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[摘 要]智能仪表的优势体现在其体积小、功能强且功耗低等几个方面，因此其在各个行业、各个领域的应用越来越广泛。本文提出一种基于ARM的微控制器及相关外围模块建构而成的智能仪表嵌入式系统，其不仅可以进行现场数据信息的传输与处理，而且可以利用CAN总线实现与上位机的通信，在降低系统成本的基础上大大提高其可靠性。
[关键词]ARM；智能仪表；嵌入式系统；STM32F103RC
中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0018-01
一、系统需求分析
作为智能仪表系统的核心部件，嵌入式微处理器需要具备以下特点：
首先可以支持多任务操作系统，为缩短操作系统与应用程序的执行时间，提高系统的运行效率，其还要具备高精度时钟与实时中断响应时间；其次，具备较强的数据存储管理与保护能力，在进行系统设计时，需要对其内核软件结构进行模块化处理，只有保证了系统的数据存储管理能力与保护能力，才能防止软件进程之间发生不合法互相访问；再次，要求系统具备较好的可扩展性；最后，要求嵌入式微处理器的功耗要足够低，尤其是针对一些无线移动监控系统或者通信嵌入式系统，由于其依靠电池供电，因此要求其功耗尽量达到mw级。
此外，由于智能仪表系统必须通过外部交互实现数据的采集以及控制信号的输出，因此微处理器的接口必须满足下列要求：
首先其内部具备高速A/D、D/A模块，便于与高速、高精度的A/D、D/A模块正常外接；其次，具备较高的数据处理速度，且操作系统的运行速度也要保证，可以保证有效的多级外部中断与精确定时中断；再次，可以连接网络芯片进行多任务的处理；最后，具备丰富的接口资源。经过上述分析，本文选择智能仪表系统中应用较为广泛的ARM系列处理器进行系统设计。
二、系统设计方案
本设计方案包括四大功能模块，即现场数据采集模块、数据处理模块、CAN总线控制器以及数据输出模块，主控芯片选择ARM系列的STM32F103RC，内嵌于CAN总线控制器；外围电路包括：8路模拟量与4路数字量输入部分以及4路模拟量与2路数字量输出部分，还包括CAN控制器模块与上位机的通信部分。具体结构如下图1所示：
系统可以将应用现场的数据及时传输至传感器及执行器，实现与上位机的信息通信，上位机再对现场进行监控。为保证智能仪表系统的通用性，不管是输出还是输出，均兼容模拟量与数字量，并且保证了足够的输出点与输出点，即使后续系统扩展增设其它的检测点或者执行点，无需更换智能仪表即可实现，大大提高了系统的应用范围，节省了系统的投资成本。
（一）主模块的设计与实现
1、主控制器STM32F103RC
STM32F103RC是基于Cortex-m3核的微控制器，但是其在外围设备方面有所扩展，提高了设备的性能。由于ARM Cortex-m3与哈佛微体系结构与系统外设相结合，而哈佛微体系是执行Thumb-2指令的32位结构，因此其主频可达72MHz，运行速度可以得到充分保证；并且其中央处理器使用了最小门数，缩小了芯片面积，相应的装置的体积也有所减少，工艺成本更加低廉；内置高达1 2 8 K 字节的闪存和2 0 K 字节的SRAM高速存储器，具备丰富的增强I/O端口，并且外设与两条APB总线连接在一起，其它还包含标准的通信接口。由此可见，该款处理器具备较高的集成度，外围电路得到有效减化，在降低系统成本的基础上提高其可靠性。
2、数据采集模块
本系统数据采集模块共包括8个模拟量采集点，当现场传感器将诸如电压信号或电流信号等模拟信号输入系统时，片上内嵌的ADC会对信号进行转换处理，微处理器所接收到的即为可识别的数字信号；针对一些系统无法准确识别的信号，比如过流或者浪涌等，则要在信号转换之有进行电路调理，把待测信号转换为标准信号供采集设备准确识别，然后采取放大、过滤、线性补偿、隔离以及保护等各项措施，再送至A/D转换器。STM32F103RC芯片共有两个A/D转换模块，均为12位的逐次逼近型的模拟数字转换器，其具备18个通道，分别可以测量16个外部信号源与2个内部信号源，准确采集到标准信号，并对其进行调整，实现实时控制。此外，在数据采集模块还包括4个数字量采集点，其所采集到的诸如开关状态等数字量信息可以直接传输给处理器；不过需要对光电隔离电路做进一步的扩展，提高其抗干扰性，防止受到现场噪声污染；采用与负载守全隔离的PC844光电耦合器件，提高系统的安全性。
3、数据输出模块
