1.引言
近年來，數(shù)據(jù)采集及其應用受到了人們越來越廣泛的關注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應用于各種領域。
數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的重要分支之一，數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。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獨立的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點直接影響到整個系統(tǒng)。
電壓的測量最為普遍性，研究設計并提高電壓測量精度的方法及儀器具有十分重要的意義。在電壓測量設計中，單片機作為控制器，是整個設計的核心。除此之外，設計中還必須有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC用于直接采集模擬電壓并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，它直接影響著數(shù)據(jù)采集的精度和速度。
2.系統(tǒng)概述
本設計的微控制器采用STM32單片機。
STM32系列單片機是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核設計的。它的時鐘頻率達到72MHz,是同類產(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，是嵌入式應用設計中良好的選擇。設計中的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18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。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)換結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。其輸入時鐘最大可達到14MHz.
本設計可測量8通道電壓值，測量范圍為0-10V的電壓，顯示誤差為±0.001V.LCD實時顯示電壓值和波形圖，MicroSD卡對數(shù)據(jù)進行同步存儲。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
3.系統(tǒng)硬件設計
本設計的硬件主要包括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)動接口電路。SD卡模塊主要是SD卡驅(qū)動電路。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芯片和設計中用到的外設模塊。
STM32最小系統(tǒng)使用外部高速時鐘，外接8M晶振。STM32的兩個BOOT引腳都接低電平，以使用戶閃存存儲器為程序啟動區(qū)域。芯片采用J - L i n k下載模式，也可以進行硬件調(diào)試。STM32的電源引腳都接了濾波電容以確保單片機電源的穩(wěn)定。
STM32F103VET6擁有3個ADC,這些ADC可以獨立使用，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個通道可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。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的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在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)換時間為1us(ADCCLK=14M,采樣周期為1.5個ADC時鐘下得到)，不能讓ADC的時鐘超過14M,否則將導致結果準確度下降。STM32將ADC的轉(zhuǎn)換分為2個通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。規(guī)則通道相當于運行的程序，而注入通道就相當于中斷。在程序正常執(zhí)行的時候，中斷是可以打斷程序正常執(zhí)行的。同這個類似，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。
本設計中ADC采集的數(shù)據(jù)使用DMA進行傳輸，以達到高速實時的目的。
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。本設計中使用DAC來控制ADC匹配電路的增益。
在打開DAC模塊電源和配置好DAC所需GPIO的基礎上，往DAC通道的數(shù)據(jù)DAC_DHRx寄存器寫入數(shù)據(jù)，如果沒有選中硬件觸發(fā)，存入寄存器DAC_DHRx的數(shù)據(jù)會在一個APB1時鐘周期后自動傳至寄存器DAC_DORx.一旦數(shù)據(jù)從DAC_DHRx寄存器裝入DAC_DORx寄存器，在經(jīng)過一定時間之后，輸出即有效，這段時間的長短依電源電壓和模擬輸出負載的不同會有所變化。
為了擴大測量范圍和測量精度，本設計在STM32的ADC前加入匹配電路。在ADC控制電路中，輸入信號先經(jīng)過射極電壓跟隨電路，然后經(jīng)過分壓電路，使輸入信號滿足AD603的輸入要求。然后再經(jīng)過射極電壓跟隨電路，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、增益變化范圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器。帶寬90MHz時，其增益變化范圍為-10dB~+30dB;帶寬為9M時范圍為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性關系，其增益控制端輸入電壓范圍為±500mv,增益調(diào)節(jié)范圍為40dB,當步進5dB時，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
