基于STM32 的高精度、大容量、多通道同步數據采集存儲系統的設計

【文章摘要】

 

 

 

 

 

近些年來，隨著計算機、電子技術的發展與進步，為數據采集、存儲系統的開發與應用提供必要條件。基于此， 本研究主要結合目前實際需求，分析設計了基于STM32 的高精度、大容量、多通道同步數據采集存儲系統，研究了系統具體的功能需求及軟硬件選擇等，以期為數據采集存儲系統的進一步發展提供更多機遇。

【關鍵詞】

STM32 ；高精度；大容量；多通道；數據采集與存儲

1 系統功能設計

在本系統的設計過程中，最關鍵的是要具備數據采集、存儲及傳輸三個功能。其中，在數據采集設計方面，重點考慮的是采集精度和采集速度，前者主要通過A/ D 轉換芯片的有效位數來反映，其精度隨著A/D 轉換芯片位數的升高而升高；而后者主要借助于采樣率來反映，目前速率最高的A/D 轉換芯片已達到了1.5Gb。選用A/D 轉換芯片時，主要考慮的是A/D 采樣位數（分辨率）、采樣率和采樣通道。系統對A/D 采集的需求有：3 個以上的通道同步采集，各個通道的采樣率在0-100KSPS 之間，精度12 位及以上。基于這些需求， 本設計中選用AD7656，其性能指標如下： （1）輸入通道：支持6 個通道同步采集；（2） 采樣率：最高可達250KSPS；（3）采樣位數： 16Bit。

在數據存儲設計方面，最關鍵的是存儲容量和速度。其中，在存儲容量上， 選用容量大的存儲器時，必須考慮相應的成本，因為存儲容量增大，成本也會增加很多。本設計中，對存儲容量的要求相對較低，只要求能夠達到100M 以上；在存儲速度上，不僅要考慮芯片本身擦除、頁面編寫的效率，同時還與程序算法的設計有著密切關系，其中包括壞塊處理算法設計、文件系統設計、扇區讀寫管理算法設計等。在高速、實時、連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行信號采集，另一方面要求實現數據的實時存儲，否則會造成數據丟失。因此，在本設計中，采用的是雙緩沖區交替存儲模式，在100KSPS 的采樣率下，緩沖區的大小應超過840 字節，才能保證采集的數據能夠完整地存到Flash 中。

在數據傳輸設計方面，該系統一般是在脫機狀態下使用的，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后再回收存儲器, 由計算機處理和再現被測信息。盡管無需進行數據的實時傳輸，但在后續的數據讀取和處理過程中，大量的數據使得232、485 串口通信無法滿足速度上的實際需求，而通用串行總線USB 憑借其即插即用、熱拔插以及高傳輸速率的特性成為了設計過程中數據傳輸設計的首選。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

STM32 ；高精度；大容量；多通道；數據采集與存儲

1 系統功能設計

在本系統的設計過程中，最關鍵的是要具備數據采集、存儲及傳輸三個功能。其中，在數據采集設計方面，重點考慮的是采集精度和采集速度，前者主要通過A/ D 轉換芯片的有效位數來反映，其精度隨著A/D 轉換芯片位數的升高而升高；而后者主要借助于采樣率來反映，目前速率最高的A/D 轉換芯片已達到了1.5Gb。選用A/D 轉換芯片時，主要考慮的是A/D 采樣位數（分辨率）、采樣率和采樣通道。系統對A/D 采集的需求有：3 個以上的通道同步采集，各個通道的采樣率在0-100KSPS 之間，精度12 位及以上。基于這些需求， 本設計中選用AD7656，其性能指標如下： （1）輸入通道：支持6 個通道同步采集；（2） 采樣率：最高可達250KSPS；（3）采樣位數： 16Bit。

在數據存儲設計方面，最關鍵的是存儲容量和速度。其中，在存儲容量上， 選用容量大的存儲器時，必須考慮相應的成本，因為存儲容量增大，成本也會增加很多。本設計中，對存儲容量的要求相對較低，只要求能夠達到100M 以上；在存儲速度上，不僅要考慮芯片本身擦除、頁面編寫的效率，同時還與程序算法的設計有著密切關系，其中包括壞塊處理算法設計、文件系統設計、扇區讀寫管理算法設計等。在高速、實時、連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行信號采集，另一方面要求實現數據的實時存儲，否則會造成數據丟失。因此，在本設計中，采用的是雙緩沖區交替存儲模式，在100KSPS 的采樣率下，緩沖區的大小應超過840 字節，才能保證采集的數據能夠完整地存到Flash 中。

