基于STM32的多路電壓測(cè)量設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)提出一種基于STM32芯片的多路電壓測(cè)量設(shè)計(jì)方案，測(cè)量范圍在0-10V之間。把STM32內(nèi)置A/D對(duì)多路電壓值進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的數(shù)字量。然后按照數(shù)字量和模擬量的比例關(guān)系得到對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，通過(guò)TFTLCD顯示設(shè)備顯示出來(lái)，同時(shí)將多路采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中。

1.引言

近年來(lái)，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。

電壓的測(cè)量最為普遍性，研究設(shè)計(jì)并提高電壓測(cè)量精度的方法及儀器具有十分重要的意義。在電壓測(cè)量設(shè)計(jì)中，單片機(jī)作為控制器，是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。除此之外，設(shè)計(jì)中還必須有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC用于直接采集模擬電壓并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，它直接影響著數(shù)據(jù)采集的精度和速度。

2.系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)的微控制器采用STM32單片機(jī)。

STM32系列單片機(jī)是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)的。它的時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz,是同類(lèi)產(chǎn)品中性能較高的產(chǎn)品，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)中良好的選擇。設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器采用STM32內(nèi)置ADC.STM32的ADC是一種12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

它有多達(dá)18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。其輸入時(shí)鐘最大可達(dá)到14MHz.

本設(shè)計(jì)可測(cè)量8通道電壓值，測(cè)量范圍為0-10V的電壓，顯示誤差為±0.001V.LCD實(shí)時(shí)顯示電壓值和波形圖，MicroSD卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步存儲(chǔ)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件主要包括STM32模塊，LCD模塊，SD卡模塊和按鍵模塊。STM32模塊不僅作為核心控制器，還包括ADC設(shè)備，它主要包括STM32最小系統(tǒng)電路。LCD模塊主要包括LCD驅(qū)動(dòng)接口電路。SD卡模塊主要是SD卡驅(qū)動(dòng)電路。除此之外，還有用于程序下載調(diào)試的J-Link接口電路和電源電路等。

3.1 STM32最小系統(tǒng)

本模塊主要介紹STM32芯片和設(shè)計(jì)中用到的外設(shè)模塊。

STM32最小系統(tǒng)使用外部高速時(shí)鐘，外接8M晶振。STM32的兩個(gè)BOOT引腳都接低電平，以使用戶(hù)閃存存儲(chǔ)器為程序啟動(dòng)區(qū)域。芯片采用J - L i n k下載模式，也可以進(jìn)行硬件調(diào)試。STM32的電源引腳都接了濾波電容以確保單片機(jī)電源的穩(wěn)定。

STM32F103VET6擁有3個(gè)ADC,這些ADC可以獨(dú)立使用，也可以使用雙重模式(提高采樣率)。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個(gè)通道可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。STM32的ADC最大的轉(zhuǎn)換速率為1Mhz,也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us(ADCCLK=14M,采樣周期為1.5個(gè)ADC時(shí)鐘下得到)，不能讓ADC的時(shí)鐘超過(guò)14M,否則將導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度下降。STM32將ADC的轉(zhuǎn)換分為2個(gè)通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。規(guī)則通道相當(dāng)于運(yùn)行的程序，而注入通道就相當(dāng)于中斷。在程序正常執(zhí)行的時(shí)候，中斷是可以打斷程序正常執(zhí)行的。同這個(gè)類(lèi)似，注入通道的轉(zhuǎn)換可以打斷規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換，在注入通道被轉(zhuǎn)換完成之后，規(guī)則通道才得以繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計(jì)中ADC采集的數(shù)據(jù)使用DMA進(jìn)行傳輸，以達(dá)到高速實(shí)時(shí)的目的。

3.2 ADC控制電路

STM32的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊(DAC)是12位數(shù)字輸入，電壓輸出的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)中使用DAC來(lái)控制ADC匹配電路的增益。

在打開(kāi)DAC模塊電源和配置好DAC所需GPIO的基礎(chǔ)上，往DAC通道的數(shù)據(jù)DAC_DHRx寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有選中硬件觸發(fā)，存入寄存器DAC_DHRx的數(shù)據(jù)會(huì)在一個(gè)APB1時(shí)鐘周期后自動(dòng)傳至寄存器DAC_DORx.一旦數(shù)據(jù)從DAC_DHRx寄存器裝入DAC_DORx寄存器，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后，輸出即有效，這段時(shí)間的長(zhǎng)短依電源電壓和模擬輸出負(fù)載的不同會(huì)有所變化。

為了擴(kuò)大測(cè)量范圍和測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)在STM32的ADC前加入匹配電路。在ADC控制電路中，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)射極電壓跟隨電路，然后經(jīng)過(guò)分壓電路，使輸入信號(hào)滿(mǎn)足AD603的輸入要求。然后再經(jīng)過(guò)射極電壓跟隨電路，輸入ADC輸入端。AD603的控制輸入使用STM32的DAC,可以滿(mǎn)足增益的要求。

匹配電路以AD603為核心。AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍線(xiàn)性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器。帶寬90MHz時(shí)，其增益變化范圍為-10dB~+30dB;帶寬為9M時(shí)范圍為10~50dB.

