基于STM32的多路電壓測(cè)量設(shè)計(jì)方案

1.引言

近年來，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們?cè)絹碓綇V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(chǔ)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(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)過射極電壓跟隨電路，然后經(jīng)過分壓電路，使輸入信號(hào)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(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。

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