在數據傳輸設計方面，該系統一般是在脫機狀態下使用的，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后再回收存儲器, 由計算機處理和再現被測信息。盡管無需進行數據的實時傳輸，但在后續的數據讀取和處理過程中，大量的數據使得232、485 串口通信無法滿足速度上的實際需求，而通用串行總線USB 憑借其即插即用、熱拔插以及高傳輸速率的特性成為了設計過程中數據傳輸設計的首選。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

1 系統功能設計

在本系統的設計過程中，最關鍵的是要具備數據采集、存儲及傳輸三個功能。其中，在數據采集設計方面，重點考慮的是采集精度和采集速度，前者主要通過A/ D 轉換芯片的有效位數來反映，其精度隨著A/D 轉換芯片位數的升高而升高；而后者主要借助于采樣率來反映，目前速率最高的A/D 轉換芯片已達到了1.5Gb。選用A/D 轉換芯片時，主要考慮的是A/D 采樣位數（分辨率）、采樣率和采樣通道。系統對A/D 采集的需求有：3 個以上的通道同步采集，各個通道的采樣率在0-100KSPS 之間，精度12 位及以上。基于這些需求， 本設計中選用AD7656，其性能指標如下： （1）輸入通道：支持6 個通道同步采集；（2） 采樣率：最高可達250KSPS；（3）采樣位數： 16Bit。

在數據存儲設計方面，最關鍵的是存儲容量和速度。其中，在存儲容量上， 選用容量大的存儲器時，必須考慮相應的成本，因為存儲容量增大，成本也會增加很多。本設計中，對存儲容量的要求相對較低，只要求能夠達到100M 以上；在存儲速度上，不僅要考慮芯片本身擦除、頁面編寫的效率，同時還與程序算法的設計有著密切關系，其中包括壞塊處理算法設計、文件系統設計、扇區讀寫管理算法設計等。在高速、實時、連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行信號采集，另一方面要求實現數據的實時存儲，否則會造成數據丟失。因此，在本設計中，采用的是雙緩沖區交替存儲模式，在100KSPS 的采樣率下，緩沖區的大小應超過840 字節，才能保證采集的數據能夠完整地存到Flash 中。

在數據傳輸設計方面，該系統一般是在脫機狀態下使用的，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后再回收存儲器, 由計算機處理和再現被測信息。盡管無需進行數據的實時傳輸，但在后續的數據讀取和處理過程中，大量的數據使得232、485 串口通信無法滿足速度上的實際需求，而通用串行總線USB 憑借其即插即用、熱拔插以及高傳輸速率的特性成為了設計過程中數據傳輸設計的首選。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

在本系統的設計過程中，最關鍵的是要具備數據采集、存儲及傳輸三個功能。其中，在數據采集設計方面，重點考慮的是采集精度和采集速度，前者主要通過A/ D 轉換芯片的有效位數來反映，其精度隨著A/D 轉換芯片位數的升高而升高；而后者主要借助于采樣率來反映，目前速率最高的A/D 轉換芯片已達到了1.5Gb。選用A/D 轉換芯片時，主要考慮的是A/D 采樣位數（分辨率）、采樣率和采樣通道。系統對A/D 采集的需求有：3 個以上的通道同步采集，各個通道的采樣率在0-100KSPS 之間，精度12 位及以上。基于這些需求， 本設計中選用AD7656，其性能指標如下： （1）輸入通道：支持6 個通道同步采集；（2） 采樣率：最高可達250KSPS；（3）采樣位數： 16Bit。

