产品介绍

　　摘  要：现在很多采集系统要求较高的精度，而且信号形式、范围也有所不同，处理电路比较复杂，硬件成本 高。为了解决该问题，设计了基于STM32和的16位高精度数据采集系统，详细介绍了软硬件设计。此 系统不仅可以实现8路电流信号的单端输入，也可以实现8路电压信号的单端输入，成本低，精度高。

　　现在很多数据采集系统要求较高的精度，同时要求 可以适应不同的信号形式，例如可以连接电流信号、电 压信号，信号的范围也不同，常规的方法是采用复杂的 电路处理再进行数据采集，这样不仅增加了硬件成本， 还降低了系统精度。本系统设计的基于Cortex-M3处理 器和LTC1859的 16位高精度数据采集系统，不仅可以 实现8路的电流信号的输入，还可以实现8路电压信号的 输入，对输入信号的范围可以通过软件来设置，同时 AD采集电路与Cortex-M3处理器采用了电源隔离和信 号隔离，提高了系统的可靠性。

　　LTC1859是ADI公司推出的一款高性能的具停机功 能的8通道、 16位、100 ksps的 AD转换器,每个通道可 通过软件实现 0~5 V，0~10 V，0~±5 V，0~± 10V的 不同范围的输入电压，同时还可以实现单输入和差分 信号输入的选择，每个通道可承受至±25 V的故障保 护。LTC1859的多路复用器可以配置为接受 4个差分输 入、8个单端输入、或差分与单端输入的组合。该器件 提供了卓越的DC性能，具有在整个温度范围内的15位无漏失码和±3 LSB MAX INL。LTC1859与控制器之 间采用SPI总线 V电源工作， 同时仅消耗40 mW功率。LTC1859还具有温度系数为 ±1.0×10-5/℃的 2.5 V内部基准，如果需要较高的准确 度，还可以从外部驱动。对于那些对功耗敏感的应用， LTC1859提供了两种断电模式：打盹模式和休眠模式。

　　本系统的 Cortex-M3处理器为意法半导体公司推 出的32位RISC处理器STM32F103VCT6，主频最高可 达72 MHz。该处理器具有256 kB的程序存储器，48 kB 的RAM，同时它有8个定时器、5路串口、3路SPI、2 路I2C，具有独立看门狗和窗口看门狗，非常适合于与 LTC1859构成高精度的数据采集和控制系统。

　　本系统设计了由 2片LM324运放和1片 LTC1859构 成 8通道的单端信号输入。每片LM324含有4个运放，2 片LM324构成了8路信号调理电路，其中电阻实现电流 信号到电压信号的转换，当连接电压信号时，该电阻 不连接。LM324为电压跟随器电路，这里不再详述。LTC1859的电路如图1所示。本电路具有通用性，在实 际应用中性能稳定，效果很好。下面对电路进行详细 分析。

　　LTC1859引脚中CH0~CH7是8路模拟输入通道， 在本系统中构成了8路单端输入信号。 MUXOUT+、 MUXOUT-为模拟复用器的正负输出，把它们连在 ADC+、ADC-上进行正常操作。BUSY为输出转换 器的状态，当正在转换中为低，转换结束变高，连在 ARM处理器的I/O口上，SDO为SPI总线的串行数据输 出，接在Cortex-M3处理器的SPI接口的MISO引脚上， SDI为SPI总线的串行数据输入，接在Cortex-M3处理器 的SPI接口的MOSI引脚上，SCK为SPI总线的时钟，接 在Cortex-M3处理器的SPICLK上。RD为引脚SDO数字 输出的能使信号，当RD为低能使输出，当RD为高SDO 为高阻抗。在本系统中，该引脚连接至地，一直使能

　　LTC1859的输出功能。CONVST为启动转换引脚。其它 引脚分别接电源、数字地、模拟地，在布线时注意数字 地和模拟地的分开，几个电容推荐采用钽电容，这样可 以提高系统的精度。

　　为了提高系统的可靠性，本系统设计了电源隔离和 SPI总线采集电路与Cortex-M3处 理器电气完全隔离，外部输入信号不会影响到处理器电 路的运行，大大提高了系统的可靠性。下面从2个方面 来重点介绍。

　　LTC1859的供电采用DC/DC变换器实现电源与 CPU电源的隔离。电源模块采用广州金升阳公司的 B1212M-2M。B1212M-2M采用小型DIP封装，温度特 性好，隔离电 压1 000 V DC。 图2中12 V输出 电压为前端信 号调理电路中 LM324芯片供 电，后端电源采 用了L7805CV稳 压，为LTC1859 供电。

　　本系统采 用了专用的 SPI隔离芯片 ADUM1411。 它是ADI公司推 出的四通道数 字隔离芯片， 单芯片可以替 代 4 个光耦，采用芯片级脉冲变压器磁耦合技术，施密特触发器输 入/输出，隔离电压2 500 V。与传统的光耦隔离相比， 具有寿命长，节省PCB（印制板）面积等诸多优点。 每个ADUM1411芯片含有3路数字输出和1路数字输入 通道。由于LTC1859有5条控制线处理器 进行通讯，因此本系统选用了2片ADUM1411实现与 Cortex-M3处理器的完全隔离。电路如图3所示。

　　系统采用SPI总线通信，软件的关键是Cortex-M3处 理器和LTC1859之间的时序匹配，下面详细介绍。

　　LTC1859是在SCK的下降沿传输，上升沿被捕获， 这就要求Cortex-M3处理器在进行SPI初始化时采用上 升沿无延时模式。8位的控制字通过SDI输入，用于配 置LTC1859以进行下一个转换，同时前一个转换输出在 SDO上输出，在数据交换的末端，在CONVST上施加1 个上升沿启动被请求的转换。转换完成后，转换结果将 在下1个数据传送周期提供。LTC1859的8位命令控制字 在首8个SCK的上升沿按时间顺序记录到SDI输入中， SDI随后的输入的位被忽略。8位的控制字含有对通道地 址、信号输入范围和断电模式的控制，具体内容参见手 册，这里不再赘述。本系统中配置为8通道单端输入方 式，信号输入范围默认配置为0~5 V，断电模式设置为上电模式，不进入打盹和休眠模式。

　　Cortex-M3处理器的SPI接收设置为全双工主模式。 为了一次可以读取到LTC1859转换后的16位的结果， SPI接收设置为16位模式。禁止软件NSS功能，SPI的速 率默认设置为256分频后的速率，实际应用可以根据需 要进行更改。初始化代码如下：

　　下面详细介绍软件编写，SPI总线的时钟很快，既 可以采用中断方式，也可以采用查询方式。本系统采用查询方式，其软件流程如图 4所示。

　　程序源代码及其详细注释如下，该函数的入口参数 为通道号，即为0~7，函数根据通道号读取该通道的数 据，同时将该数据值返回，其中部分函数为STM32的库 函数，这里不再详细讲述。

　　本系统成功实现了基于STM32处理器和LTC1859的 16位高精度数据采集系统，给出了全新实用的硬件和软 件设计，适用于不同信号类型和电压范围变化较大的数 据采集系统。该系统精度高，成本低，可靠性高，具有 一定的应用推广价值。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第43页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。