本設計提出一種基于STM32芯片的多路電壓測量設計方案，測量范圍在0-10V之間。把STM32內置A/D對多路電壓值進行采樣，得到相應的數字量。然后按照數字量和模擬量的比例關系得到對應的模擬電壓值，通過TFTLCD顯示設備顯示出來，同時將多路采集的數據存儲到SD卡中。

1.引言

近年來，數據采集及其應用受到了人們越來越廣泛的關注，數據采集系統也有了迅速的發展，它可以廣泛的應用于各種領域。

數據采集技術是信息科學的重要分支之一，數據采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。數據采集是工業控制等系統中的重要環節，通常采用一些功能相對獨立的單片機系統來實現，作為測控系統不可缺少的部分，數據采集的性能特點直接影響到整個系統。

電壓的測量最為普遍性，研究設計并提高電壓測量精度的方法及儀器具有十分重要的意義。在電壓測量設計中，單片機作為控制器，是整個設計的核心。除此之外，設計中還必須有模數轉換器（ADC）。ADC用于直接采集模擬電壓并將模擬信號轉換成數字信號，它直接影響著數據采集的精度和速度。

2.系統概述

本設計的微控制器采用STM32單片機。

STM32系列單片機是基于ARM公司Cortex-M3內核設計的。它的時鐘頻率達到72MHz,是同類產品中性能較高的產品，具有高性能、低成本、低功耗的優點，是嵌入式應用設計中良好的選擇。設計中的A/D轉換器采用STM32內置ADC.STM32的ADC是一種12位逐次逼近型模擬數字轉換器。

它有多達18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。轉換結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。其輸入時鐘最大可達到14MHz.

本設計可測量8通道電壓值，測量范圍為0-10V的電壓，顯示誤差為±0.001V.LCD實時顯示電壓值和波形圖，MicroSD卡對數據進行同步存儲。系統原理框圖如圖1所示。

基于STM32的多路電壓測量設計方案

3.系統硬件設計

本設計的硬件主要包括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設備，它主要包括STM32最小系統電路。LCD模塊主要包括LCD驅動接口電路。SD卡模塊主要是SD卡驅動電路。除此之外，還有用于程序下載調試的J-Link接口電路和電源電路等。

3.1 STM32最小系統

本模塊主要介紹STM32芯片和設計中用到的外設模塊。

STM32最小系統使用外部高速時鐘，外接8M晶振。STM32的兩個BOOT引腳都接低電平，以使用戶閃存存儲器為程序啟動區域。芯片采用J - L i n k下載模式，也可以進行硬件調試。STM32的電源引腳都接了濾波電容以確保單片機電源的穩定。

STM32F103VET6擁有3個ADC,這些ADC可以獨立使用，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字轉換器。它有18個通道可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。STM32的ADC最大的轉換速率為1Mhz,也就是轉換時間為1us（ADCCLK=14M,采樣周期為1.5個ADC時鐘下得到），不能讓ADC的時鐘超過14M,否則將導致結果準確度下降。STM32將ADC的轉換分為2個通道組：規則通道組和注入通道組。規則通道相當于運行的程序，而注入通道就相當于中斷。在程序正常執行的時候，中斷是可以打斷程序正常執行的。同這個類似，注入通道的轉換可以打斷規則通道的轉換，在注入通道被轉換完成之后，規則通道才得以繼續轉換。

本設計中ADC采集的數據使用DMA進行傳輸，以達到高速實時的目的。

3.2 ADC控制電路

STM32的數字/模擬轉換模塊（DAC）是12位數字輸入，電壓輸出的數字/模擬轉換器。本設計中使用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的基礎上，往DAC通道的數據DAC_DHRx寄存器寫入數據，如果沒有選中硬件觸發，存入寄存器DAC_DHRx的數據會在一個APB1時鐘周期后自動傳至寄存器DAC_DORx.一旦數據從DAC_DHRx寄存器裝入DAC_DORx寄存器，在經過一定時間之后，輸出即有效，這段時間的長短依電源電壓和模擬輸出負載的不同會有所變化。

為了擴大測量范圍和測量精度，本設計在STM32的ADC前加入匹配電路。在ADC控制電路中，輸入信號先經過射極電壓跟隨電路，然后經過分壓電路，使輸入信號滿足AD603的輸入要求。然后再經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可調的可控增益放大器。帶寬90MHz時，其增益變化范圍為-10dB~+30dB;帶寬為9M時范圍為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的增益設置為-11.07dB~+31.07dB.AD603的5、7腳相連，單片AD603的可調范圍為-10dB~30dB.AD603的增益與控制電壓成線性關系，其增益控制端輸入電壓范圍為±500mv,增益調節范圍為40dB,當步進5dB時，控制端電壓需增大：

基于STM32的多路電壓測量設計方案

ADC匹配電路的電路圖如圖2所示。

3.3 LCD控制電路

本設計所使用的LCD為2.4寸，320×240分辨率。LCD模塊使用STM32的FSMC接口控制。

FSMC（Flexible Static Memory Controller）即可變靜態存儲控制器，是STM32系列中內部集成256KB以上Flash,后綴為xC、xD和xE的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。通過對特殊功能寄存器的設置，FSMC能夠根據不同的外部存儲器類型，發出相應的數據/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應用各種不同類型、不同速度的外部靜態存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態存儲器，滿足系統設計對存儲容量、產品體積以及成本的綜合要求。

