CN110825005A - 一种基于stm32与lwip的数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于STM32与LWIP的数据采集系统，包括用于模拟数据采集及通信的下位机和用于数据显示、分析、存储的上位机，其中所述下位机由STM32系列微型控制器与A/D转换芯片组成，支持一路232通信、一路485通信、一路422通信，所述上位机基于LabVIEW系统实现，且STM32系列微型控制器通过自带的以太网控制器和LWIP TCP/IP协议栈与上位机通信、上传采集的数据。应用本发明的技术解决方案，优化了下位机的MCU和采集通道，大幅提速了执行指令的速率，同时简化了采集系统的前端设计；本发明突破了传统仅采用串口通信与上位机连接的局限，实现了网络通信功能和较高的数据传输速率，同时增加了多种可选的通信接口。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集系统领域，具体涉及一种基于STM32与LWIP的数据采集系统，能广泛应用于铁路检测，智能电网，温度监控，电机驱动等方面。
背景技术
随着工业自动化的不断高速发展，工业中各规模的不同领域均会产生大量的实时数据。而为了进一步提升效率、降低能耗，需要对该类数据系统性收集、分析，以此供给生产流程的调整依据等，并对可能引发的危机或安全隐患予以有效措施的应对。籍此，数据采集系统经过同步长足的发展，正在逐渐向高度知识化、智能化方向转变。
然而，传统负责数据采集作业的单片机一般用串口来与上位机进行通信。非但单片机本身性能略显不足，而且通信方式单一、性能上也带来了极大的挚肘。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于STM32与LWIP的数据采集系统，能够实现更多通道数据采集的同时，提升数据传输效率。
为实现上述目的，本发明具体采用的技术方案为：一种基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：包括用于模拟数据采集及通信的下位机和用于数据显示、分析、存储的上位机，其中所述下位机由STM32系列微型控制器与A/D转换芯片组成，支持一路232通信、一路485通信、一路422通信，所述上位机基于LabVIEW系统实现，且STM32系列微型控制器通过自带的以太网控制器和LWIP TCP/IP协议栈与上位机通信、上传采集的数据。
进一步地，上位机中所述STM32系列微型控制器采用Cortex M4内核的STM32F407ZET单片机，最高工作频率为168MHz，具有192K字节的SRAM，并扩展具有可变静态存储控制器FSMC。
更进一步地，所述STM32F407ZET单片机采用环形队列的数据结构。
更进一步地，所述STM32F407ZET单片机中的以太网控制器通过与外部PHY芯片相连，并通过网络接口与上位机相连，数据传输速率达10M/100Mbit/s。
进一步地，上位机中所述A/D转换芯片采用具有8个采集通道的AD7606芯片，且内置信号调理电路、输入端集成有抗混叠预制特性的滤波器。
更进一步地，所述AD7606芯片内部集成设有2.5V带隙电压基准和选接外部基准的缓冲电路。
与现有技术相比，应用本发明的技术解决方案，具有以下显著的技术效果：本发明优化了下位机的MCU和采集通道，大幅提速了执行指令的速率，同时简化了采集系统的前端设计；本发明突破了传统仅采用串口通信与上位机连接的局限，实现了网络通信功能和较高的数据传输速率，同时增加了多种可选的通信接口。
附图说明
图1为本发明系统的飞轮框架图。
图2为本发明系统上位机中AD转换芯片的功能框图。
图3为本发明基于MCU升级增加的485通信的原理框图。
图4为本发明基于MCU升级增加的422通信的原理框图。
图5为本发明基于MCU升级增加的以太网通信的原理框图。
具体的实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明数据采集系统采用ST公司的微型控制器STM32F407ZET单片机、亚德诺半导体公司的A/D转换芯片AD7606和NI公司的LabVIEW系统相结合的采集方案。其中STM32F407ZET单片机和AD7606芯片组成下位机，主要用于多通道地面向各类模拟信号采集数据，且STM32系列微型控制器通过自带的以太网控制器和LWIP TCP/IP协议栈与上位机通信、上传采集的数据；而基于LabVIEW系统主流的上位机，主要用于接收通信的数据，完成数据显示、分析和存储。
为更好地理解本发明系统创新的优越性，结合传统此类系统分别从上述各结合的构成部分特点来看。
首先从主MCU方面，相比传统的市面上大多数的Cortex M3内核的STM32F1单片机（以下简称F1），本系统采用Cortex M4内核的STM32F407ZET单片机（以下简称F4），各自的性能特点如下。
1）、F1最高主频72MHz，F4最高主频168MHz。F4具有单精度浮点运算单元，F1没有浮点运算单元。F4的具备增强的DSP指令集。F4的执行16位DSP指令的时间只有F1的30%~70%。F4执行32位DSP指令的时间只有F1的25%~60%。
2）、F1内部SRAM最大64K字节，F4内部SRAM有192K字节（112K+64K+16K）。F4有备份域SRAM（通过Vbat供电保持数据），F1没有备份域SRAM。F4从内部SRAM和外部FSMC存储器执行程序的速度比F1快很多。F1的指令总线I-Bus只接到Flash上，从SRAM和FSMC取指令只能通过S-Bus，速度较慢。F4的I-Bus不但连接到Flash上，而且还连接到SRAM和FSMC上，从而加快从SRAM或FSMC取指令的速度。
3）、F1最大封装为144脚，可提供112个GPIO；F4最大封装有176脚，可提供140个GPIO。F1的GPIO的内部上下拉电阻配置仅仅针对输入模式有用，输出时无效。而F4的GPIO在设置为输出模式时，上下拉电阻的配置依然有效。即F4可以配置为开漏输出，内部上拉电阻使能，而F1不行。F4的GPIO最高翻转速度为84MHz，F1最大翻转速度只有18MHz。F1最多可提供5个UART串口，F4最多可以提供6个UART串口。
其次从数据采集的初阶器件A/D转换芯片来看，采集系统不仅对电流、电压、功率、频率等参数采集的实时性和精确性要求较高，而且对采集的主要技术指标，如采样数率、分辨率、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力也有较高的要求。然而传统用传感器从其它待测设备采集信息的过程，非但采集速率不高，而且易受干扰。