由于现场执行器对信号识别的种类存在差异，有些是模拟量，有些则是数字量，因此输出部门特设计4路模拟输出与2路数字输出，现场执行器所接收到的控制量信息均是经过处理器控制运算的，以提高该智能仪表系统的通用性。主控制芯片内嵌DAC以满足模拟输出部分的功能需要，并增设V/I转换器，将电压输出信号转换为电流输出信号，防止信号在长距离传输过程中发生衰减的现象；对于数字信号的输出，则把二进制1或0直接输出至执行器前，采用光电隔离的措施抑制其它干扰；采用达林顿管提高数字输出口的驱动能力，增强其功率输出。
4、CAN控制器模块
通常单片机在连接CAN总线时，按照传统的方法是先把中央处理器连接在总线控制器与总线收发器上，然后再接入总线网络，这种连接方法无形中增加了中央处理器外围电路的复杂程度，导致对系统产生影响的客观因素增多。针对该问题，本设计采用了在芯片上集成CAN控制器的STM32F103RC，不仅提高了系统的可靠性，而且降低了系统设计成本。CAN控制器包括三个发送邮箱，其主要作用是为软件发送报文提供途径，邮箱报文发送的优先等级是由发送调度器来决定的。每个邮箱设置2个接受FIFO，而每个FIFO均可以存放三个完整的报文；此外，本设计收发器选择的是高速芯片CTM8251 CAN收发器，其自带隔离功能。
三、系统实验
本系统基于ARM系列的STM32F103RC芯片，有用模块化的方案设计出一种智能仪表系统，其具备工业现场的数据采集、数据处理以及数据输出等功能，并且可以实现CAN控制器与上位机的通信。系统设计兼顾了模拟量与数字量，预留足够的点数余量，以满足系统通用性的要求；所选择的STM32F103RC具有高度集成的特点，因此可以对系统的外围附加电路起到有效的简化作用，提高系统的可靠性，并且进一步降低系统成本。在调试过程中借助串口调试助手软件，在有匹配电阻的情况下，进行单个节点即C A N 口的接受和发送调试。如发送的11、22、33、44、55、66、77、88，当然程序里要在数据前加0X，则可以接收到11、22、33、44、55、66、77、 88。从实验结果可知，本系统基本可以实现预期的目标功能。
参考文献
[1] 石磊.CAN总线在智能仪表中的应用[D].大连：大连海事大学，2009
[2] 吴金国.基于CAN总线的智能仪表的研究[D].上海：东华大学，2010
[3] 杨馄.基于CAN总线的智能检测系统的研究[D].陕西：西安科技大学，2008
[4] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009
[5] 李嘉，杨佃福.嵌入式远程监控系统的开发[J].自动化仪表.2012（4）
[6] 郑灵翔等.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[关键词]ARM；智能仪表；嵌入式系统；STM32F103RC
中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0018-01
一、系统需求分析
作为智能仪表系统的核心部件，嵌入式微处理器需要具备以下特点：
首先可以支持多任务操作系统，为缩短操作系统与应用程序的执行时间，提高系统的运行效率，其还要具备高精度时钟与实时中断响应时间；其次，具备较强的数据存储管理与保护能力，在进行系统设计时，需要对其内核软件结构进行模块化处理，只有保证了系统的数据存储管理能力与保护能力，才能防止软件进程之间发生不合法互相访问；再次，要求系统具备较好的可扩展性；最后，要求嵌入式微处理器的功耗要足够低，尤其是针对一些无线移动监控系统或者通信嵌入式系统，由于其依靠电池供电，因此要求其功耗尽量达到mw级。
此外，由于智能仪表系统必须通过外部交互实现数据的采集以及控制信号的输出，因此微处理器的接口必须满足下列要求：
首先其内部具备高速A/D、D/A模块，便于与高速、高精度的A/D、D/A模块正常外接；其次，具备较高的数据处理速度，且操作系统的运行速度也要保证，可以保证有效的多级外部中断与精确定时中断；再次，可以连接网络芯片进行多任务的处理；最后，具备丰富的接口资源。经过上述分析，本文选择智能仪表系统中应用较为广泛的ARM系列处理器进行系统设计。
二、系统设计方案
本设计方案包括四大功能模块，即现场数据采集模块、数据处理模块、CAN总线控制器以及数据输出模块，主控芯片选择ARM系列的STM32F103RC，内嵌于CAN总线控制器；外围电路包括：8路模拟量与4路数字量输入部分以及4路模拟量与2路数字量输出部分，还包括CAN控制器模块与上位机的通信部分。具体结构如下图1所示：
系统可以将应用现场的数据及时传输至传感器及执行器，实现与上位机的信息通信，上位机再对现场进行监控。为保证智能仪表系统的通用性，不管是输出还是输出，均兼容模拟量与数字量，并且保证了足够的输出点与输出点，即使后续系统扩展增设其它的检测点或者执行点，无需更换智能仪表即可实现，大大提高了系统的应用范围，节省了系统的投资成本。
