基于STM32的嵌入式溫度及應(yīng)力測量系統(tǒng)的設(shè)計

任 艷，于海勛，張 磊

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供信息和手段。

目前市場上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用8位或16位單片機，由于位數(shù)小、時鐘頻率低、指令執(zhí)行時間長、內(nèi)存小，已不能滿足數(shù)據(jù)采集的實時性以及各種附加功能的要求，也不能滿足工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)試驗的需求。因此，開發(fā)具有低成本、實時性好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)勢在必行。

針對某工業(yè)現(xiàn)場40路溫度和40路應(yīng)力參數(shù)測量與監(jiān)控的需要，本文設(shè)計了一種基于32位微處理器STM32的嵌入式溫度、應(yīng)力測量系統(tǒng)。STM32以其豐富的外圍模塊、高速的指令執(zhí)行速度、方便的JTAG調(diào)試方式和低功耗等特性為數(shù)據(jù)采集與處理的設(shè)計提供了一個較為完善的平臺。測量系統(tǒng)的遠(yuǎn)程上位計算機實時監(jiān)控程序，采用面向計算機測控領(lǐng)域的LabWindows/CVI平臺進(jìn)行開發(fā)。

1 測量系統(tǒng)的功能原理

系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微控制芯片為核心，構(gòu)建了一個高性能、低功耗、實時應(yīng)用的嵌入式溫度、應(yīng)力測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計，根據(jù)40路溫度、40路應(yīng)力多路數(shù)據(jù)采集測量的需要，將系統(tǒng)設(shè)計為4個溫度模擬量前端模塊、4個應(yīng)力模擬量前端模塊與主控通信模塊共三部分組成，每個溫度、應(yīng)力模擬量前端模塊處理10路模擬量。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模擬量前端模塊主要負(fù)責(zé)將工業(yè)現(xiàn)場被測對象的溫度、應(yīng)力參量轉(zhuǎn)換為主控通信模塊可以識別和處理的數(shù)字信號。由于熱電偶和應(yīng)變片電橋電路產(chǎn)生的信號一般在mV級，所以應(yīng)采用濾波降噪和差分放大等方法，提高信噪比，保證待測信號能被準(zhǔn)確采集。模擬量前端模塊內(nèi)部單元電路包括RC低通濾波、隔離放大、冷端補償、調(diào)理放大以及A/D轉(zhuǎn)換等；主控通信模塊由STM32微控制器、外圍存儲器接口電路、通信接口電路、撥碼輸入電路、狀態(tài)顯示電路等部分組成。由主控通信模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制80路信號的采集過程，提供統(tǒng)一的采樣節(jié)拍，并負(fù)責(zé)存儲80個通道的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，接收用戶采樣速率的設(shè)置，顯示工作的狀態(tài)，并與遠(yuǎn)程上位監(jiān)控計算機進(jìn)行通信。

2 溫度、應(yīng)力模擬量前端模塊[1-2]

溫度模擬量前端模塊和應(yīng)力模擬量前端模塊的內(nèi)部單元電路中，有很多相似之處，也有一些差別。差別在于：應(yīng)力信號必須有激勵源進(jìn)行激勵；溫度電信號的信號幅度值較高，應(yīng)力電信號的信號幅度值較低，所需的放大倍數(shù)有差異。對放大器的要求如下：

