1、 分类号： TN431.2 单位代码： 10110 学 号： s20110301 中 北 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于 STM32 的数据采集存储系统 的设计与实现 硕士研究生 赵圣飞 指导教师 李永红 教授 学科专业 测试计量技术及仪器 2014 年 5 月 23 日 基于STM32的数据采集存储系统的设计与实现 赵圣飞 中北大学 华北 图书分类号 TN431.2 密级 非密 UDC 硕 士 学 位 论 文 基于 STM32 的数据采集存储系统的设计与实现 赵圣飞 指导教师 (姓名、职称 ) 李永红 教授 申请学位级别 工学硕士 专业名称 测试计量技术及仪器 论文提交日期 年 月 日
2、 论文答辩日期 年 月 日 学位授予日期 年 月 日 论文评阅人 答辩委员会主席 年 月 日 原 创 性 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论 文作者签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；
3、 学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 (保密学位论文在解密后遵守此规定 )。 签 名： 日期： 导师签名： 日期： 中北大学学位论文 基于 STM32 的数据采集存储系统的设计与实现 摘 要 各类飞行器、武器系统从最初的系统方案论证，到各个阶段的研制过程及最后的定型试验，需要对飞行试验过程中的振动、过载、转速、各个系统模块的电源参数、状态参数、控制和位置图像信息等进行采集存储，通过对这些信息进行综合分析来评测系统采用的制导策略的正确性和系统性能的优劣性，以完成系统方案的不断设计改进。而这些工作， 往往通过在飞
4、行器和武器系统上安装能够采集存储飞行试验过程多种数据的采集存储系统来完成的。 本文在数据采集存储理论研究和工程系统设计原则基础上，针对某型号飞行测量系统的相关设计指标要求，设计了基于 STM32 微处理器平台的数据采集存储系统，其选用三星 K9F1G08U0C NAND Flash 作为存储单元，采用 USB 接口方式实现与 PC 上位机之间的数据传输，实现了 16 路模拟信号采集存储、 4 路 RS422 串口信号、 1 路 TTL 串口数据的接收存储及对试验过程中采集存储数据的回读、解包分析和图形化显示等功能。 本文首先分析讨 论了该数据采集存储系统的总体设计方案、关键技术及其解决方案，详
5、细阐述了硬件部分各组成模块的设计方法，并从模拟通道信号采集、串口数字量转换接收、电源转换、主控单元、 Flash 存储、触发判断和工作模式选择、程序调试与下载和 USB 接口通信模块等几个方面给出了相应的电路设计和详细说明；其次，对系统软件部分的设计进行了详细的论述，包括系统的时序控制、多串口和不定长度串口数据的接收、对有特殊要求的数据编码存储的实现、 DMA 方式传输、乒乓缓存接收存储和 USB 通信程序设计等，对上位机数据读取与分析软件也进行了介绍；最后对该 系统模拟通道信号的标定、功能测试方法和实际飞行试验情况也作了一定的说明。 本文设计的基于 STM32 的数据采集存储系统具有体积小、
6、功耗低、高可靠性、抗高过载、抗干扰能力强等特点。目前，已经在某型号飞行测量系统中得以应用，通过对相关靶场试验数据的综合分析，表明该数据采集存储系统基本满足设计的指标和高可靠性要求。 关键词： STM32，数据采集，数据存储， USB 通信，可靠性 中北大学学位论文 Design and Realization of Data Acquisition and Storage System based on STM32 Abstract From the initial system scheme demonstration to the development of each stage and
7、 final qualification test, for various types of aircrafts and weapon systems, there is the need for acquiring and storing a lot of data information, which including vibration during flight testing, overload, speed and other parameters, the power parameters of each system module, state parameters, co
