基于STM32的多路電壓測量設計方案

　　本設計提出一種基于STM32芯片的多路電壓測量設計方案，測量范圍在0-10V之間。把STM32內置A/D對多路電壓值進(jìn)行采樣，得到相應的數字量。然后按照數字量和模擬量的比例關(guān)系得到對應的模擬電壓值，通過(guò)TFTLCD顯示設備顯示出來(lái)，同時(shí)將多路采集的數據存儲到SD卡中。

　　1.引言

　　近年來(lái)，數據采集及其應用受到了人們越來(lái)越廣泛的關(guān)注，數據采集系統也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應用于各種領(lǐng)域。

　　數據采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，數據采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號獲取對象信息的過(guò)程。數據采集是工業(yè)控制等系統中的重要環(huán)節，通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來(lái)實(shí)現，作為測控系統不可缺少的部分，數據采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統。

　　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(gè)設計的核心。除此之外，設計中還必須有模數轉換器(ADC)。ADC用于直接采集模擬電壓并將模擬信號轉換成數字信號，它直接影響著(zhù)數據采集的精度和速度。

　　2.系統概述

　　本設計的微控制器采用STM32單片機。

　　STM32系列單片機是基于A(yíng)RM公司Cortex-M3內核設計的。它的時(shí)鐘頻率達到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)，是嵌入式應用設計中良好的選擇。設計中的A/D轉換器采用STM32內置ADC.STM32的ADC是一種12位逐次逼近型模擬數字轉換器。

　　它有多達18個(gè)通道，可測量16個(gè)外部和2個(gè)內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。轉換結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。其輸入時(shí)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(shí)時(shí)顯示電壓值和波形圖，MicroSD卡對數據進(jìn)行同步存儲。系統原理框圖如圖1所示。

　　3.系統硬件設計

　　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最小系統電路。LCD模塊主要包括LCD驅動(dòng)接口電路。SD卡模塊主要是SD卡驅動(dòng)電路。除此之外，還有用于程序下載調試的J-Link接口電路和電源電路等。

　　3.1 STM32最小系統

　　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)閃存存儲器為程序啟動(dòng)區域。芯片采用J - L i n k下載模式，也可以進(jìn)行硬件調試。STM32的電源引腳都接了濾波電容以確保單片機電源的穩定。

　　STM32F103VET6擁有3個(gè)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字轉換器。它有18個(gè)通道可測量16個(gè)外部和2個(gè)內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。STM32的ADC最大的轉換速率為1Mhz,也就是轉換時(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,否則將導致結果準確度下降。STM32將ADC的轉換分為2個(gè)通道組：規則通道組和注入通道組。規則通道相當于運行的程序，而注入通道就相當于中斷。在程序正常執行的時(shí)候，中斷是可以打斷程序正常執行的。同這個(gè)類(lèi)似，注入通道的轉換可以打斷規則通道的轉換，在注入通道被轉換完成之后，規則通道才得以繼續轉換。

　　本設計中ADC采集的數據使用DMA進(jìn)行傳輸，以達到高速實(shí)時(shí)的目的。

　　3.2 ADC控制電路

　　STM32的數字/模擬轉換模塊(DAC)是12位數字輸入，電壓輸出的數字/模擬轉換器。本設計中使用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的基礎上，往DAC通道的數據DAC_DHRx寄存器寫(xiě)入數據，如果沒(méi)有選中硬件觸發(fā)，存入寄存器DAC_DHRx的數據會(huì )在一個(gè)APB1時(shí)鐘周期后自動(dòng)傳至寄存器DAC_DORx.一旦數據從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(cháng)短依電源電壓和模擬輸出負載的不同會(huì )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A(yíng)DC控制電路中，輸入信號先經(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)性連續可調的可控增益放大器。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的增益設置為-11.07dB~+31.07dB.AD603的5、7腳相連，單片AD603的可調范圍為-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,增益調節范圍為40dB,當步進(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(guò)對特殊功能寄存器的設置，FSMC能夠根據不同的外部存儲器類(lèi)型，發(fā)出相應的數據/地址/控制信號類(lèi)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(lèi)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(shí)擴展多種不同類(lèi)型的靜態(tài)存儲器，滿(mǎn)足系統設計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。