本設計所使用的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的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。通過對特殊功能寄存器的設置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。
在STM32內(nèi)部，F(xiàn)SMC的一端通過內(nèi)部高速總線AHB連接到內(nèi)核Cortex-M3,另一端則是面向擴展存儲器的外部總線。內(nèi)核對外部存儲器的訪問信號發(fā)送到AHB總線后，經(jīng)過FSMC轉(zhuǎn)換為符合外部存儲器通信規(guī)約的信號，送到外部存儲器的相應引腳，實現(xiàn)內(nèi)核與外部存儲器之間的數(shù)據(jù)交互。F S M C起到橋梁作用，既能夠進行信號類型的轉(zhuǎn)換，又能夠進行信號寬度和時序的調(diào)整，屏蔽掉不同存儲類型的差異，使之對內(nèi)核而言沒有區(qū)別。
FSMC可以連接NOR/PSRAM/NAND/PC卡等設備，并且擁有FSMC_A[25:0]共26條地址總線，F(xiàn)SMC[15:0]共16條數(shù)據(jù)總線。另外，F(xiàn)SMC擴展的存儲空間被分成8個塊。通過地址線選擇操作的塊。這樣，LCD將被看作一個擁有一塊地址空間的存儲器進行操作。
3.4 SD卡驅(qū)動電路
本設計中使用的SD卡為MicroSD,也稱TF卡。MicroSD卡是一種極細小的快閃存儲器卡，主要應用于移動電話，但因它的體積微小和儲存容量的不斷提升，現(xiàn)在已經(jīng)使用于GPS設備、便攜式音樂播放器、數(shù)碼相機和一些快閃存儲器盤中。MicroSD卡引腳圖如圖9所示。
MicroSD卡與SD卡一樣，有SPI和SDIO兩種操作時總線。SPI總線相對于SDIO總線接口簡單，但速度較慢。我們使用SDIO模式。
MicroSD卡在SDIO模式時有4條數(shù)據(jù)線。
其實，MicroSD在SDIO模式時有1線模式和4線模式，也就是分別使用1根或4根數(shù)據(jù)線。當然，4線模式的速度要快于1線模式，但操作卻較復雜。本設計中使用的是SDIO的4線模式。MicroSD卡的硬件連接圖如圖3所示。
3.5 觸摸屏電路
本設計在測量的通道和顯示設置上，除了使用按鍵設置，還使用觸摸屏進行設置。
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坐標，從而確定觸摸的位置，進行人機交互。
STM32單片機通過SPI總線與TSC2046通信，可以得到觸摸信息。本設計使用觸摸屏進行測量通道數(shù)的設置和測量速度的設置。
4.系統(tǒng)軟件設計
4.1 軟件流程
系統(tǒng)軟件部分使用C語言編程，同時使用STM32官方提供的固件庫，使用的版本為3.5版。STM32固件庫也稱固件函數(shù)庫或標準外設庫，是一個固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結構和宏組成，包括了微控制器所有外設的性能特征。該函數(shù)庫還包括每一個外設的驅(qū)動描述和應用實例，為開發(fā)者訪問底層硬件提供了一個中間API,通過使用固件函數(shù)庫，無需深入掌握底層硬件細節(jié)，開發(fā)者就可以輕松應用每一個外設。因此，使用固態(tài)函數(shù)庫可以大大減少用戶的程序編寫時間，進而降低開發(fā)成本。每個外設驅(qū)動都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設所有功能。簡單的說，使用標準外設庫進行開發(fā)最大的優(yōu)勢就在于可以使開發(fā)者不用深入了解底層硬件細節(jié)就可以靈活規(guī)范的使用每一個外設。
軟件部分為了方便存儲數(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語言編寫并且完全獨立于底層的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好的SDIO驅(qū)動，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)，對已格式化的SD卡進行讀寫文件了。
以上是系統(tǒng)軟件設計的兩個主要部分，其他還有LCD驅(qū)動程序，ADC和DMA驅(qū)動程序，按鍵中斷程序等。
4.2 軟件文件結構
文件main.c是整個程序的入口文件，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固件庫的對LCD的底層驅(qū)動函數(shù)。Lcdfunc.c和lcdfunc.h是為了主程序更方便的操作LCD而編寫的一些常用的復雜的對LCD底層函數(shù)的封裝函數(shù)。sdio_sdcard.c和sdio_sdcard.h是基于STM32固件庫的對MicroSD卡的底層驅(qū)動函數(shù)。fat文件系統(tǒng)在STM32上的使用需要針對具體類型的硬件進行配置，所以它是基于MicroSD卡的底層驅(qū)動程序的。fatfunc.c和fatfunc.h是對fat文件操作接口的一些封裝，是針對本設計中對文件的操作編寫的。其余的按鍵中斷和ADC等操作的函數(shù)是直接基于STM32固件庫的，并直接被主程序調(diào)用。
5.總結
STM32在速度、功耗方面性能都更加優(yōu)越，其豐富的外設也更加方便設計。另外，STM32價格較低，在成本上也有優(yōu)勢。STM32適合于控制電子設備的設計。設計中使用的ADC是STM32上的12位ADC,能夠滿足一定的測量精度，對于較高的測量要求，則需要使用更高精確度的ADC.但是使用高精度ADC和DSP芯片，將很大的增加開發(fā)成本。本設計方案完成了多路電壓測量的各項功能，但是還需要在使用中檢測其穩(wěn)定可靠性，以使設計更加完善。
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