8、ntrol and the image position. Through a comprehensive analysis of this information, it provides a way to evaluate the correctness of the guidance strategy and the merits of the system performance, thus completing constant improvement of the system scheme. And to obtain such target, the acquisition a
9、nd storage system that could record data parameters during the flight test procedure should be mounted on these aircrafts and weapon systems. On the basis of theory research for data acquisition and storage system and design principles for engineering system, and for technical specifications of a ce
10、rtain kind of flight measurement system, this thesis is intended for a data acquisition and storage system based on STM32, which uses Samsung K9F1G08U0C NAND Flash as the medium for storage, USB interface to realize the communication between the hardware and PC. It achieves the acquisition and stora
11、ge for 16 channel analogy signals, 4 channel RS422 digital signals and 1 TTL signal. And it also accomplishes the data-reading, unpacked analysis and graphical display after the flight test. This thesis first analyzes the overall design scheme of the data acquisition and storage system, key technolo
12、gy and its solution. And it elaborates the design method of constituent modules for hardware in detail and outputs the circuit design and detail description from the aspect of the acquisition of analogy signal channel, digital signal conversion and receiving, power supply conversion, main control, F
13、lash storage, trigger judgment and working mode 中北大学学位论文 selection, program debugging and downloading and USB interface communication module. Then the software design is discussed in detail, which including the timing control of system, receiving of multiple and uncertain-length serial port data, th
14、e realization of special requirements for data encoding and storage, DMA transfer, Ping-pang receiving and storage and USB communication procedure. The PC data reading and analysis software is also introduced. Finally, the analog channel signal calibration, functional testing method and actual fligh