如图2所示，本发明所用该AD7606为16位同步采样模数数据转换芯片，每个芯片有8个采集通道，能完全满足系统对采样的要求。它具有灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源以及高速并行接口、它采用5V单电源供电，不再需要正负双电源并支持真正的双极性信号输入。所有的通道均能以高达200kSPS的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压。
相比其他的采样芯片，AD7606有以下几个显著地优点：1）、前述通道扩容的优势。2）、简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。传统的逐次逼近型ADC，由于其采样电容的设计，模拟输入前端一般需要运算放大器来实现内部采样电容的驱动，正因为此电容的存在，其等效输入阻抗与采样频率相关，使得前端驱动运放的选择变得十分苛刻，而AD7606内部包含了高输入阻抗、低噪声的信号调理电路，其等效的输入阻抗与采样率完全无关。同时输入端集成了抗混叠预制特性的滤波器，使得前端设计中不再需要外部驱动和滤波电路，因此互感器输出的信号可以直接接入AD7606而无需再经过运放缓冲。3）、数字接口的电平为2.3V~5.25V，可以跟当前任何主流的MCU连接。4）、提供了过采样和数字滤波功能。通过管脚OS[2:0]可以设置过采样倍数（OSR）为：×2，×4，×8，×16，×32，×64。5）、不需要CLK时钟输入信号。6）、内部集成了2.5V带隙电压基准和基准缓冲电路，设计应用中可根据系统要求选用内置基准或外部基准。
再者，本发明基于上述主MCU的优化进一步实现了通信上的提升，并以此影响数据传输的有效性和可靠性。传统单片机采集系统只支持232串口通信，本身接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接，传输速率较低，异步传输波特率为20Kbps，接口使用一根信号线和一根信号线返回线而构成共地的传输形式。这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱，传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺。
本系统不仅保留了传统232通信方便软件调试，还增加了一路485通信和422通信，如图3和图4所示。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。RS485接口采用屏蔽双绞线传输，一般只需一对双绞线，组成的半双工网络，可实现半双工通信。而RS-422的电气性能与RS-485完全一样，但RS-422有4根信号线：两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。需要通过两对双绞线，可以实现全双工通信。
此外，从与上位机的通信协议来看，传统的数据采集系统采用的串口通信与上位机连接，传输速率和距离较低，抗干扰能力差。如图5所示，本系统采用STM32F407单片机的以太网控制器和外部PHY芯片相连，实现网络通信功能，再通过网口来与上位机相连，可大大提高数据传输速率，可实现10M/100Mbit的数据传输速率。同时以太网传输过来的数据可以根据LWIP TCP/IP协议栈更方便的传入因特网中。支持高达16KB的巨型帧，支持全双工和半双工模式，支持MAC接口，并可以使用25M晶振降低成本。
最后，基于上述硬件方面的系统优化，本发明进一步提出了软件性的完善方案。具体来看，传统的数据采集在数据量很大的情况下，亦或者当数据接收太快的时候，来不及处理已经收到的数据，那么当再次收到数据的时候，就会将之前还未处理的数据覆盖掉，很容易出现丢包的现象。本系统采用了环形队列的数据结构，将接受的数据缓存一下，让处理的速度有些许缓冲，使得处理的速度赶得上接收的速度，可大大提高数据传输的可靠性。
同时针对TCP/IP部分移植了LWIP，LWIP是瑞典计算机科学院开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈，是一种轻量级IP协议，只需十几KB的RAM和40K左右的ROM，可大大减少本系统对RAM的占用，降低了开发成本。
综上对于本发明数据采集系统结合图示的详细说明可见，本发明技术方案较之于传统此类系统具备突出的实质性特点和显著的进步性。本发明优化了下位机的MCU和采集通道，大幅提速了执行指令的速率，同时简化了采集系统的前端设计；本发明突破了传统仅采用串口通信与上位机连接的局限，实现了网络通信功能和较高的数据传输速率，同时增加了多种可选的通信接口。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：包括用于模拟数据采集及通信的下位机和用于数据显示、分析、存储的上位机，其中所述下位机由STM32系列微型控制器与A/D转换芯片组成，支持一路232通信、一路485通信、一路422通信，所述上位机基于LabVIEW系统实现，且STM32系列微型控制器通过自带的以太网控制器和LWIP TCP/IP协议栈与上位机通信、上传采集的数据。
2.根据权利要求1所述基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：上位机中所述STM32系列微型控制器采用Cortex M4内核的STM32F407ZET单片机，最高工作频率为168MHz，具有192K字节的SRAM，并扩展具有可变静态存储控制器FSMC。
3.根据权利要求2所述基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：所述STM32F407ZET单片机采用环形队列的数据结构。
4.根据权利要求2所述基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：所述STM32F407ZET单片机中的以太网控制器通过与外部PHY芯片相连，并通过网络接口与上位机相连，数据传输速率达10M/100Mbit/s。
5.根据权利要求1所述基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：上位机中所述A/D转换芯片采用具有8个采集通道的AD7606芯片，且内置信号调理电路、输入端集成有抗混叠预制特性的滤波器。
6.根据权利要求5所述基于STM32与LWIP的数据采集系统，其特征在于：所述AD7606芯片内部集成设有2.5V带隙电压基准和选接外部基准的缓冲电路。
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