基于STM32數據采集器的設計

　　數據采集技術(shù)在工業(yè)、航天、軍事等方面具有很強的實(shí)用性，隨著(zhù)現代科技發(fā)展，數據采集技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用和發(fā)展。同時(shí)對數據采集器的精度、抗干擾能力、安全和通信兼容等方面提出了更高的要求?；谏鲜鲆筇岢隽艘环N基于STM32F101的數據采集器的設計方案，該數據采集器使用MODBUS協(xié)議作為RS485通信標準規約，信號調理電路與STM32F101的AD采樣通道之間均采用硬件隔離保護，可同時(shí)采樣3路DC0-5V電壓信號、3路DC4-20mA電流信號和6路開(kāi)關(guān)量輸入信號，實(shí)驗證明本數據采集器具有較高的測量精度，符合工業(yè)現場(chǎng)應用需求。

　　信號采集主要包括電壓信號、電流信號、頻率信號以及開(kāi)關(guān)量信號，隨著(zhù)現代技術(shù)的發(fā)展，傳感器主要輸出標準的電壓電流信號，而傳感器是將外部的非電量信號轉換成標準的電信號進(jìn)行輸出，本課題所設計的數據采集器可以同時(shí)采集電壓、電流、開(kāi)關(guān)量輸入輸出信號，且每個(gè)部分獨立工作，硬件調理電路中均采用信號隔離技術(shù)，數據采集器與上位機采用RS485通信，使用MODBUS協(xié)議作為通信規約，便于數據采集器與其他工業(yè)設備實(shí)現數據共享。

　　課題設計的基于STM32的數據采集器，使用性?xún)r(jià)比較高的STM32F101作為核心處理器，時(shí)鐘倍頻后處理速度可達36MHz;內部自帶12位AD轉換通道，保證數據采樣和處理的速度和精度。

　　1數據采集器工作原理

　　數據采集器具有標準的電壓、電流以及開(kāi)關(guān)量輸入信號采樣接口。模擬量信號采樣接口電路，使用HCNR201線(xiàn)性光耦進(jìn)行信號隔離。電壓信號接口可輸入DC0-5V信號，輸入的電壓信號經(jīng)過(guò)電壓信號調理電路對信號進(jìn)行濾波、隔離和限幅后送入STM32F101的AD采樣通道;電流信號接口可輸入4-20mA信號，輸入的電流信號通過(guò)精密采樣電阻，將電流信號轉換成電壓信號，然后再將轉換的電壓信號送入電壓信號調理電路進(jìn)行處理，最后再送入AD采樣通道;開(kāi)關(guān)量輸入接口采用光耦進(jìn)行隔離，實(shí)現光電轉換和隔離保護。STM32F101將采樣的數據進(jìn)行軟件處理后，再通過(guò)RS485通信接口將數據上傳至上位機或者其他設備，完成數據采集處理和通信的功能。

　　2數據采集器硬件設計

　　數據采集器硬件結構包括STM32最小系統、電源、開(kāi)關(guān)量輸入接口電路、電壓信號采樣接口電路、電流信號采樣接口電路和RS485通信接口電路，數據采集器結構圖如圖1所示。

　　圖1 基于STM32的數據采集器結構圖

　　2.1 STM32F101最小系統

　　STM32F101最小系統包括晶振電路、復位電路和SW程序調試接口電路，晶振電路主要為系統工作提供所需要的時(shí)鐘，通過(guò)初始化配置STM32F101內部的時(shí)鐘寄存器，可將外部時(shí)鐘頻率倍頻到36MHz;復位電路主要用于防止數據采集器程序跑飛或者死機時(shí)手動(dòng)復位，同時(shí)在程序內部加入看門(mén)狗復位，程序在正常運行時(shí)正常喂狗，而當程序跑飛時(shí)數據采集器也可自動(dòng)完成復位，使程序重新執行;SW程序調接口電路，主要用于開(kāi)發(fā)人員對STM32F101進(jìn)行編程和在線(xiàn)仿真調試，完成數據采集器的軟件設計。由于STM32F101性?xún)r(jià)比較高，片內集成資源豐富，在設計數據采集器時(shí)可大大簡(jiǎn)化外部硬件電路設計。

　　2.2電源電路

　　本課題所設計的數據采集器可工作于DC12V，輸入的DC12V經(jīng)過(guò)LM7805CT轉換為+5V電壓，并通過(guò)電感L15實(shí)現輸入DC12V電源GND與+5V電源DGND的隔離，DC12V轉DC+5V電源轉換電路如圖2所示。由于STM32F101工作電壓為3.3V，因此還需通過(guò)電源模塊LT1117-3.3轉為DC+3.3V，供給CPU使用。DC+5V轉DC3.3V電源轉換電路如圖3所示。