15、t test situation of the system are also illustrated. The data acquisition and storage system designed in this thesis have been promoted in a certain kind of flight measurement system. After the analysis of the relevant live shell test result, it is manifested that the system designed basically lives
16、 up to the demands of related index, which is featured with small size, low power consumption, high reliability, overload resistant and high interference resistant. Key words: STM32, Data acquisition, Data storage, USB Communication, Reliability中北大学学位论文 I 目 录 1 绪论 1 1.1 课题来源、研究目的及意义 . 1 1.2 国内外研究现状
17、. 2 1.2.1 国 外研究现状 2 1.2.2 国内研究现状 4 1.2.3 发展趋势 5 1.3 主要研究内容及章节安排 . 6 2 系统设计方案及关键技术研究 . 8 2.1 系统总体设计 . 8 2.1.1 系统设计技术指标 . 9 2.1.2 系统主控单元及相关接口 9 2.1.3 系统总体设计概述 10 2.2 需解决的关键技术问题 . 11 2.2.1 系统采样时序控制和状态转换 11 2.2.2 系统重复上电和特殊存储要求设计 12 2.2.3 多串口数据的接收与存储 14 2.2.4 USB 接口数据传输设计 . 15 2.2.5 系统抗干扰性设计 17 2.2.6 系统结
18、构可靠性设计 18 3 系统硬件电路设计与实现 . 20 3.1 系统总体硬件组成 . 20 3.2 模拟数据采集模块设计 . 20 3.2.1 信号调理电路设计 . 21 3.2.2 看门狗触发电路设计 . 21 3.3 数字量采集模块设计 . 22 中北大学学位论文 II 3.4 模式选择电路设计 . 24 3.5 主控模块设计 . 24 3.6 存储模块设计 . 25 3.7 电源模块设计 . 27 3.8 USB 接口电路设计 29 3.9 程序调试与下载接口设计 . 31 4 系统软件设计 33 4.1 系统软件设 计概述 . 33 4.2 DMA 传输和乒乓缓冲采集存储 . 34
19、4.3 FLASH 数据存储设计 35 4.3.1 坏块动态检测与更新 36 4.3.2 FLASH 存储的写操作 . 37 4.3.3 FLASH 存储的读操作 . 38 4.3.4 FLASH 存储的擦除操作 . 39 4.4 USB 通信软件设计 39 4.5 上位机读数分析软件 44 4.5.1 上位机读数软件功能 44 4.5.2 软件相关操作 44 5 系统功能测试与试验分析 47 5.1 模拟通道信号标定 . 47 5.2 系统功能测试与分析 . 49 5.3 系统飞行试验结果分析 . 52 结 论 54 参考文献 57 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究 成果 61 致
20、谢 中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 课题来源、研究目的及意义 新型飞行器及制导武器系统的研制，从方案论证到最后的产品定型，需要通过进行大量的飞行试验，获取相关数据，以对系统的各项性能指标进行评估。而对于一个复杂的系统来说，若飞行试验过程中缺少应有的记录存储单元，对于出现的故障或者试验情况，就无法获取关键的数据，这样就阻碍了飞行器的性能优化和改进，同时也浪费了大量人力、物力。任何一种新型号飞行器从方案论证到最后的定型 ，都需要经过大量的单体试验、系统试验和飞行定型试验，整个试验过程中的各项试验数据就显得十分重要，只有通过对这些试验数据的分析，才能对飞行器已达到的性能指标有明确的把握，以对
21、进一步的系统方案改进提供合理、有效的指导 1。因此在实际进行的各类飞行和武器系统的试验中，往往需将系统在飞行过程中的诸项状态参数以及其它关键的数据参数借助各类采集存储系统予以实时的采集存储，在完成飞行试验后，再进行存储系统的回收、数据的处理与分析。各类数据采集存储系统的研究和设计满足了这些飞行和武器系统的应用需求，因而在实际的飞行试验中 得到了很好的利用，而多种复杂、苛刻的要求也使得对这些数据采集存储系统的研制在不断地发展。数据采集存储系统装置在系统进行飞行试验前，将进行合理有效的设计，例如质量和质心位置等，之后被放置在系统内有限、合理的空间内，在关键的部位与搭载的系统进行可靠的连接，随系统一
