基于STM32的多路电压测量设计方案
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1.引言 近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。 数据采集技术是信息科学的重要分支之一，数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。 电压的测量最为普遍性，研究设计并提高电压测量精度的方法及仪器具有十分重要的意义。在电压测量设计中，单片机作为控制器，是整个设计的核心。除此之外，设计中还必须有模数转换器(ADC)。ADC用于直接采集模拟电压并将模拟信号转换成数字信号，它直接影响着数据采集的精度和速度。 2.系统概述 本设计的微控制器采用STM32单片机。 STM32系列单片机是基于ARM公司Cortex-M3内核设计的。它的时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能较高的产品，具有高性能、低成本、低功耗的优点，是嵌入式应用设计中良好的选择。设计中的A/D转换器采用STM32内置ADC.STM32的ADC是一种12位逐次逼近型模拟数字转换器。 它有多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。转换结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。其输入时钟最大可达到14MHz. 本设计可测量8通道电压值，测量范围为0-10V的电压，显示误差为±0.001V.LCD实时显示电压值和波形图，MicroSD卡对数据进行同步存储。系统原理框图如图1所示。
3.系统硬件设计 本设计的硬件主要包括STM32模块，LCD模块，SD卡模块和按键模块。STM32模块不仅作为核心控制器，还包括ADC设备，它主要包括STM32最小系统电路。LCD模块主要包括LCD驱动接口电路。SD卡模块主要是SD卡驱动电路。除此之外，还有用于程序下载调试的J-Link接口电路和电源电路等。 3.1 STM32最小系统 本模块主要介绍STM32芯片和设计中用到的外设模块。 STM32最小系统使用外部高速时钟，外接8M晶振。STM32的两个BOOT引脚都接低电平，以使用户闪存存储器为程序启动区域。芯片采用J - L i n k下载模式，也可以进行硬件调试。STM32的电源引脚都接了滤波电容以确保单片机电源的稳定。 STM32F103VET6拥有3个ADC,这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式(提高采样率)。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。STM32的ADC最大的转换速率为1Mhz,也就是转换时间为1us(ADCCLK=14M,采样周期为1.5个ADC时钟下得到)，不能让ADC的时钟超过14M,否则将导致结果准确度下降。STM32将ADC的转换分为2个通道组：规则通道组和注入通道组。规则通道相当于运行的程序，而注入通道就相当于中断。在程序正常执行的时候，中断是可以打断程序正常执行的。同这个类似，注入通道的转换可以打断规则通道的转换，在注入通道被转换完成之后，规则通道才得以继续转换。 本设计中ADC采集的数据使用DMA进行传输，以达到高速实时的目的。 3.2 ADC控制电路 STM32的数字/模拟转换模块(DAC)是12位数字输入，电压输出的数字/模拟转换器。本设计中使用DAC来控制ADC匹配电路的增益。 在打开DAC模块电源和配置好DAC所需GPIO的基础上，往DAC通道的数据DAC_DHRx寄存器写入数据，如果没有选中硬件触发，存入寄存器DAC_DHRx的数据会在一个APB1时钟周期后自动传至寄存器DAC_DORx.一旦数据从DAC_DHRx寄存器装入DAC_DORx寄存器，在经过一定时间之后，输出即有效，这段时间的长短依电源电压和模拟输出负载的不同会有所变化。 为了扩大测量范围和测量精度，本设计在STM32的ADC前加入匹配电路。在ADC控制电路中，输入信号先经过射极电压跟随电路，然后经过分压电路，使输入信号满足AD603的输入要求。然后再经过射极电压跟随电路，输入ADC输入端。AD603的控制输入使用STM32的DAC,可以满足增益的要求。 匹配电路以AD603为核心。AD603为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器。带宽90MHz时，其增益变化范围为-10dB~ 30dB;带宽为9M时范围为10~50dB. 将V O U T与F D B K短路，即为宽频带模式(90MHz宽频带)，AD603的增益设置为-11.07dB~ 31.07dB.AD603的5、7脚相连，单片AD603的可调范围为-10dB~30dB.AD603的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为±500mv,增益调节范围为40dB,当步进5dB时，控制端电压需增大：
ADC匹配电路的电路图如图2所示。
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