　　在STM32內部，FSMC的一端通過(guò)內部高速總線(xiàn)AHB連接到內核Cortex-M3,另一端則是面向擴展存儲器的外部總線(xiàn)。內核對外部存儲器的訪(fǎng)問(wèn)信號發(fā)送到AHB總線(xiàn)后，經(jīng)過(guò)FSMC轉換為符合外部存儲器通信規約的信號，送到外部存儲器的相應引腳，實(shí)現內核與外部存儲器之間的數據交互。F S M C起到橋梁作用，既能夠進(jìn)行信號類(lèi)型的轉換，又能夠進(jìn)行信號寬度和時(shí)序的調整，屏蔽掉不同存儲類(lèi)型的差異，使之對內核而言沒(méi)有區別。

　　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(xiàn)，FSMC[15:0]共16條數據總線(xiàn)。另外，FSMC擴展的存儲空間被分成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器進(jìn)行操作。

　　3.4 SD卡驅動(dòng)電路

　　本設計中使用的SD卡為MicroSD,也稱(chēng)TF卡。MicroSD卡是一種極細小的快閃存儲器卡，主要應用于移動(dòng)電話(huà)，但因它的體積微小和儲存容量的不斷提升，現在已經(jīng)使用于GPS設備、便攜式音樂(lè )播放器、數碼相機和一些快閃存儲器盤(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條數據線(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根數據線(xiàn)。當然，4線(xiàn)模式的速度要快于1線(xiàn)模式，但操作卻較復雜。本設計中使用的是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(jìn)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(diǎn)坐標，從而確定觸摸的位置，進(jìn)行人機交互。

　　STM32單片機通過(guò)SPI總線(xiàn)與TSC2046通信，可以得到觸摸信息。本設計使用觸摸屏進(jìn)行測量通道數的設置和測量速度的設置。

　　4.系統軟件設計

　　4.1 軟件流程

　　系統軟件部分使用C語(yǔ)言編程，同時(shí)使用STM32官方提供的固件庫，使用的版本為3.5版。STM32固件庫也稱(chēng)固件函數庫或標準外設庫，是一個(gè)固件函數包，它由程序、數據結構和宏組成，包括了微控制器所有外設的性能特征。該函數庫還包括每一個(gè)外設的驅動(dòng)描述和應用實(shí)例，為開(kāi)發(fā)者訪(fǎng)問(wèn)底層硬件提供了一個(gè)中間API,通過(guò)使用固件函數庫，無(wú)需深入掌握底層硬件細節，開(kāi)發(fā)者就可以輕松應用每一個(gè)外設。因此，使用固態(tài)函數庫可以大大減少用戶(hù)的程序編寫(xiě)時(shí)間，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本。每個(gè)外設驅動(dòng)都由一組函數組成，這組函數覆蓋了該外設所有功能。簡(jiǎn)單的說(shuō)，使用標準外設庫進(jìn)行開(kāi)發(fā)最大的優(yōu)勢就在于可以使開(kāi)發(fā)者不用深入了解底層硬件細節就可以靈活規范的使用每一個(gè)外設。

　　軟件部分為了方便存儲數據的查看和讀取，在MicroSD卡部分使用了fatfs文件系統。

　　FAFFS是面向小型嵌入式系統的一種通用的FAT文件系統。FATFS完全是由AISI C語(yǔ)言編寫(xiě)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(xiě)好的SDIO驅動(dòng)，把FATFS文件系統代碼移植到工程之中，就可以利用文件系統的各種函數，對已格式化的SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)文件了。

　　以上是系統軟件設計的兩個(gè)主要部分，其他還有LCD驅動(dòng)程序，ADC和DMA驅動(dòng)程序，按鍵中斷程序等。

　　4.2 軟件文件結構

　　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的底層驅動(dòng)函數。Lcdfunc.c和lcdfunc.h是為了主程序更方便的操作LCD而編寫(xiě)的一些常用的復雜的對LCD底層函數的封裝函數。sdio_sdcard.c和sdio_sdcard.h是基于STM32固件庫的對MicroSD卡的底層驅動(dòng)函數。fat文件系統在STM32上的使用需要針對具體類(lèi)型的硬件進(jìn)行配置，所以它是基于MicroSD卡的底層驅動(dòng)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(xiě)的。其余的按鍵中斷和ADC等操作的函數是直接基于STM32固件庫的，并直接被主程序調用。

　　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(jià)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(mǎn)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(kāi)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定可靠性，以使設計更加完善。