在數據存儲設計方面，最關鍵的是存儲容量和速度。其中，在存儲容量上， 選用容量大的存儲器時，必須考慮相應的成本，因為存儲容量增大，成本也會增加很多。本設計中，對存儲容量的要求相對較低，只要求能夠達到100M 以上；在存儲速度上，不僅要考慮芯片本身擦除、頁面編寫的效率，同時還與程序算法的設計有著密切關系，其中包括壞塊處理算法設計、文件系統設計、扇區讀寫管理算法設計等。在高速、實時、連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行信號采集，另一方面要求實現數據的實時存儲，否則會造成數據丟失。因此，在本設計中，采用的是雙緩沖區交替存儲模式，在100KSPS 的采樣率下，緩沖區的大小應超過840 字節，才能保證采集的數據能夠完整地存到Flash 中。

在數據傳輸設計方面，該系統一般是在脫機狀態下使用的，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后再回收存儲器, 由計算機處理和再現被測信息。盡管無需進行數據的實時傳輸，但在后續的數據讀取和處理過程中，大量的數據使得232、485 串口通信無法滿足速度上的實際需求，而通用串行總線USB 憑借其即插即用、熱拔插以及高傳輸速率的特性成為了設計過程中數據傳輸設計的首選。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

在數據存儲設計方面，最關鍵的是存儲容量和速度。其中，在存儲容量上， 選用容量大的存儲器時，必須考慮相應的成本，因為存儲容量增大，成本也會增加很多。本設計中，對存儲容量的要求相對較低，只要求能夠達到100M 以上；在存儲速度上，不僅要考慮芯片本身擦除、頁面編寫的效率，同時還與程序算法的設計有著密切關系，其中包括壞塊處理算法設計、文件系統設計、扇區讀寫管理算法設計等。在高速、實時、連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行信號采集，另一方面要求實現數據的實時存儲，否則會造成數據丟失。因此，在本設計中，采用的是雙緩沖區交替存儲模式，在100KSPS 的采樣率下，緩沖區的大小應超過840 字節，才能保證采集的數據能夠完整地存到Flash 中。

在數據傳輸設計方面，該系統一般是在脫機狀態下使用的，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后再回收存儲器, 由計算機處理和再現被測信息。盡管無需進行數據的實時傳輸，但在后續的數據讀取和處理過程中，大量的數據使得232、485 串口通信無法滿足速度上的實際需求，而通用串行總線USB 憑借其即插即用、熱拔插以及高傳輸速率的特性成為了設計過程中數據傳輸設計的首選。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

在數據傳輸設計方面，該系統一般是在脫機狀態下使用的，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后再回收存儲器, 由計算機處理和再現被測信息。盡管無需進行數據的實時傳輸，但在后續的數據讀取和處理過程中，大量的數據使得232、485 串口通信無法滿足速度上的實際需求，而通用串行總線USB 憑借其即插即用、熱拔插以及高傳輸速率的特性成為了設計過程中數據傳輸設計的首選。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

2 系統總體設計

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

2.1 系統硬件設計

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

(1) 微處理器

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

本系統硬件設計的核心部分就是微處理器和USB 控制器，在二者有機結合的基礎上才可以實現上位機和下位機之間的快速通信，從而使PC 機獲取采集到的數據。目前，世界上的微處理器已經超過了千余種，按照數據總線的寬度主要劃分成8 位、16 位、32 位三類。本研究中所設計的系統，結合其實際需要選擇基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位處理器。STM32 系列微處理器性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發，并且還免費提供簡單易用的開發工具。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

（2）A/D 芯片

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

盡管STM32F103ZE 自帶三個同步的ADC，支持21 通道采集，但最多只能做到3 通道同步采集，無法滿足系統設計要求。因此本設計中選用美國ADI 公司生產的16 位的逐次逼近(SAR) 型A/D 芯片AD7656。AD7656 內部含有6 個A/D 轉換器，最大轉換速率達250KSPS，轉換時間為3us, 支持6 個通道同步采集，并且內置低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T ／ H)， 可來處理輸入頻率高達4.5MHz 的信號, 可以與微處理器(MCU) 或數字信號處理器(DSP) 連接，把多個ADC 連接到單個串行接口上。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

（3）外圍存儲器

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

Flash 存儲器有容量大、低功耗、易擦除等特點，Flash 存儲器按其底層技術結構主要分為NAND 和NOR 兩大類，由于數據采集存儲系統中對存儲的速度有很高的要求，基于本系統容量、成本、硬件設計等方面的考慮，主要選用Nand Flash 存儲器K9F1G08UOB，它共有1024 塊，64 頁， 共132K 字節，總存儲容量為1GB+32MB， 存儲器每頁有64 字節的冗余字節。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

