STM32小型便携式数据采集存储系统设计(2)
1.2 国内外研究发展现状在国外,数据采集存储系统最早是应用于军事、航天方面的固态数据记录仪，随着电子技术尤其是半导体技术的进步，以前制约数据采集存储系统发展的时序控制和读写速度等问题的得到了有效解决，而且有断电保存、高集成化、低功耗和高性价比等众多优点，使得其在军事、民用领域都得到广泛地应用[10]。同时，数据采集存储设备的存储量大小也从最早的 M升级到 G，再到T。存储介质也是从磁带、光盘等逐渐发展到Flash 存储。在国内，因为对于采集存储设备的需求不是太多，关于数据采集存储的基础研究和设计相对于国外比较落后，最早是研制一些数据记录仪满足军事、航天方面的需求，应用于记录各类飞行器和武器系统的研制过程中，主要应用在飞行试验中测量系统的过载、压力、图像和转速等状态参数[11]。而且，这些研究和设计大都在应用开发层面，对基础研究的投入较少。近年来，随着研究经验的累计以及社会需求的增长，在以前应用开发的基础上，很多企业和院校都进行了基础研发并且获得一些很大的进展。目前，随着国内对于数据采集存储设备的需求的增长和研究投入的增加，国内的基础研究取得了一系列进展，数据采集存储设备的的信号采样频率从开始的Hz 提高到MHz，数据存储量大小也从 MB 提升到了 GB，系统采用的主控处理平台不仅有单片机系统还有 FPGA、DSP联合应用平台，无论是在恶劣环境中，还是在飞行试验、炮击等试验测试中，这些数据采集存储设备都得到了很好的应用，这对于为军事、航天方面系统进行研制数据采集存储系统有着重大意义[10,12]。
1.3 论文的研究内容及结构安排整个数据采集存储系统的由两大部分组成：一是数据采集和数据存储部分，ADC 对模拟信号进行采集，并转换成数字信号，接着将 ADC 转换后的数字信号，快速、安全地保存到Flash存储器中；二是数据回读显示部分， 通过串口通信，上位机可以接受下位机发送的数据，并将数据在 PC机上进行显示和分析处理。本数据采集存储系统采用 STM32 内置ADC 模块作为模拟信号采集部分，三星电子 NAND 闪存 K9F1G08U0B 作为Flash 存储部分，Cortex-M3系列STM32作为微控制器， 通过基于CH340的串口设备实现上下位机的数据传输， 将FLASH中存储数据传输到上位机。本论文详细论述了数据采集系统的硬件结构，各模块的软件设计，PC 端上位机设计。最后，通过科学的实验方案对整个系统的主要功能进行了测试验证。
第一章：绪论。介绍了该课题的研究背景和意义，以及国内外发展现状。第二章：采集存储系统总体方案设计。详细介绍了数据采集存储系统的应用场合的需求分析和根据需求分析确定数据采集存储系统总体设计方案。第三章：系统的硬件设计。详细介绍了数据采集系统硬件组成以及各个重要部分的硬件电路原理图。主要对微控制器主控模块、Flash 存储模块、串口通信模块、电源转换模块等进行详细说明。第四章：系统软件设计部分。详细阐述了数据的 DMA 传输和乒乓缓存釆集存储方案、Flash读、写以及擦除操作的程序流程和 PC上位机数据回读显示软件的设计。第五章：数据采集存储的系统测试方案以及实验步骤和实验结果。
2 系统设计方案2.1 系统总体设计
2.1.1 需求分析与功能设计整个数据采集存储系统，从对数据的操作角度来划分大致可以分为数据采集、数据存储和数据回读三个部分。数据采集部分主要性能指标是采集精度和采集速度。采集精度由 A/D 转换芯片的有效位数来决定，位数越高则采集精度越高；采集速度则与采样率有关。此外，采样通道也是个重要指标。所以，A/D 选型时，是从A/D 采样位数（采集精度）、采样率以及采样通道三个性能指标来考虑的。本设计系统的采样通道需求为 2个通道。在存储器件的选择上，主要考虑存储容量和存储速度。对于本系统，存储容量达到 100M以上就能满足要求。存储速度不仅跟芯片擦除、页面编程的效率有关，更与程序设计有关。为了满足高速、实时、连续采集和存储的要求，想到采用双缓冲区交替存储模式来存储数据，提高系统可靠性以免导致数据缺失。缓冲区的大小就需要根据采集的数据大小来设计，假定2 路通道以100 ksps 的速率进行采集，每秒将采集到100KS*2=200KS=200k*12/8 Byte=300KByte，而一般Flash 存储器典型页编程时间为300 μs~700 μs，若按 700 μs 计算，在 Flash 存储器写一页的数据时将采集到 300K Byte*7×10-4=210Byte 数据。采样率为100 ksps 时，每个缓冲区的大小就要大于 210Byte。对于数据回读来说，主要是数据传输模块方面，系统对信息进行采集存储，等采集存储结束后，通过上位机对 Flash 存储数据进行回读，由PC 机显示分析数据。数据从下位机回读到 PC上位机，从小型化和便携式的需求出发，数据的传输要十分的轻便、功耗低、通用性强容易实现。除了以上主要功能模块之外，数据采集存储系统还要有一些其他功能模块比如电源转换模块等[13]。