將V O U T與F D B K短路，即為寬頻帶模式(90MHz寬頻帶)，AD603的增益設(shè)置為-11.07dB~+31.07dB.AD603的5、7腳相連，單片AD603的可調(diào)范圍為-10dB~30dB.AD603的增益與控制電壓成線(xiàn)性關(guān)系，其增益控制端輸入電壓范圍為±500mv,增益調(diào)節(jié)范圍為40dB,當(dāng)步進(jìn)5dB時(shí)，控制端電壓需增大：

ADC匹配電路的電路圖如圖2所示。

3.3 LCD控制電路

本設(shè)計(jì)所使用的LCD為2.4寸，320×240分辨率。LCD模塊使用STM32的FSMC接口控制。

FSMC(Flexible Static Memory Controller)即可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，是STM32系列中內(nèi)部集成256KB以上Flash,后綴為xC、xD和xE的高存儲(chǔ)密度微控制器特有的存儲(chǔ)控制機(jī)制。通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類(lèi)型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類(lèi)型以匹配信號(hào)的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類(lèi)型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類(lèi)型的靜態(tài)存儲(chǔ)器，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。

在STM32內(nèi)部，F(xiàn)SMC的一端通過(guò)內(nèi)部高速總線(xiàn)AHB連接到內(nèi)核Cortex-M3,另一端則是面向擴(kuò)展存儲(chǔ)器的外部總線(xiàn)。內(nèi)核對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)信號(hào)發(fā)送到AHB總線(xiàn)后，經(jīng)過(guò)FSMC轉(zhuǎn)換為符合外部存儲(chǔ)器通信規(guī)約的信號(hào)，送到外部存儲(chǔ)器的相應(yīng)引腳，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核與外部存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交互。F S M C起到橋梁作用，既能夠進(jìn)行信號(hào)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，又能夠進(jìn)行信號(hào)寬度和時(shí)序的調(diào)整，屏蔽掉不同存儲(chǔ)類(lèi)型的差異，使之對(duì)內(nèi)核而言沒(méi)有區(qū)別。

FSMC可以連接NOR/PSRAM/NAND/PC卡等設(shè)備，并且擁有FSMC_A[25:0]共26條地址總線(xiàn)，F(xiàn)SMC[15:0]共16條數(shù)據(jù)總線(xiàn)。另外，F(xiàn)SMC擴(kuò)展的存儲(chǔ)空間被分成8個(gè)塊。通過(guò)地址線(xiàn)選擇操作的塊。這樣，LCD將被看作一個(gè)擁有一塊地址空間的存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。

3.4 SD卡驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)中使用的SD卡為MicroSD,也稱(chēng)TF卡。MicroSD卡是一種極細(xì)小的快閃存儲(chǔ)器卡，主要應(yīng)用于移動(dòng)電話(huà)，但因它的體積微小和儲(chǔ)存容量的不斷提升，現(xiàn)在已經(jīng)使用于GPS設(shè)備、便攜式音樂(lè)播放器、數(shù)碼相機(jī)和一些快閃存儲(chǔ)器盤(pán)中。MicroSD卡引腳圖如圖9所示。

MicroSD卡與SD卡一樣，有SPI和SDIO兩種操作時(shí)總線(xiàn)。SPI總線(xiàn)相對(duì)于SDIO總線(xiàn)接口簡(jiǎn)單，但速度較慢。我們使用SDIO模式。

MicroSD卡在SDIO模式時(shí)有4條數(shù)據(jù)線(xiàn)。

其實(shí)，MicroSD在SDIO模式時(shí)有1線(xiàn)模式和4線(xiàn)模式，也就是分別使用1根或4根數(shù)據(jù)線(xiàn)。當(dāng)然，4線(xiàn)模式的速度要快于1線(xiàn)模式，但操作卻較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)中使用的是SDIO的4線(xiàn)模式。MicroSD卡的硬件連接圖如圖3所示。