（4）USB 控制電路

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

STM32 的MCU 自帶符合USB2.0 全速設備技術規范的通信連接的USB 從控制器。USB 從控制器提供STM32F103 和USB 總線進行數據交換的硬件接口，PC 主機和微處理器STM32 之間的數據傳輸通過共享一專用的數據緩沖區來完成，而數據緩沖區可以被USB 外設直接訪問。當USB 模塊處于非工作狀態時，通過寫控制寄存器可以將USB 置于低功耗模式，此時不消耗任何靜態電流；當需要USB 工作時，可以通過對USB 線上數據傳輸的檢測，在低功耗模式下喚醒USB。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

2.2 系統軟件設計

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

本系統需要完成數據采集、數據存儲和數據傳輸三個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。首先，在數據采集部分，當檢測到有外部觸發信號時，打開定時器，定時中斷處理部分主要完成6 個通道同步各采集一個點的工作流程，當達到采集時間后，關閉定時器，即停止A/D 轉換。其次，在實時存儲部分，由于系統在不間斷地進行信號采集，因此需要進行數據的實時存儲，否則將會丟失數據，造成數據不完整。存儲過程采用雙緩沖區模式。最后，在USB 通信部分， USB 控制器通過一個內部的16 位寄存器實現端口與專用緩沖區的數據交換。當檢測到USB 有中斷請求時，在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向， 發送或接收適當的握手分組，在數據傳輸結束時，USB 控制器將觸發與端點相關的中斷，通過讀狀態寄存器或者利用不同的中斷來處理。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

本系統軟件設計流程主要是，系統上電之后先進行系統初始化，然后通過上位機設定相應的采集時間，當采集速率比較高時，相應的采集時間應相應短一些。若Flash 為空，通過外部觸發信號啟動A/D 轉換，若Flash 不為空，用戶可以通過USB 口從上位機讀取Flash 中的文件，也通過外部按鍵對Flash 進行清空。當達到預先設定的采集時間之后，停止A/D 轉換，用戶可以采用USB 電纜線將系統連接到PC 機，通過USB 口讀取Flash 中的數據文件。而在數據采集存儲的過程中，是不允許接入USB 的。

3 結論

本研究對基于STM32 的高精度、大容量、多通道同步數據采集存儲系統的研究，介紹了系統的主要功能需求以及系統相應芯片的選擇與特點，硬件中采集、存儲、通信傳輸以及必要的外圍電路，軟件采集、存儲和通信的整體工作流程，以期能夠為數據采集存儲系統的進一步發展提供借鑒。

【參考文獻】

[1] 郭紅英, 高雁. 多通道同步數據采集器設計[J]. 大學物理實驗,2012,02:23-25.

本研究對基于STM32 的高精度、大容量、多通道同步數據采集存儲系統的研究，介紹了系統的主要功能需求以及系統相應芯片的選擇與特點，硬件中采集、存儲、通信傳輸以及必要的外圍電路，軟件采集、存儲和通信的整體工作流程，以期能夠為數據采集存儲系統的進一步發展提供借鑒。

【參考文獻】

[1] 郭紅英, 高雁. 多通道同步數據采集器設計[J]. 大學物理實驗,2012,02:23-25.

【參考文獻】

[1] 郭紅英, 高雁. 多通道同步數據采集器設計[J]. 大學物理實驗,2012,02:23-25.

[1] 郭紅英, 高雁. 多通道同步數據采集器設計[J]. 大學物理實驗,2012,02:23-25.

[2] 王靜宜. 多通道大容量高速數據存儲系統設計[D]. 中北大學,2014.

[3] 張旭, 亓學廣, 李世光, 芮昱, 邱彪. 基于STM32 電力數據采集系統的設計[J]. 電子測量技術,2010,11:90-93

[3] 張旭, 亓學廣, 李世光, 芮昱, 邱彪. 基于STM32 電力數據采集系統的設計[J]. 電子測量技術,2010,11:90-93