22、并发射出去后，将对整个飞行过程中各项数据参数进行实时的采集和存储，待飞行试验结束后再对其回收，通过读取数据和对数据处理分析，以对设计的目标系统的性能进行进一步的优化和改进 2,3,4,5。 而近年来，随着各类嵌入式系统的快速发展，也为其在采集存储系统 的研制上提供了一种新的思路方法和解决方案，基于 Contex-M3 架构的 ARM STM32 微处理器，其具有性能一流、接口方便、功耗超低、集成度高和开发高效等诸多优点 6，其以强大的功能在这数据采集存储领域也得到了很好的应用，各种高速、灵活、新型的数据采集存储系统不断涌现，为新型采集存储系统的研制和其性能的提升、功能的丰富提供了新的可能。 S
23、TM32 微处理器芯片是 32 位的嵌入式芯片，具有高精度、高速等优点 7,8,9，可以获得较高的采集精度及可靠的采样数据，具有较高的性价比；另外，嵌入式系统具有的中北大学学位论文 2 良好的可移植 性也为今后系统功能的进一步扩展提供了极大的方便 10。 本课题基于某型号飞行测量系统的设计需求和相关技术指标，是针对该飞行测量系统上关键数据的采集存储及回读、分析处理而设计的数据采集存储系统。该系统是由信号采集模块、存储模块和上位读数分析软件组成，以 ST 公司的 STM32F103VC 微处理器作为主控单元，选用三星公司的 NAND FLASH K9F1G08U0C 作为存储单元，完成对该飞行测
24、量系统在飞行试验过程中的过载、转速、电压、点火脉冲等 16 路模拟信号的采集存储、 4 路 RS422 控制数字量信号和 1 路 TTL 串口 数据的采集存储，并通过 USB接口实现飞行试验后通信命令的下达以及存储数据的传输至上位 PC 机中进行数据的分析与处理。 作为飞行测量系统中的一个重要组成部分，在整个飞行试验过程中，该数据采集存储单元能够对系统中的多项关键数据进行实时采集与存储，并能在系统飞行试验结束后，将系统残骸能够可靠回收，保证采集存储的数据能够有效、完整、准确地读取。该数据采集存储系统硬件电路与保护外壳采用整体灌封的方法，在结构上进行专门的可靠性设计，因此可承受发射和飞行中的高冲
25、击、振动以及落地瞬间的高过载，使得其在高过载等恶劣的环境中仍能 有效地获取飞行试验数据 11,12，为飞行测量系统的研制提供了可靠的数据源保障，大大加快了飞行系统的研制过程，有效地减少了多种风险，为同类其他数据采集存储系统的设计与研制提供了有益参考与指导。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 在国外，从上世纪 70 年代末，首先在军用方面固态数据记录仪上研制发展到今天，随着多项技术的不断发展，存储芯片逻辑控制时序复杂以及读写速度慢等问题的解决，以及断电后存储数据得以保存、集成化程度高、低功耗和价格合理等优点也促使其在多个领域得以应用 1。数据采集存储装置的数据 存储容量已从 M
26、级到 G 级，在某些海量数据存储应用领域甚至发展到了以 T 为单位，存储介质的使用包括静态存储器 (SRAM)、动态存储器 (SDRAM)和 FLASH 存储器等，其应用领域也在不断扩展，从军事上的应用逐步发展到了到民用领域，并且在武器系统、无人机、卫星、航空、航天、深海探测等方面也有很多的应用，另外，一些在特殊、恶劣环境要求下的记录仪产品也不断出现。 中北大学学位论文 3 在国外，以美国的 CALCULEX 公司、法国的 ETEP 公司等为代表的一些公司引领其发展趋势，在多种高性能数据采集存储装置的研制和设计方面处于相对领先的地位，具有 一定技术优势和影响力。 其中， CALCULEX 是世
27、界领先的高速数字仪器记录器的前端电子生产商，其研制的数据记录仪接口产品以及支持软件通过提供最低成本的途径来进行数据的采集和存储。该公司拥有记录仪有 CSR-2050、 CSR-2100、 CSR-2300(V2)、 CSR-2300(V3)和CSR-6601 等系列化产品，以 CSR-6601 为例，这是一款高速、多通道的数字视频和数据记录仪，拥有 800 MB /秒的持续带宽，存储容量高达 4T，该产品相关的具体的指标如下 13： 图 1.1 CSR-6602 数据记录仪 模块存储容量达 4TB 800MB/s 的持续数据读写操作 系统控制器双 I/O 选择 ETEP 公司成立于 1979
28、年，在数据采集和存储系统研制方面具有 35 年的行业经验，是恶劣环境下信号采集领域的领导者，提供的采集记录装置种类众多，涵盖航空、航天、武器和无人机系统。 S800 是其研制的一款高速、串行前端数据端口 (串行 FPDP)机载数据记录仪，数据传输速率从 50MB/s 到 800MB/s 范围变化，存储容量有从 512 GB 到 8 TB不等可供选择，目前支持 1.0625 G/s、 2.125 G/s、 2.5 G/s 三种不同 的速率，若采用光纤电缆传输，其距离可以达到 10 公里以上 14。 另外，美国 Agilent 公司生产的一款 U2300A 系列 USB 模块化多功能数据采集装置，
