基于Cortex-M4醫療設備多通道模擬量采集器的設計

　　張照偉，張振守

　?。险阶詣?dòng)化設備有限公司，山東 濟南 250101）

　　摘要：設計一種基于Cortex-M4微控制器的多通道模擬量采集器。主要闡述了模擬量采集器的前端設計、多通道方案、硬件濾波和數據變換處理?，F場(chǎng)運行表明，該采集器穩定性好、采集速率快、采集精度高。特別適用于醫療設備的溫度和壓力采集。

　　關(guān)鍵詞：Cortex-M4；多通道模擬量；SDADC；成本低

　　0 引言

　　本文介紹的多通道模擬量采集器是采用Cortex-M4處理器內核STM32F372微控制器，支持DSP指令，內置浮點(diǎn)單元 (FPU)，運行頻率高達72 MHz。該芯片內部的SDADC是高性能、低功耗的模塊，該模塊具有16位的采樣精度，50 ksps采樣速率，內部集成7級運算放大器。利用SDADC進(jìn)行模擬量的采樣和放大。無(wú)論精度還是采集速度都能得到提升。具體設計如圖1所示。

　　從設計框圖可以看出，本設計具有兩個(gè)特點(diǎn)：

　?。?）與以往MCU+ADC的模擬量方案相比，本方案只使用一顆STM32F372芯片，利用內部集成SDADC外設，可以節省成本，減小PCB的空間。

　?。?）與以往使用多通道ADC芯片相比，使用多通道模擬開(kāi)關(guān)，具有通道之間干擾更小，隔離效果更好，而且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 硬件設計

　　1.1 STM32F372的電源&參考源設計

　　STM32系列芯片的電源引腳只需配置100 nF+10uF的去耦電容即可。但是SDADC模塊擁有獨立的電源和參考源引腳。為了具有高精度，所以需要使用高精度基準源作為參考，這里采用TI生產(chǎn)的溫漂50 ppm的2.5V電壓基準源芯片REF3025 。電路的模擬地和數字地隔離設計。設計原理圖請參看圖2。

　　1.2 模擬量采集的前端設計

　　本文設計的模擬量前端是惠斯登電橋的PT100測量電路，當然模擬前端也可設計成測量0mA~20 mA的信號。此采集系統可以測量電壓和電流信號，需要根據實(shí)際的應用來(lái)設計采集器前端電路。這里介紹電橋式、通道之間隔離的三線(xiàn)制PT100測量前端。原理圖如圖3。

　　為了避免通道之間的干擾，電橋的參考電壓每個(gè)通道都采用了DC-DC的隔離電源模塊UA2。RA3/RA4/RB2的阻值選擇要根據溫度的測量范圍、SDADC的增益和選用的熱敏電阻三者決定。圖3中的阻值配置，使用增益G=8倍，PT100熱敏電阻。這樣選型測量的溫度范圍是0 ℃~350 ℃。具體公式推導，可以查看惠斯登電橋的設計。這里不再推導。

　　1.3 多通道擴展新方式

　　以往的多通道模擬量測量是采用多通道ADC芯片或多個(gè)單通道ADC芯片。顯然多通道的ADC和多個(gè)ADC芯片，成本必然增加。本設計采用單通道高速ADC+模擬開(kāi)關(guān)的方式。其實(shí)多通道的ADC內部 也 是 一 個(gè) A D C內核+一個(gè)多通道模擬開(kāi)關(guān)。但是本設計方案要比多通道ADC有價(jià)格優(yōu)勢。而且隔離效果更好。模擬開(kāi)關(guān)的性能可以根據隔離需求選擇。模擬前端的差分信號A1+/A1-經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的選擇進(jìn)入模擬信號的濾波網(wǎng)絡(luò )，濾除共模干擾。經(jīng)過(guò)濾波的差分信號，再進(jìn)入STM32F372的SDADC模塊引腳。內部的16位 Sigma-Delta 模數轉換器進(jìn)行對差分信號的轉換。具體電路設計參見(jiàn)圖4:

　　1.4 采集器和主控器的通信方式

　　模擬量采集器可以通過(guò)IIC、RS232、RS485、CAN等通信方式和主控器通信。而STM32F372芯片內部集成了這些外設，可以在不增加硬件成本的情況，自由選擇通信方式，大大方便了用戶(hù)。本設計使用IIC通信，快速穩定，且可以輕松擴展模塊。

　　2 軟件設計

　　軟件處理流程圖，如圖5。模擬量采集器的程序控制、數據變換處理，是以PT100溫度的采集為例。由于現場(chǎng)的干擾，采集的數據也會(huì )有誤差。濾除干擾數據的辦法除了硬件濾波網(wǎng)絡(luò )，還有軟件濾波。軟件濾波采用去除最大最小，然后取平均值的方式。經(jīng)過(guò)多次平均的數據，再去查找PT100的分段線(xiàn)性化的數據表，計算得到實(shí)際的溫度值。精度可以達到0.1℃。

　　3 小結

　　本方案設計的多通道模擬量采集器，使用了新型的具有模擬外設的32位數字信號控制器STM32F372。高度整合多種外設到一個(gè)芯片上，大大降低成本，減小體積。使用了新穎的方案來(lái)擴展多通道模擬量。經(jīng)過(guò)實(shí)際的應用測量，具有精度高，溫漂小、采樣速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。完全適用于醫療設備的溫度、壓力、電流、水質(zhì)等方面的測量。

　　參考文獻：

　　[1] RM0313 Reference manual STM32F37xx advanced ARM-based 32-bit MCUs

　　[2] STM32F372XX ARM Cortex-M4F 32b MCU+FPU, up to 256KB Flash+32KB SRAM timers,4 ADCs (12/16-bit), 3 DACs, 2 comp., 2.0-3.6 V operation

　　[3] 喻金錢(qián) 喻斌 STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開(kāi)發(fā)與應用 清華大學(xué)出版社，2011

　　[4] 劉軍 例說(shuō)STM32 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2011

　　[5] 廖義奎 STM32F207高性能網(wǎng)絡(luò )型MCU嵌入式系統設計 北京航空航天大學(xué)出版社 2012

　　作者簡(jiǎn)介：

　　張照偉，（1938-），電子工程師， 主要研究方向：從事醫療設備電子控制技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第48頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處