上。RD為引腳SDO數字 輸出的能使信號，當RD為低能使輸出，當RD為高SDO 為高阻抗。在本系統中，該引腳連接至地，一直使能
LTC1859的輸出功能。CONVST為啟動轉換引腳。其它 引腳分別接電源、數字地、模擬地，在布線時注意數字 地和模擬地的分開，幾個電容推薦採用鉭電容，這樣可 以提高系統的精度。
2 隔離電路設計
為了提高系統的可靠性，本系統設計了電源隔離和 SPI總線隔離電路，使LTC1859採集電路與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 路的運行，大大提高了系統的可靠性。下面從2個方面 來重點介紹。
2.1 電源隔離
LTC1859的供電採用DC/DC變換器實現電源與 CPU電源的隔離。電源模塊採用廣州金昇陽公司的 B1212M-2M。B1212M-2M採用小型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 號調理電路中 LM324晶片供 電，後端電源採 用了L7805CV穩 壓，為LTC1859 供電。
2.2 SPI總線的 隔離是非常關 鍵的一部分
本系統採 用了專用的 SPI隔離晶片 ADUM1411。 它是ADI公司推 出的四通道數 字隔離晶片， 單晶片可以替 代 4 個光耦，採用晶片級脈衝變壓器磁耦合技術，施密特觸發器輸 入/輸出，隔離電壓2 500 V。與傳統的光耦隔離相比， 具有壽命長，節省PCB（印製板）面積等諸多優點。 每個ADUM1411晶片含有3路數字輸出和1路數字輸入 通道。由於LTC1859有5條控制線與Cortex-M3處理器 進行通訊，因此本系統選用了2片ADUM1411實現與 Cortex-M3處理器的完全隔離。電路如圖3所示。
3 軟體設計
系統採用SPI總線通信，軟體的關鍵是Cortex-M3處 理器和LTC1859之間的時序匹配，下面詳細介紹。
3.1 LTC1859軟體配置
LTC1859是在SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲， 這就要求Cortex-M3處理器在進行SPI初始化時採用上 升沿無延時模式。8位的控制字通過SDI輸入，用於配 置LTC1859以進行下一個轉換，同時前一個轉換輸出在 SDO上輸出，在數據交換的末端，在CONVST上施加1 個上升沿啟動被請求的轉換。轉換完成後，轉換結果將 在下1個數據傳送周期提供。LTC1859的8位命令控制字 在首8個SCK的上升沿按時間順序記錄到SDI輸入中， SDI隨後的輸入的位被忽略。8位的控制字含有對通道地 址、信號輸入範圍和斷電模式的控制，具體內容參見手 冊，這裡不再贅述。本系統中配置為8通道單端輸入方 式，信號輸入範圍默認配置為0~5 V，斷電模式設置為上電模式，不進入打盹和休眠模式。
3.2 Cortex-M3處理器SPI接口配置
Cortex-M3處理器的SPI接收設置為全雙工主模式。 為了一次可以讀取到LTC1859轉換後的16位的結果， SPI接收設置為16位模式。禁止軟體NSS功能，SPI的速 率默認設置為256分頻後的速率，實際應用可以根據需 要進行更改。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; //空閒時為低電平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //上升沿無延遲模式
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //禁止軟體NSS功能
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_ BaudRatePrescaler_256; //SPI速率設置
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //高位先發
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}
3.3 模數轉換採集
下面詳細介紹軟體編寫，SPI總線的時鐘很快，既 可以採用中斷方式，也可以採用查詢方式。本系統採用查詢方式，其軟體流程如圖 4所示。
程序原始碼及其詳細注釋如下，該函數的入口參數 為通道號，即為0~7，函數根據通道號讀取該通道的數 據，同時將該數據值返回，其中部分函數為STM32的庫 函數，這裡不再詳細講述。
u16 ReadADC1859(u16 channel)
{
u16 control_code;
control_code=Get_Control_Code(channel);//根 據通道計算控制字
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_TXE) == RESET); //等待發送緩衝器為空
SPI_I2S_SendData(SPI1,control_code); //發送 控制字
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_RXNE) == RESET);//等待接收緩衝器變非空
temp_value = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); / / 讀取數據
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);//convst 置低
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //convst 置高啟動一個轉換
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); //等待發送緩衝器為空
SPI_I2S_SendData(SPI1,control_code); //發送 控制字
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_RXNE) == RESET);//等待接收緩衝器變非空
temp_value = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); / / 讀取數據
return temp_value; //數據返回
}
4 結論
本系統成功實現了基於STM32處理器和LTC1859的 16位高精度數據採集系統，給出了全新實用的硬體和軟 件設計，適用於不同信號類型和電壓範圍變化較大的數 據採集系統。該系統精度高，成本低，可靠性高，具有 一定的應用推廣價值。
參考文獻：
[1] LTC1857/LTC1858/LTC1859 DataSheet[EB]. Linear Corp, 2004.
[2] 李軍民,祝紅軍,王瑞.基於DSP和LTC1859數據採集系統設計 [J].微計算機信息,2010,26(02):115-117.
[3] 陳東升,高俊俠,胡科堂.基於STM32的遠程溫控系統設計[J].電 子產品世界,2011(5):30-32.
[4] 王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理及實踐[M].北京:北京 航空航天大學出版社,2008.
本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第43頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。