以太网接口的高速高精度动态信号采集模块设计与实现

摘要

近年来，随着我国工业自动化水平的不断提高，用于工业生产中的机械设备也朝着高速化、精密化方向发展，设备工作状态的好坏直接影响着工业生产质量与生产效率，所以对机械设备工作状态的实时监测也就显得尤为重要，出现故障提早诊断，及时报警。以信号采集模块为基础的数据采集与监控系统也就越来越多的被应用到现代工业生产现场监测场合。针对传统的基于单片机与现场总线的信号采集模块存在不能高速高精度信号采集，传输距离有限，信号采集类型单一等问题，本文提出了一种以Cortex-M4内核的STM32F407与以太网传输技术为核心的信号采集系统解决方案。能够实现对模拟信号高速高精度采集与数据处理，同时可以采集开关量等其他类型信号，通过以太网将整理好的数据传输到上位机做数据分析与实时监测。
　　本文首先介绍了国内外信号采集模块的研究与发展现状，结合我国国内传统信号采集模块存在的不足，提出了基于STM32F407与以太网传输技术的总体设计方案，然后根据功能需求设计了详细的系统性能指标。在系统硬件设计方面，以STM32F407微处理器与高速高精度A/D转换芯片作为信号采集与数据处理芯片，同时采用以太网作为主要对外通信接口。分别对系统各个电路模块做了详细论述，包括信号调理模块、主控电路模块、数据存储模块、对外通信接口模块以及电源电路模块。在系统软件设计方面，按照模块化、层次化设计思想，将软件分为系统参数初始化配置模块、信号采集与数据处理模块、以太网数据通信程序模块三个主要部分进行详细设计。最后在搭建系统测试平台基础上对系统设计过程中的硬件调试、软件调试以及系统整体功能进行了详细测试，并将测试数据与理论数据做了对比，计算相对误差，分析了误差产生原因。
　　测试结果表明该以太网接口的信号采集模块可以实现高速高精度信号采集与数据处理，系统灵活程度好，工作稳定性强，能够满足各种工业场合中监控系统监测需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 信号采集模块的发展现状

1．3 以太网接口的信号采集模块研究意义

1．4 本文主要研究内容与结构安排

第2章 信号采集模块相关技术介绍与总体设计

2．1 信号采集技术基本原理

2．2 以太网接口的信号采集模块功能需求

2．3 以太网接口的信号采集模块性能指标

2．4 以太网接口的信号采集模块总体设计方案

2．4．1 数据采集与监测系统结构设计

2．4．2 以太网接口的信号采集模块结构设计

2．5 本章小结

第3章 以太网接口的信号采集模块硬件设计

3．1 信号调理模块电路设计

3．1．1 模拟量信号调理电路设计

3．1．2 开关量信号调理电路设计

3．2 主控模块电路设计

3．2．1 STM32F407芯片介绍

3．2．2 STM32F407主控模块电路设计

3．3 数据存储模块电路设计

3．3．1 EEPROM参数配置存储电路设计

3．3．2 扩展SRAM数据存储电路设计

3．4 通信接口模块电路设计

3．4．1 串口通信接口电路设计

3．4．2 SPI通信接口电路设计

3．4．3 以太网通信接口电路设计

3．5 电源模块电路设计

3．5．1 模拟部分电源电路设计

3．5．2 数字部分电源电路设计

3．6 信号采集模块PCB设计

3．6．1 PCB设计抗干扰性措施

3．6．2 信号采集模块PCB布局

3．7 本章小结

第4章 以太网接口的信号采集模块软件设计

4．1 软件开发环境简介

4．2 软件总体设计

4．3 参数配置模块软件设计

4．3．1 软件模块初始化配置

4．3．2 软件模块程序设计

4．4 信号采集与数据处理模块软件设计

4．4．1 软件模块主程序设计

4．4．2 软件模块初始化配置

4．4．3 信号采集子模块

4．4．4 数据处理子模块

4．5 以太网数据通信模块软件设计

4．5．1 软件模块初始化配置

4．5．2 软件模块程序设计

4．6 系统应用层通信协议设计

4．6．1 RS232参数配置应用协议

4．6．2 以太网数据通信应用协议

4．7 本章小结

第5章 系统测试与分析

5．1 系统硬件调试

5．2 系统软件调试

5．3 系统功能性测试与分析

5．3．1 测试平台搭建

5．3．2 数据通信模块功能测试

5．3．3 静态信号采集精度测试

5．3．4 信号采集功能测试

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参加的科研项目