基于Cortex-M4醫(yī)療設(shè)備多通道模擬量采集器的設(shè)計(jì)

　　張照偉，張振守

　?。?jì)南正平自動(dòng)化設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

　　摘要：設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、多通道方案、硬件濾波和數(shù)據(jù)變換處理?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該采集器穩(wěn)定性好、采集速率快、采集精度高。特別適用于醫(yī)療設(shè)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(nèi)核STM32F372微控制器，支持DSP指令，內(nèi)置浮點(diǎn)單元 (FPU)，運(yùn)行頻率高達(dá)72 MHz。該芯片內(nèi)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(nèi)部集成7級(jí)運(yùn)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(shè)計(jì)如圖1所示。

　　從設(shè)計(jì)框圖可以看出，本設(shè)計(jì)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(nèi)部集成SDADC外設(shè)，可以節(jié)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(shè)計(jì)

　　1.1 STM32F372的電源&參考源設(shè)計(jì)

　　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(dú)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(zhǔn)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(zhǔn)源芯片REF3025 。電路的模擬地和數(shù)字地隔離設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原理圖請(qǐng)參看圖2。

　　1.2 模擬量采集的前端設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的模擬量前端是惠斯登電橋的PT100測(cè)量電路，當(dāng)然模擬前端也可設(shè)計(jì)成測(cè)量0mA~20 mA的信號(hào)。此采集系統(tǒng)可以測(cè)量電壓和電流信號(hào)，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)采集器前端電路。這里介紹電橋式、通道之間隔離的三線制PT100測(cè)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(jù)溫度的測(cè)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(cè)量的溫度范圍是0 ℃~350 ℃。具體公式推導(dǎo)，可以查看惠斯登電橋的設(shè)計(jì)。這里不再推導(dǎo)。

　　1.3 多通道擴(kuò)展新方式

　　以往的多通道模擬量測(cè)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(shè)計(jì)采用單通道高速ADC+模擬開關(guān)的方式。其實(shí)多通道的ADC內(nèi)部 也 是 一 個(gè) A D C內(nèi)核+一個(gè)多通道模擬開關(guān)。但是本設(shè)計(jì)方案要比多通道ADC有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。而且隔離效果更好。模擬開關(guān)的性能可以根據(jù)隔離需求選擇。模擬前端的差分信號(hào)A1+/A1-經(jīng)過模擬開關(guān)的選擇進(jìn)入模擬信號(hào)的濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除共模干擾。經(jīng)過濾波的差分信號(hào)，再進(jìn)入STM32F372的SDADC模塊引腳。內(nèi)部的16位 Sigma-Delta 模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對(duì)差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。具體電路設(shè)計(jì)參見圖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IIC、RS232、RS485、CAN等通信方式和主控器通信。而STM32F372芯片內(nèi)部集成了這些外設(shè)，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。本設(shè)計(jì)使用IIC通信，快速穩(wěn)定，且可以輕松擴(kuò)展模塊。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件處理流程圖，如圖5。模擬量采集器的程序控制、數(shù)據(jù)變換處理，是以PT100溫度的采集為例。由于現(xiàn)場(chǎng)的干擾，采集的數(shù)據(jù)也會(huì)有誤差。濾除干擾數(shù)據(jù)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)過多次平均的數(shù)據(jù)，再去查找PT100的分段線性化的數(shù)據(jù)表，計(jì)算得到實(shí)際的溫度值。精度可以達(dá)到0.1℃。

　　3 小結(jié)

　　本方案設(shè)計(jì)的多通道模擬量采集器，使用了新型的具有模擬外設(shè)的32位數(shù)字信號(hào)控制器STM32F372。高度整合多種外設(shè)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(kuò)展多通道模擬量。經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用測(cè)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(yī)療設(shè)備的溫度、壓力、電流、水質(zhì)等方面的測(cè)量。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[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

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　　[4] 劉軍 例說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(tǒng)設(shè)計(jì) 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(yī)療設(shè)備電子控制技術(shù)的研究和開發(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)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處