29、其相关技术指标如下：采用高速 USB 2.0 接口，支持 12-16 位的采样精度，拥有模拟输中北大学学位论文 4 入通道数目为 64 个， 200K 到 1M 可供选择的单通道的采样率 15。 图 1.2 S800 高速数据记录仪 1.2.2 国内研究现状 与国外各种复杂、高可靠、高性能的数据采集存储系统相比，由于我国数据采集记录装置的研究和设计起步较晚，在诸多技术层面相对比较落后，一些性能参 数指标相对较低。直到 20 世纪 70 年代末，才开始在航天、航空和军用领域研制一些弹载、航天用数据记录仪，并且大多数是作为整套系统的配套测试单元使用，主要用于记录各类飞行器和武器系统在研制过程中，在
30、飞行试验中系统的过载、压力、振动、电池电压、图像和转速等信息状态参数 16。 在国内，近些年来，中北大学在数据记录仪方面的研究取得了一系列科研成果，在国内数据采集存储方面处于相对领先的地位，所设计的数据采集存储器的信号采样频率范围从 Hz 提高到 MHz，数据存储量大小也从 MB 扩大到了 GB，采用的主控处理平台由从单一的单片 机系统，已经逐渐发展到 FPGA 与 DSP 等多平台联合使用，这些都大大提高了数据记录仪的性能和可靠性，无论是在高过载、高冲击、高低温等各种恶劣环境下，还是在各种飞行试验、炮击等试验中，这些数据采集存储装置都能发挥其应有的采集存储功能并都能取得良好的试验结果，为我国
31、在载人航天工程、探月工程的进行提供了可靠的数据采集存储保证 1,22。 山西科泰微技术有限公司设计生产的一系列数据记录产品 广泛应用于航天、航空、船舶、兵器、石油勘探、地震监测等 多个 领域 ，它们具有灵活可靠、尺寸小、方便携带、多个采集通道、较高的采样频率 、抗高过载能力强等诸多特点 20。以其研制的一款DRV300 船用 数据保护容器 为例，能够记录存储 船舶发生事故前后 相当 一段时间 如 声音、中北大学学位论文 5 位置、物理状况、命令和操纵等 关键 信息 ，能够 承受 在使用中的诸如 冲击、振动、穿刺、碰撞、高低温和深海沉浸等 多种 极端恶劣 环境 条件， 同时其还具有 尺寸小、重量
32、轻 、方便安装运输 等特点 17。 图 1.3 DRV300 数据保护容器 1.2.3 发展趋势 随着嵌入式系统、微电子系统和半导体技术的不断发展和多技术的日益成熟，数据采集存储系统的研制和设计也在快速地发展。在未来几年，数据采集存储系 统将会主要在以下几个方面取得更大的突破和发展： (1) 海量数据存储 卫星、航天、航空等众多领域的实际应用对数据采集存储系统的容量要求越来越高，尤其是近年来，在高清图像信息采集存储应用中，对存储容量的要求更高。随着新型机械加工制造工艺的快速发展，未来的存储介质将具有更小的体积、更高的存储密度和更大的单片存储容量。 (2) 高速、可靠的数据传输 模拟、数字数据采
33、集通道数量的不断增加和模拟通道采样率、采样精度要求的不断提高，这将使得采集和存储的数据容量快速增加，要求数据系统具有高速的传输速率，同时能保证数据传输中数据的准确 与完整性，高速 USB 技术甚至光纤传输技术会在数据传输中得到进一步的发展和应用。 (3) 低功耗 在能源逐渐成为稀缺资源的年代，低功耗具有很大的优势，也使其在偏远、恶劣的环境下得以长期工作，减少了对人员的依赖和能量的消耗。 中北大学学位论文 6 (4) 自带操作系统 随着嵌入式系统的不断发展，未来的采集存储系统将会通过附带各种操作系统，以实现更加复杂的功能，多线程技术将会得以实现，以满足不同领域的多种需求。 1.3 主要研究内容及
34、章节安排 本文在数据采集存储技术理论研究的基础上，结合在山西科泰微技术有限公司实习参与的相关项目经历，论述了基于 STM32 的数据采集存储系统的总体设计及其实现方法，阐述了在实现该系统设计中涉及到的关键技术及其解决方案，包括电源转换电路、模拟通道信号调理电路、系统触发和模式选择电路、 RS422 转换电路、程序调试与下载电路、 USB 接口电路等硬件部分电路的设计以及有特殊要求的数据存储部分的软件设计思路、 PC 上位机读数软件设计；同时对系统采用的一些可靠性设计、模拟通道信号标定和系统功能的测试方法也进行了说明。最后，结合实际进行的靶场试验数据对设计的系统的性能进行了分析。 具体的章节内容
35、安排如下： 第一章 ：阐述了基于 STM32 数据采集存 储系统设计的课题背景、研究设计的意义和目的，通过利用图书馆、互联网等多种途径查阅一定量的资料和数据，对数据采集存储系统的国内外研究现状进行了调研和分析，对其主要的研究设计方向作了一定的趋势分析。 第二章：结合某型号飞行测量系统的设计任务书，阐述了基于 STM32 的数据采集存储系统的总体设计思路和指标要求，提出了系统设计中涉及的关键技术和解决方法，包括系统工作时序、重复上电数据保护方法、特殊数据存储和存储分区、多串口和一帧数据长度不定的串口数据接收以及系统的可靠性设计等方面。 第三章：介绍了整体系统硬件部分的设 计思路与具体实现方法，包