(1)傳感器模擬量輸入信號較微弱，放大器應(yīng)該是高精度、低漂移類型。

(2)輸入端有共模干擾等，放大器必須是差動放大器輸入形式。

(3)輸入端要采取吸收電瞬變脈沖和浪涌等措施。

(4)需采用隔離措施。

溫度、應(yīng)力模擬量前端模塊原理圖如圖2所示。

溫度、應(yīng)力模擬量前端模塊選用高精度、低漂移放大器AD8554，其失調(diào)電壓5 μV，失調(diào)電壓的溫漂是0.005 μV/℃。選用的隔離放大器型號為HCPL-7800A，是輸入輸出通過光進(jìn)行隔離的隔離型放大器，放大倍數(shù)為固定值8左右，隨溫度的漂移 dG/dT=0.001%/℃。隔離放大器HCPL-7800A有兩組電源供電端，電源Vdd1-Gnd1僅供輸入端使用，電源Vdd2-Gnd2僅供輸出端使用。輸入端由隔離電源模塊IB0505與其他電路隔離，IB0505是采用DC-DC變換實現(xiàn)的入端5 V與出端5 V隔離的微型模塊電源。隔離放大器HCPL7800A的Vdd1連接隔離電源模塊IB0505的+Vo，Gnd1連接0 V，信號從隔離放大器 HCPL7800A的2、3腳，即Vin+和Vin-輸入。在信號輸入端，加入浪涌保護(hù)電路，如圖3的元件SHOCK。SHOCK兩端的RC電路是用來低通濾波的。完整的帶有隔離的輸入端放大調(diào)理電路如圖3所示。在隔離放大器的輸出一側(cè)，用放大器AD8554對信號進(jìn)行調(diào)理放大、雙端輸出變單端輸入等。經(jīng)過這樣處理后，就可以將代表溫度、應(yīng)力的模擬量送往A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用了TI公司的高速、低功耗、6通道可獨立控制的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。該芯片模擬信號輸入的動態(tài)范圍在0 V～5 V，對于不符合這個輸入范圍的信號，可以改變放大調(diào)理電路的放大系數(shù)進(jìn)行幅度調(diào)整。ADS8364內(nèi)部提供了2.5 V參考電壓作為前端放大電路的參考輸入，由于ADS8364模擬輸入是雙極性全差分信號，又提供了2.5 V的參考電壓輸出，因此，對于單端信號輸入的情況，只需要將其中1個輸入端通過驅(qū)動電路連接到2.5 V的參考端即可。ADS8364采用+5 V工作電壓，其6個模擬輸入通道分為3組(A、B、C)，每組都有 1個保持信號(、和用來啟動各組的A/D轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出方式很靈活， 分別由 BYTE、ADD與地址線 A2、A1、A0的組合控制：當(dāng) BYTE=0時，從 DB0～DB15以 16位輸出；當(dāng)BYTE=1時，則轉(zhuǎn)換結(jié)果分2個字節(jié)從DB0～DB7輸出。轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取方式有3種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式。在模擬量前端模塊中，ADS8364的工作模式設(shè)定為 8位，故 BYTE 接高電平；和采用并接的方法對6個通道進(jìn)行并行采樣和轉(zhuǎn)換。

由于測量的高精度要求，在設(shè)計上還必須考慮溫度以及溫度造成的硬件參數(shù)漂移對精度的影響。在每一個溫度、應(yīng)力前端模塊上增加1路對環(huán)境溫度的測量，利用集成溫度傳感器LM335得到實時的冷端環(huán)境溫度，經(jīng)AD8554調(diào)理放大送A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，通過并行方式傳送給主控通信模塊，以此數(shù)據(jù)作為參考，進(jìn)行漂移的補償。

3 主控通信模塊[3-5]

主控通信模塊的核心芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列微控制芯片STM32F103RBT6。STM32系列32位閃存微控制器使用來自于ARM公司專為嵌入式領(lǐng)域開發(fā)的具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核，具有高性能、低功耗、實時性等特點。STM32F103RBT6是增強型系列，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá) 128 KB的閃存和20 KB的SRAM)，帶豐富的增強I/O端口和連接到2條APB總線的外設(shè)。

主控通信模塊由STM32微控制器、外圍存儲器接口電路、通信接口電路、撥碼輸入電路、狀態(tài)顯示電路等部分組成，STM32微控制器由通用輸入輸出(GPIO)數(shù)據(jù)線與各個外圍接口電路相連接。主控通信模塊電路如圖4所示。

主控通信模塊與模擬量前端模塊的連接包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。數(shù)據(jù)線是共用的，溫度、應(yīng)力模擬量前端模塊已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為16位數(shù)字量的數(shù)據(jù)，由ADS8364的低8位輸入STM32的PB8～PB15。地址線PA13、PA14、PA15通過3-8線譯碼器，可分別選中8塊模擬量前端ADS8364的片選信號。為高時，并行輸出引腳處于高阻態(tài)；為低時，并行數(shù)據(jù)線反映了輸出緩沖器的當(dāng)前狀態(tài)。為了正確從模擬量前端的并行數(shù)據(jù)總線讀取數(shù)據(jù)，器件必須被片選后才能進(jìn)行讀操作?？刂凭€PB0～PB7也是共用的。

外存儲器FlashROM選用SAMSUNG公司的K9LBG08U0M系列，容量為4 GB。存儲器的地址、命令和數(shù)據(jù)總線均使用同一個8位I/O口，可在片選信號和寫信號為低時寫入命令、地址和數(shù)據(jù)，并在信號的上升沿鎖存。通過命令鎖存信號CLE和地址鎖存信號ALE可指示當(dāng)前I/O口的數(shù)據(jù)是命令還是地址。存儲器按頁進(jìn)行讀寫，按塊擦除。其I/O0～I(xiàn)/O7與STM32的 PC0～PC7 相 連，CLE、ALE、、分 別 與 STM32 的PC8、PC9、PC10、PD2相連。存儲器的片選端接地，使其一直有效。通過對R/B外接上拉電阻使Flash一直處于就緒狀態(tài)。接高電平，不使用寫保護(hù)功能[6]。

