多通道远程数据采集系统的研究与设计
多通道远程数据采集系统的研究与设计(任务书,开题报告,论文22000字,电路图,软件程序)
摘要
随着集成电路技术和信息处理技术的发展，数据采集系统已经在测量测控领域占据了主导地位。本课题设计了一个用于地磁测量的多通道远程数据采集系统。该系统能够同步采集多路模拟信号和数字信号并将数据存储到本地，能够通过无线传输模块将数据发送到上位机实现数据的实时显示。
本文研究了多通道远程数据采集系统的硬件与软件设计。系统硬件方面，首先设计了由模数转换模块、数字信号采集模块、无线传输模块以及上位机构成的系统总体架构。然后介绍了模数转换模块和数字信号采集模块的具体设计方案。最后介绍了硬件的具体实现过程，包括硬件开发环境、布局布线和设计结果。系统软件方面，设计了下位机的模数转换驱动程序、数字信号采集程序和上位机的数据处理软件。
对系统各个子模块和整个系统进行了测试。各子模块的测试结果为：电源电路的纹波峰峰值不超过当前电压点的1%，达到了设计要求；模数转换模块能够正常工作；带有纠错编码的远程数据传输的误码率至少比未编码时低50%。系统的综合测试结果为：系统下位机能够正常采集各个设备发来的数据；上位机软件能够正常显示采集的数据；系统能够顺利完成规定的数据采集任务。 [资料来源：http://www.doc163.com]
关键词：多通道；数据采集；模数转换；STM32
Abstract
With the development of integrated circuit technology and information processing technology, data acquisition systems have occupied a dominant position in the field of measurement and control. This project designed a multi-channel remote data acquisition system for geomagnetic measurements. The system can synchronously collect multiple analog signals and digital signals and store the data locally, and can send data to the upper computer through the wireless transmission module to realize real-time display of data.
This paper studies the hardware and software design of multi-channel remote data acquisition system. In terms of system hardware, the overall architecture of the system consisting of analog-to-digital conversion module, digital signal acquisition module, wireless transmission module and upper computer is designed. Then the specific design scheme of the analog-to-digital conversion module and the digital signal acquisition module is introduced. Finally, the specific implementation process of hardware is introduced, including hardware development environment, place and route and design results. In terms of system software, the analog-to-digital conversion driver of the lower computer, the digital signal acquisition program and the data processing software of the upper computer are designed.
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The various sub-modules of the system and the entire system were tested. The test result of each sub-module is: the peak-to-peak ripple of the power supply circuit does not exceed 1% of the current voltage point, which meets the design requirements; the analog-to-digital conversion module can work normally; the error rate of remote data transmission with error correction coding is at least 50% lower than when not encoded. The comprehensive test result of the system is: the system lower computer can normally collect the data sent by each device; the upper computer software can display the collected data normally; the system can successfully complete the specified data collection task.
Key words: multi-channel; data acquisition; analog-to-digital conversion; STM32
系统软件包括下位机的数据采集软件和上位机的数据接收与解析软件。下位机软件运行于STM32嵌入式平台，包括模数转换模块中的模数转换软件和数字信号采集模块上的数字信号采集软件。
模数转换软件负责驱动AD7734完成模拟信号采集任务并将数据发送至数字信号采集模块；数字信号采集软件需要接收数据并按通信协议封装数据，同时需要存储数据到SD卡、转发数据到无线传输模块。上位机软件运行于Windows平台，负责解析接收的数据并实现数据的可视化。 [资料来源：http://Doc163.com]
软件开发环境
下位机软件使用STM32CubeMx和Keil5联合开发。STM32CubeMx是一款ST公司为STM32系列单片机快速建立工程开发的软件。通过该软件的可视化界面可以快速初始化使用到的外设，大大缩短开发时间。同时，软件还能进行第三方软件系统的配置，例如FreeRtos、FAT32、LWIP等等。配置完成后，STM32CubeMx将自动生成代码并导入Keil5建立Keil工程文件。Keil是一款单片机开发软件，提供了包括C编译器、宏汇编、链接器和仿真调试器等在内的完整开发方案。
由STM32CubeMx生成的工程内置了ST公司提供的HAL库。HAL(Hardware Abstraction Layer)库是ST公司为STM32最新推出的抽象层嵌入式软件，可以更好的确保跨STM32产品的可移植性。该库提供了一整套一致的中间件组件，如RTOS，USB，TCP / IP等。
上位机软件基于Qt公司的开源框架开发，开发环境是该公司开发的Qt Creator。Qt本质上是一个跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，设计有多样的图形界面控件，允许用户进行组件式编程，方便快速开发用户图形界面。
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目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文的组织结构 3
第2章 系统硬件设计 4
2.1 系统硬件总体结构 4
2.1.1 模数转换模块总体结构 5
2.1.2 数字信号采集模块总体结构 5
2.2 硬件子模块详细设计 6
2.2.1 电源电路设计 6
2.2.2 模数转换电路设计 8
2.2.3 串行通信接口电路设计 9
2.2.4 GPS秒脉冲整形电路设计 10
2.2.5 STM32外围电路设计 11
2.3 子模块硬件实现 13
2.3.1 硬件开发环境 13
2.3.2 PCB布局布线 13
2.3.3 子模块PCB设计结果 14
2.4 本章小结 15
第3章 数据采集与处理软件设计 16
3.1 软件开发环境 16
3.2 BCH纠错编码 16
3.2.1 BCH(26,16)码编译码原理 17
3.2.2 BCH(26,16)码纠错性能仿真结果 18
3.3 AD7734驱动程序设计 19
3.4 数字信号采集程序设计 21
3.4.1 基于DMA的数据接收功能设计 21
3.4.2 基于GPS秒脉冲的数据同步机制 22
3.4.3 AES加密算法的实现 24
3.4.4 通信协议设计 26
3.4.5 基于FATFS文件系统的存储设计 27
3.5 上位机软件设计 28
3.5.1 通信协议解析程序设计 28
3.5.2 基于Qtcharts的数据可视化设计 29
3.6 本章小结 30
第4章 系统测试结果与分析 31
4.1 系统子模块测试 31
4.1.1 电源电路测试 31
4.1.2 模数转换模块测试 32
4.1.3 无线数据传输性能测试 33 [资料来源：Doc163.com]
4.2 系统总体性能测试 34
4.3 本章小结 37
第5章 总结与展望 38
5.1 论文工作总结 38
5.2 进一步研究展望 38
参考文献 40
致谢 42 [资料来源：Doc163.com]