36、括该数据采集存储系统的硬件系统组成、系统工作时序以及各个硬件模块电路的设计，着重从系统电源转换模块、微控制器主控模块、 Flash 存储、系统发射触发和工作模式判别模块、模拟通道信号采集、串口数字量转换接收、 USB 接口通信模块和程序调试与下载电路设计等方面进行详细的设计说明和阐述。 第四章：在系统软件设计部分中，详细阐述了系统硬件部分相关的程序实现和上位中北大学学位论文 7 机读数软件的设计流程以功能，对模拟通道数据采集及串口数据的 DMA 传输和乒乓缓存采集存储、 USB 接口部分程序设计等具体的代码实现过程。最后 ，对上位机数据读取与分析软件的设计也进行了一定的介绍，包括软件的基本功能
37、和相关操作。 第五章：介绍了本系统模拟通道信号标定的方法、系统功能测试的方法以及实际的测试结果，并结合靶场飞行试验获取的相关数据，对系统的性能作了一定的分析。 第六章：总结了本文所完成的设计内容，指出了论文设计中还存在的一些不足和待完善的地方，并对课题下一步的研究方向作了一定的展望。 中北大学学位论文 8 2 系统设计方案及关键技术研究 2.1 系统总体设计 2.1.1 系统设计技术指标 本数据采集存储系统主要实现对飞行试验过 程中 16 路模拟通道信号的采集存储以及 5 路串口数字量的接收存储，并在试验结束后，通过 USB 接口完成对采集存储数据的读取，利用上位机读数软件进行通道数据的标定等
38、分析处理、图形化显示等操作。具体的设计技术指标如下： 16 路模拟通道信号具体设计指标： 完成脉冲信号、加计信号参数、陀螺信号参数、搭载物输出 、系统供电 等 16 路模拟量的采集存储，路采样频率 1KHz；通道信号的采样精度为 12 位。 采集精度和阻抗要求 采编器幅度采集精度：优于满量程的 1%； 采编器时标要求： 16 路模拟信号具有一致的时间轴； 采编器定时精度 ：优于 0.5%； 信号通道阻抗： 200K； 各通道与壳体之间绝缘电阻 20M； 控制量数字信号指标： 第 1 路异步串行数据：波特率 115200bps， RS422 差分信号， 16 个字节一帧，每隔20ms 一帧数据；
39、第 2 路异步串行数据：波特率 230400bps， RS422 差分信号， 22 个字节一帧，每隔 2ms 一帧数据；第 3、 4 路异步串行数据：波特率 38400bps， RS422 差分信号， 10 个字节一帧，每 50ms 一帧数据；第 5 路异步串行数据：波特率 38400bps， TTL电平信号，每次 4 个字节，共发送 7 次； 其 它相关的系统技术指标和要求： 能保证获取的系统整个飞行试验过程中采集储存的数据信息的真实和有效性；若系统出现重复上电时，能够保证前次记录数据不被新的数据覆盖；对于试验过程中记录的数据能长时间保存，可进行多次数据反复读取和分析； 工作电源要求：外部热
40、电池供电，电压 12V 10%； 中北大学学位论文 9 电磁兼容能力：满足 GJB151、 GJB152 规定的相关要求； 输入信号的电压范围 ： 0 +5V， 0 +12V； 输入端阻抗不小于 1M； 记录时长：发射前采集存储时间不小于 5s，发射后不小于 245s； 最大记录容量 32MByte； 持续 10ms 的 10000g 的正向过载， 40-70g 横向过载； 工作环境温度： -40 +50； 通过 USB 接口实现数据传输； 2.1.2 系统主控单元及相关接口 结合以上系统技术指标要求，系统设计中选用 ST 公司的 32 位 STM32F103VCT6型微控制器作为主控单元模块
41、，其具有低功耗、低成本和高性能等特点，提供 时钟、复位和电源管理 功能。在实际的系统功能编程中，官方提供了丰富的固件库函数，把用户从操作底层寄存器中解放出来，大大加快程序的开发和设计速度，提高了开发的效率。另外，该系列芯片提供了 十分丰富的外设功能模块，具体包括 18,19： 支持定时器 、 ADC、 DAC， SPI、 I2C 和 UART 等外设的 12 通道 DMA 控制器 ； 2 个 12 位的 us 级 、 测量范围 为 0-3.6V、具有 双采样和保持能力 的 A/D 转换器 ，总转换通道可达到 18 个； 最多多达 11 个定时器 ，包括 4 个 16 位定时器 、 2 个 16
42、 位的 6 通道高级控制定时器 、 独立看门狗和窗口看门狗 2 个看门狗定时器、 1 个 24 位倒计数 的 Systick 定时器 ； 最多多达 13 个通信接口 ，包括 2 个 I2C 接口 、 5 个 USART 接口 、 3 个 SPI 接口 、 CAN接口 、 USB 2.0 全速接口 和 SDIO 接口 。 其丰富的外设功能模块，已经能够满足该系统设计的实际需要，无需再进行其它功能模块的扩展，大大减小了系统的体积和复杂程度，使得系统的设计很好满足工程设计的内聚原则，一定程度上保证了系统功能的可靠、稳定地实现。 另外，根据模块化原则进行接口的划分，本文设计的数据采集存储系统共涉及到模