（一）主模块的设计与实现
1、主控制器STM32F103RC
STM32F103RC是基于Cortex-m3核的微控制器，但是其在外围设备方面有所扩展，提高了设备的性能。由于ARM Cortex-m3与哈佛微体系结构与系统外设相结合，而哈佛微体系是执行Thumb-2指令的32位结构，因此其主频可达72MHz，运行速度可以得到充分保证；并且其中央处理器使用了最小门数，缩小了芯片面积，相应的装置的体积也有所减少，工艺成本更加低廉；内置高达1 2 8 K 字节的闪存和2 0 K 字节的SRAM高速存储器，具备丰富的增强I/O端口，并且外设与两条APB总线连接在一起，其它还包含标准的通信接口。由此可见，该款处理器具备较高的集成度，外围电路得到有效减化，在降低系统成本的基础上提高其可靠性。
2、数据采集模块
本系统数据采集模块共包括8个模拟量采集点，当现场传感器将诸如电压信号或电流信号等模拟信号输入系统时，片上内嵌的ADC会对信号进行转换处理，微处理器所接收到的即为可识别的数字信号；针对一些系统无法准确识别的信号，比如过流或者浪涌等，则要在信号转换之有进行电路调理，把待测信号转换为标准信号供采集设备准确识别，然后采取放大、过滤、线性补偿、隔离以及保护等各项措施，再送至A/D转换器。STM32F103RC芯片共有两个A/D转换模块，均为12位的逐次逼近型的模拟数字转换器，其具备18个通道，分别可以测量16个外部信号源与2个内部信号源，准确采集到标准信号，并对其进行调整，实现实时控制。此外，在数据采集模块还包括4个数字量采集点，其所采集到的诸如开关状态等数字量信息可以直接传输给处理器；不过需要对光电隔离电路做进一步的扩展，提高其抗干扰性，防止受到现场噪声污染；采用与负载守全隔离的PC844光电耦合器件，提高系统的安全性。
3、数据输出模块
由于现场执行器对信号识别的种类存在差异，有些是模拟量，有些则是数字量，因此输出部门特设计4路模拟输出与2路数字输出，现场执行器所接收到的控制量信息均是经过处理器控制运算的，以提高该智能仪表系统的通用性。主控制芯片内嵌DAC以满足模拟输出部分的功能需要，并增设V/I转换器，将电压输出信号转换为电流输出信号，防止信号在长距离传输过程中发生衰减的现象；对于数字信号的输出，则把二进制1或0直接输出至执行器前，采用光电隔离的措施抑制其它干扰；采用达林顿管提高数字输出口的驱动能力，增强其功率输出。
4、CAN控制器模块
通常单片机在连接CAN总线时，按照传统的方法是先把中央处理器连接在总线控制器与总线收发器上，然后再接入总线网络，这种连接方法无形中增加了中央处理器外围电路的复杂程度，导致对系统产生影响的客观因素增多。针对该问题，本设计采用了在芯片上集成CAN控制器的STM32F103RC，不仅提高了系统的可靠性，而且降低了系统设计成本。CAN控制器包括三个发送邮箱，其主要作用是为软件发送报文提供途径，邮箱报文发送的优先等级是由发送调度器来决定的。每个邮箱设置2个接受FIFO，而每个FIFO均可以存放三个完整的报文；此外，本设计收发器选择的是高速芯片CTM8251 CAN收发器，其自带隔离功能。
三、系统实验
本系统基于ARM系列的STM32F103RC芯片，有用模块化的方案设计出一种智能仪表系统，其具备工业现场的数据采集、数据处理以及数据输出等功能，并且可以实现CAN控制器与上位机的通信。系统设计兼顾了模拟量与数字量，预留足够的点数余量，以满足系统通用性的要求；所选择的STM32F103RC具有高度集成的特点，因此可以对系统的外围附加电路起到有效的简化作用，提高系统的可靠性，并且进一步降低系统成本。在调试过程中借助串口调试助手软件，在有匹配电阻的情况下，进行单个节点即C A N 口的接受和发送调试。如发送的11、22、33、44、55、66、77、88，当然程序里要在数据前加0X，则可以接收到11、22、33、44、55、66、77、 88。从实验结果可知，本系统基本可以实现预期的目标功能。
参考文献
[1] 石磊.CAN总线在智能仪表中的应用[D].大连：大连海事大学，2009
[2] 吴金国.基于CAN总线的智能仪表的研究[D].上海：东华大学，2010
[3] 杨馄.基于CAN总线的智能检测系统的研究[D].陕西：西安科技大学，2008
[4] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009
[5] 李嘉，杨佃福.嵌入式远程监控系统的开发[J].自动化仪表.2012（4）
[6] 郑灵翔等.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.