3.5 觸摸屏電路

本設(shè)計(jì)在測(cè)量的通道和顯示設(shè)置上，除了使用按鍵設(shè)置，還使用觸摸屏進(jìn)行設(shè)置。

觸摸屏使用芯片TSC2046控制，其硬件連接圖如圖4所示。

在圖4中，TSC2046可以采集觸摸屏的點(diǎn)坐標(biāo)，從而確定觸摸的位置，進(jìn)行人機(jī)交互。

STM32單片機(jī)通過(guò)SPI總線(xiàn)與TSC2046通信，可以得到觸摸信息。本設(shè)計(jì)使用觸摸屏進(jìn)行測(cè)量通道數(shù)的設(shè)置和測(cè)量速度的設(shè)置。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程

系統(tǒng)軟件部分使用C語(yǔ)言編程，同時(shí)使用STM32官方提供的固件庫(kù)，使用的版本為3.5版。STM32固件庫(kù)也稱(chēng)固件函數(shù)庫(kù)或標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)，是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。該函數(shù)庫(kù)還包括每一個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)描述和應(yīng)用實(shí)例，為開(kāi)發(fā)者訪問(wèn)底層硬件提供了一個(gè)中間API,通過(guò)使用固件函數(shù)庫(kù)，無(wú)需深入掌握底層硬件細(xì)節(jié)，開(kāi)發(fā)者就可以輕松應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)。因此，使用固態(tài)函數(shù)庫(kù)可以大大減少用戶(hù)的程序編寫(xiě)時(shí)間，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本。每個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設(shè)所有功能。簡(jiǎn)單的說(shuō)，使用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)最大的優(yōu)勢(shì)就在于可以使開(kāi)發(fā)者不用深入了解底層硬件細(xì)節(jié)就可以靈活規(guī)范的使用每一個(gè)外設(shè)。

軟件部分為了方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的查看和讀取，在MicroSD卡部分使用了fatfs文件系統(tǒng)。

FAFFS是面向小型嵌入式系統(tǒng)的一種通用的FAT文件系統(tǒng)。FATFS完全是由AISI C語(yǔ)言編寫(xiě)并且完全獨(dú)立于底層的I/O介質(zhì)。因此它可以很容易地不加修改地移植到其他的處理器當(dāng)中，如8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等。

FATFS支持FAT12、FAT16、FAT32等格式，所以我們利用前面寫(xiě)好的SDIO驅(qū)動(dòng)，把FATFS文件系統(tǒng)代碼移植到工程之中，就可以利用文件系統(tǒng)的各種函數(shù)，對(duì)已格式化的SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)文件了。

以上是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要部分，其他還有LCD驅(qū)動(dòng)程序，ADC和DMA驅(qū)動(dòng)程序，按鍵中斷程序等。

4.2 軟件文件結(jié)構(gòu)

文件main.c是整個(gè)程序的入口文件，也是主要文件。global.c和global.h主要是共用的函數(shù)和全局性的宏定義。LCD_Disp.c和LCD_Disp.h是基于STM32固件庫(kù)的對(duì)LCD的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)。Lcdfunc.c和lcdfunc.h是為了主程序更方便的操作LCD而編寫(xiě)的一些常用的復(fù)雜的對(duì)LCD底層函數(shù)的封裝函數(shù)。sdio_sdcard.c和sdio_sdcard.h是基于STM32固件庫(kù)的對(duì)MicroSD卡的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)。fat文件系統(tǒng)在STM32上的使用需要針對(duì)具體類(lèi)型的硬件進(jìn)行配置，所以它是基于MicroSD卡的底層驅(qū)動(dòng)程序的。fatfunc.c和fatfunc.h是對(duì)fat文件操作接口的一些封裝，是針對(duì)本設(shè)計(jì)中對(duì)文件的操作編寫(xiě)的。其余的按鍵中斷和ADC等操作的函數(shù)是直接基于STM32固件庫(kù)的，并直接被主程序調(diào)用。

5.總結(jié)

STM32在速度、功耗方面性能都更加優(yōu)越，其豐富的外設(shè)也更加方便設(shè)計(jì)。另外，STM32價(jià)格較低，在成本上也有優(yōu)勢(shì)。STM32適合于控制電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中使用的ADC是STM32上的12位ADC,能夠滿(mǎn)足一定的測(cè)量精度，對(duì)于較高的測(cè)量要求，則需要使用更高精確度的ADC.但是使用高精度ADC和DSP芯片，將很大的增加開(kāi)發(fā)成本。本設(shè)計(jì)方案完成了多路電壓測(cè)量的各項(xiàng)功能，但是還需要在使用中檢測(cè)其穩(wěn)定可靠性，以使設(shè)計(jì)更加完善。