在STM32內部，FSMC的一端通過內部高速總線AHB連接到內核Cortex-M3,另一端則是面向擴展存儲器的外部總線。內核對外部存儲器的訪問信號發送到AHB總線后，經過FSMC轉換為符合外部存儲器通信規約的信號，送到外部存儲器的相應引腳，實現內核與外部存儲器之間的數據交互。F S M C起到橋梁作用，既能夠進行信號類型的轉換，又能夠進行信號寬度和時序的調整，屏蔽掉不同存儲類型的差異，使之對內核而言沒有區別。

FSMC可以連接NOR/PSRAM/NAND/PC卡等設備，并且擁有FSMC_A[25:0]共26條地址總線，FSMC[15:0]共16條數據總線。另外，FSMC擴展的存儲空間被分成8個塊。通過地址線選擇操作的塊。這樣，LCD將被看作一個擁有一塊地址空間的存儲器進行操作。

3.4 SD卡驅動電路

本設計中使用的SD卡為MicroSD,也稱TF卡。MicroSD卡是一種極細小的快閃存儲器卡，主要應用于移動電話，但因它的體積微小和儲存容量的不斷提升，現在已經使用于GPS設備、便攜式音樂播放器、數碼相機和一些快閃存儲器盤中。MicroSD卡引腳圖如圖9所示。

MicroSD卡與SD卡一樣，有SPI和SDIO兩種操作時總線。SPI總線相對于SDIO總線接口簡單，但速度較慢。我們使用SDIO模式。

MicroSD卡在SDIO模式時有4條數據線。

其實，MicroSD在SDIO模式時有1線模式和4線模式，也就是分別使用1根或4根數據線。當然，4線模式的速度要快于1線模式，但操作卻較復雜。本設計中使用的是SDIO的4線模式。MicroSD卡的硬件連接圖如圖3所示。

3.5 觸摸屏電路

本設計在測量的通道和顯示設置上，除了使用按鍵設置，還使用觸摸屏進行設置。

觸摸屏使用芯片TSC2046控制，其硬件連接圖如圖4所示。

在圖4中，TSC2046可以采集觸摸屏的點坐標，從而確定觸摸的位置，進行人機交互。

STM32單片機通過SPI總線與TSC2046通信，可以得到觸摸信息。本設計使用觸摸屏進行測量通道數的設置和測量速度的設置。

4.系統軟件設計

4.1 軟件流程

系統軟件部分使用C語言編程，同時使用STM32官方提供的固件庫，使用的版本為3.5版。STM32固件庫也稱固件函數庫或標準外設庫，是一個固件函數包，它由程序、數據結構和宏組成，包括了微控制器所有外設的性能特征。該函數庫還包括每一個外設的驅動描述和應用實例，為開發者訪問底層硬件提供了一個中間API,通過使用固件函數庫，無需深入掌握底層硬件細節，開發者就可以輕松應用每一個外設。因此，使用固態函數庫可以大大減少用戶的程序編寫時間，進而降低開發成本。每個外設驅動都由一組函數組成，這組函數覆蓋了該外設所有功能。簡單的說，使用標準外設庫進行開發最大的優勢就在于可以使開發者不用深入了解底層硬件細節就可以靈活規范的使用每一個外設。

軟件部分為了方便存儲數據的查看和讀取，在MicroSD卡部分使用了fatfs文件系統。

FAFFS是面向小型嵌入式系統的一種通用的FAT文件系統。FATFS完全是由AISI C語言編寫并且完全獨立于底層的I/O介質。因此它可以很容易地不加修改地移植到其他的處理器當中，如8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等。

FATFS支持FAT12、FAT16、FAT32等格式，所以我們利用前面寫好的SDIO驅動，把FATFS文件系統代碼移植到工程之中，就可以利用文件系統的各種函數，對已格式化的SD卡進行讀寫文件了。

以上是系統軟件設計的兩個主要部分，其他還有LCD驅動程序，ADC和DMA驅動程序，按鍵中斷程序等。

4.2 軟件文件結構

文件main.c是整個程序的入口文件，也是主要文件。global.c和global.h主要是共用的函數和全局性的宏定義。LCD_Disp.c和LCD_Disp.h是基于STM32固件庫的對LCD的底層驅動函數。Lcdfunc.c和lcdfunc.h是為了主程序更方便的操作LCD而編寫的一些常用的復雜的對LCD底層函數的封裝函數。sdio_sdcard.c和sdio_sdcard.h是基于STM32固件庫的對MicroSD卡的底層驅動函數。fat文件系統在STM32上的使用需要針對具體類型的硬件進行配置，所以它是基于MicroSD卡的底層驅動程序的。fatfunc.c和fatfunc.h是對fat文件操作接口的一些封裝，是針對本設計中對文件的操作編寫的。其余的按鍵中斷和ADC等操作的函數是直接基于STM32固件庫的，并直接被主程序調用。

5.總結

STM32在速度、功耗方面性能都更加優越，其豐富的外設也更加方便設計。另外，STM32價格較低，在成本上也有優勢。STM32適合于控制電子設備的設計。設計中使用的ADC是STM32上的12位ADC,能夠滿足一定的測量精度，對于較高的測量要求，則需要使用更高精確度的ADC.但是使用高精度ADC和DSP芯片，將很大的增加開發成本。本設計方案完成了多路電壓測量的各項功能，但是還需要在使用中檢測其穩定可靠性，以使設計更加完善。

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