43、拟信号的采集、多路串口数字信号的接收存储和存储数据的 USB 传输，因此主要包括 3种输入、 1 种输出接口，分别为热电池输入接口、模拟信号输入接口、串口数字量输入中北大学学位论文 10 接口和 USB 通信接口。热电池通过电池输入接口为采集存 储系统提供 12V 供电电压， 5路串口数字量，包括 1 路 TTL 电平和 4 路 RS422 信号，通过数字量接口进行数据的接收存储， 16 路模拟信号通过模拟量输入接口进行数据采集存储， USB 通信接口负责与上位机读数软件通信进行命令的交互以及完成存储数据快速、准确、可靠地传输。 2.1.3 系统总体设计概述 结合系统设计任务书的要求和技术指标
44、，在设计中按照模块化、高集成度、易扩展性原则进行。本文所设计的数据采集存储系统主要由数据记录仪和上位机读数软件组成。整个系统的硬件部分根据模块化功能原则，包括多个单元模块，可对单个模块进行测 试，但又根据时序控制，存在着一定的联系，这既利于整个系统的设计、调试，又有助于系统功能的进一步扩展 1。而软件的设计以硬件电路为基础，结合系统所要实现的功能，在设计过程中遵循功能实现最完备原则展开。 根据系统实现的功能，分为以下 3 个模块：电源和 USB 接口电路模块、信号调理模块以及 STM32 主控采集存储模块。外部 12V 电源电压输入后，通过电源电路模块转换后到采集存储各模块所使用的 5V、 3
45、.3V 电压端。 该数据采集存储系统具体的工作过程如下：系统上电初始化后，先通过模式判别端口的高低电平情况进行判断，进入相应 的功能实现模块，若处于飞行数据采集记录状态，则 STM32 主控制单元开始控制 AD 模数转换采集 16 路模拟量，首先进入上电系统发射前的采集记录模式，此时，不断进行系统各项参数的采集，循环进行数据的存储，而当70g 的加速度传感器检测到的 15g 以上的过载触发信号后，系统进入发射后的数据采集存储模式，同时开始接收 4 路 RS422 串口数字量以及 1 路 TTL 电平串口数据，在 STM32内部将采集到的模拟量和串口数据通过 DMA 方式传输到相应内存中，然后利
46、用乒乓缓存方式实现数据的交替采集存储，将数据完整地写入相应的 FLASH 存储区域 。若数据采集存储系统判断的是进入地面读取存储数据的状态，则处于等待上位机的发送读数命令状态，当与上位机建立一系列正确的握手通信后， STM32 主控单元将读取 FLASH 相应存储单元中试验数据并通过 USB 接口上传这些数据到 PC 上位机中进行存盘，以进行试验数据的分析、处理和图形化显示。本文设计的数据采集存储系统的整体组成原理框图如图 2.1 所示： 中北大学学位论文 11 S T M 3 2 微 控 制 器信 号 调 理电 平 转 换 电 路F L A S H 存 储 器P C 上 位 机U S B 接
47、 口模 式 选 择 电 路1 6 路 模 拟 信 号1 路 T T L 电 平 信 号触 发图 2.1 系统整体组成原理框图 2.2 需解决的关键技术问题 2.2.1 系统采样时序控制和状态转换 根据前面所述相 关设计要求和指标， 16 路模拟信号通道的采样频率要为大于 1KHz，在采样过程中，往往会有干扰产生，在本系统中将采用软件滤波处理的方法，对各个通道进行多次采样，求其平均值作为其采样值，以提高采样的准确性。因此，本系统的采样时序由 STM32 的通用定时器 2 的 PWM 功能模块产生 5KHz 的定时频率，来完成对各通道多次采样的目的。通过相关的计算可知，实现 5KHz 的 PWM
48、输出，在系统时钟为 72MHz 时，定时器时钟配置 0.2MHz 下，定时器寄存器初值应设置为 40，经过仿真实验和示波器实际观察可知，该指标能够满足系统的设计和使 用要求。 另外， STM32 内部的 ADC 模块，最多有 18 个外部通道，可同时完成 16 路外部模拟信号、 1 路内部温度传感器和 1 路参考电压的 AD 转换。各通道可以配置为单次、扫描、连续和不连续等模式，并且各通道的采样时间都可以单独设置。若将 ADC 模块的时钟配置为最大的 14MHz，则单个通道完成 AD 转换的时间为 1s19。 综合考虑系统实现的功能，本数据采集存储系统包括飞行记录或地面读数判别状态、发射前数据采集存储状态、发射后数据采集存储状态、低功耗状态、地面读取数据通信状态和存储数据的保持状态等 6 种工作状态。系统上 电初始化后首先进入地面读数或飞行记录模式的识别状态，若判断为飞行采集记录状态模式，系统首先处于发射前的数据循环采集存储状态，当 70g 加计检测到一定的过载触发信号后，系统将进入发射后数据采集存储状态，而当采集的时间结束，记录完成后，进入低功耗模式，断电后系统中北