　　圖2 DC12V轉DC+5V電源轉換電路

　　圖3 DC+5V轉換DC3.3V電源轉換電路

　　另外在所設計的硬件電路中，對RS485通信電路和模擬量的信號采樣電路均用了信號隔離技術(shù)，供給RS485芯片工作的電源和模擬量信號處理電路中的線(xiàn)性光耦電源均需通過(guò)隔離電源模塊B0505S轉換產(chǎn)生，該模塊可將+5V電源輸出為另一路隔離電源，而且芯片隔離電壓能達到1000VDC，溫度特性較好。線(xiàn)性光耦電源AD+5V和RS485電源S+5V轉換電路如圖4、圖5所示。

　　圖4 DC+5V轉DC AD+5V電源轉換電路

　　圖5 DC+5V轉DC 5+5V電源轉換電路

　　2.3開(kāi)關(guān)量輸入接口電路

　　開(kāi)關(guān)量輸入接口主要用于采集外部開(kāi)關(guān)量信號，此部分電路使用TLP521光耦進(jìn)行隔離，保證信號采樣電路的安全性，同時(shí)可減小電路干擾。開(kāi)關(guān)量信號從IN輸入，COM為信號輸入公共端。開(kāi)關(guān)量信號經(jīng)光耦輸出至STM32的GPIO口，實(shí)現對外部開(kāi)關(guān)量信號的檢測。

　　2.4電壓電流信號采樣接口電路

　　傳感器將非電量信號轉換為電信號，一般輸出標準電壓電流信號，STM32F101自帶AD轉換通道允許輸入電壓范圍為0-3.3V，因此傳感器輸出信號需經(jīng)信號調理電路調整到AD通道有效采樣電壓范圍。本課題的設計的數據采集卡可采樣DC0-5V電壓信號和DC4-20mA電流信號，使用HCNR201線(xiàn)性光耦進(jìn)行隔離，輸出跟隨輸入變化，線(xiàn)性度較好，保證了信號采樣的準確性。

　　電壓信號采樣接口電路輸入電壓范圍為DC0-5V，輸入電壓經(jīng)電阻R1A和R1B分壓后經(jīng)電阻R63輸入至運放U30A反相端，電容C107構成反饋電容，主要用來(lái)消除噪聲和干擾。運放U30A在此處構成比較器，當有外部電壓信號接入時(shí)，U30A的1端輸出低電平，線(xiàn)性光耦HCNR201的LED發(fā)光，當光照到PD1、PD2時(shí)分別形成通路，線(xiàn)性光耦主要實(shí)現光電轉換和隔離，經(jīng)過(guò)線(xiàn)性光耦輸出的電流信號通過(guò)運放U31B構成的電路形成電壓信號，經(jīng)過(guò)U31B輸出的電壓信號經(jīng)過(guò)運放U31A構成的3.3V限幅電路，將輸出電壓限定在0-3.3V范圍內，以保證STM32F101的AD通道采集到正常的電壓信號。

　　2.5 RS485通信接口電路

　　RS485通信主要實(shí)現采集的數據傳輸，為保證數據傳輸的安全性和通信的兼容性，在硬件設計上使用SP3485作為收發(fā)控制器，同時(shí)使用TLP521光耦進(jìn)行隔離，保證數據采集卡硬件通信的安全;在軟件設計上使用工業(yè)標準的MODBUS協(xié)議作為RS485通信規約，保證系統良好的兼容性和數據傳輸的準確性。

　　3軟件設計

　　數據采集器軟件設計主要采用模塊化編程，主程序流程圖主要包括關(guān)中斷、各功能模塊初始化、開(kāi)相關(guān)中斷、看門(mén)狗定時(shí)、開(kāi)關(guān)量輸入采集、AD采樣處理、RS485通信數據處理和定時(shí)喂狗;主程序流程圖如圖6所示。

　　圖6 數據采集卡主程序流程圖

　　4結語(yǔ)

　　通過(guò)Multism對電壓信號采樣電路進(jìn)行仿真，采樣輸入信號接入示波器A通道，電壓幅值范圍為DC0-5V，輸入信號經(jīng)過(guò)電壓信號處理電路后輸出電壓信號輸入示波器B通道，當輸入電壓為100mV時(shí)，經(jīng)過(guò)電壓信號處理電路輸出電壓為101.541mV;當輸入電壓為3.28V時(shí)，經(jīng)過(guò)電壓信號處理電路輸出電壓為3.28V;當輸入電壓為5V時(shí)，經(jīng)過(guò)3.3V限幅電路后電壓被鉗在3.3V，由仿真圖觀(guān)察可知，HCNR201具有良好的線(xiàn)性度，保證了數據采樣的精度。

　　圖7 100mv電壓信號采樣處理電路Multism仿真

　　圖8 3.28V電壓信號采樣處理電路Multism仿真

　　圖9 5V電壓信號采樣處理電路Multism仿真