基于STM 32和LTC 1859的数据采集系统
崔海朋 （青岛杰瑞工控技术有限公司，山东 青岛 266071）
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LTC1859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。
0 引言
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总线进行通信。LTC1859用单5 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。
1 硬件系统设计
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。
2 隔离电路设计
为了提高系统的可靠性，本系统设计了电源隔离和 SPI总线隔离电路，使LTC1859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。
2.1 电源隔离
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。
2.2 SPI总线的 隔离是非常关 键的一部分
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条控制线与Cortex-M3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。
3 软件设计
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。
3.1 LTC1859软件配置
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。
3.2 Cortex-M3处理器SPI接口配置
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：
void SPI1_Configuration(void)
{
SPI_InitTypeDef SPI_ InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //全双工
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; //空闲时为低电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //上升沿无延迟模式
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //禁止软件NSS功能
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_ BaudRatePrescaler_256; //SPI速率设置
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //高位先发
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}
3.3 模数转换采集
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。
u16 ReadADC1859(u16 channel)
{
u16 control_code;
control_code=Get_Control_Code(channel);//根 据通道计算控制字
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_TXE) == RESET); //等待发送缓冲器为空
SPI_I2S_SendData(SPI1,control_code); //发送 控制字
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_RXNE) == RESET);//等待接收缓冲器变非空
temp_value = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); / / 读取数据
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);//convst 置低
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //convst 置高启动一个转换
delay40ns(); //延迟
delay40ns();
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);//将 convst拉低
while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_ Pin_4)==0x00); //等待busy变高
delay40ns(); //延迟
delay40ns();
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_TXE) == RESET); //等待发送缓冲器为空
SPI_I2S_SendData(SPI1,control_code); //发送 控制字
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_ FLAG_RXNE) == RESET);//等待接收缓冲器变非空
temp_value = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); / / 读取数据
return temp_value; //数据返回
}
4 结论
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。
参考文献：
[1] LTC1857/LTC1858/LTC1859 DataSheet[EB]. Linear Corp, 2004.
[2] 李军民,祝红军,王瑞.基于DSP和LTC1859数据采集系统设计 [J].微计算机信息,2010,26(02):115-117.
[3] 陈东升,高俊侠,胡科堂.基于STM32的远程温控系统设计[J].电 子产品世界,2011(5):30-32.
[4] 王永虹,徐炜,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理及实践[M].北京:北京 航空航天大学出版社,2008.
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。
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