通信接口電路的RS422電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX488。MAX488具有限擺率驅(qū)動器，可以減小電磁干擾(EMI)，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，最高可實現(xiàn)250 Kb/s的無差錯數(shù)據(jù)傳輸[7]。MAX488通過 GPIO的 PA9、PA10與STM32連接，與上位監(jiān)控計算機進(jìn)行通信。RS422接口主要是解決與上位監(jiān)控計算機相距較遠(yuǎn)的問題，上位監(jiān)控計算機因不具備RS422接口，因此選擇了一款智能型USB轉(zhuǎn)單口RS-422的成品，型號為IR-1401BHG。可實現(xiàn)高速：RS-422設(shè)備與具備USB接口的電腦主機在惡劣環(huán)境下的通信，傳輸距離為：RS-422端1 500 m，USB端不超過 5 m。

STM32微控制器接收使用者的撥碼輸入，以控制80路模擬量的采集速率。撥碼開關(guān)與STM32的PC11、PC12和PC13相連，3位撥碼開關(guān)或接地或斷開，斷開時是高電平，接地時為低電平?？梢苑謩e代表50次/s、100次/s、200次/s的采樣速率設(shè)置輸入。

系統(tǒng)的運行狀態(tài)及對傳感器等的工作狀態(tài)檢測，由狀態(tài)顯示功能進(jìn)行實時顯示。狀態(tài)顯示功能采用了TS1620字符型液晶模塊，TS1620可以顯示2行16個字符， 有 8位數(shù)據(jù)總線 D0～D7以及 RS、R/W、EN 3個控制端口，工作電壓為+5 V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光，通常使用1個10 kΩ的電位器來調(diào)節(jié)對比度。TS1620的 8位數(shù)據(jù)總線 D0～D7與 STM32的 PC0～PC7相連接；RS、R/W、EN 3個控制端口分別與 STM32的PA8、PA11和 PA12相連接。

4 軟件設(shè)計

溫度、應(yīng)力測量系統(tǒng)軟件由主控通信模塊軟件和上位機監(jiān)控軟件兩部分組成。

在主控通信模塊軟件設(shè)計中，根據(jù)不同任務(wù)的優(yōu)先級，將軟件劃分為管理服務(wù)主程序和中斷服務(wù)子程序。管理服務(wù)主程序為用戶服務(wù)，負(fù)責(zé)設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志、設(shè)置中斷速率、啟動上傳數(shù)據(jù)和啟動狀態(tài)顯示等一些非實時性的操作；中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)80路數(shù)據(jù)的實時采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理、轉(zhuǎn)存與上傳，狀態(tài)顯示動態(tài)刷新等需要實時完成的工作。中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖5所示。

圖5 中斷服務(wù)子程序流程圖

上位機監(jiān)控軟件具有下達(dá)采集命令及回傳實時數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)顯示、曲線繪圖、傳感器狀態(tài)顯示等功能。采用面向計算機測控領(lǐng)域的LabWindows/CVI平臺進(jìn)行開發(fā)，利用LabWindows/CVI為GUI準(zhǔn)備的專業(yè)控件，可以方便設(shè)計出監(jiān)控軟件程序界面。監(jiān)控軟件的各項功能建立在串行通信的基礎(chǔ)上，利用LabWindows/CVI的 RS232函數(shù)庫，可以方便地實現(xiàn)串行通信。上位機與主控通信模塊的通信過程如下：通信端口成功打開后，上位機向主控通信模塊發(fā)送詢問當(dāng)前狀態(tài)幀，如果在5 s之內(nèi)主控通信模塊有確認(rèn)幀，說明通信初始化成功，通信通路建立；主控通信模塊收到上位機讀命令幀后，以數(shù)據(jù)包的形式向上位機發(fā)送包含80路溫度、應(yīng)力采樣數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)幀，上位機通過串口回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收功能。

在充分考慮功能與成本的情況下，本文設(shè)計了一種嵌入式溫度、應(yīng)力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、操作靈活的特點，其溫度、應(yīng)力參數(shù)設(shè)計精度分別達(dá)到了1℃和50微應(yīng)變。工程實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)完全可滿足工業(yè)現(xiàn)場對溫度、應(yīng)力參數(shù)測量與監(jiān)控的需要，為實現(xiàn)溫度、應(yīng)力信號的采集提供了一種良好的解決方案。

[1]Analog Devices，Inc.AD8554 datasheet[Z].1999.

[2]Texas Instruments.ADS8364 datasheet[Z].2002.

[3]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]李寧.基于 MDK的 STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]ST Microelectronics.STM32F103XB datasheet[Z].2008.

[6]Samsung.K9LBG08U0M datasheet[Z].2003.

[7]Maxim Integrated Products.MAX488 datasheet[Z].1996.