基于STM32的手持式數據采集器系統設計

張弓

摘要：：隨著信息技術的發展，數據采集器在物理實驗中的應用越來越廣泛。然而調查研究發現，在數據采集器應用于物理實驗教學中，難以開展一些實際生活場景中的探究性實驗，較少有在室外進行實地探究的物理實驗實例。結合STM32芯片、傳感器技術、藍牙技術，設計一套成本低、便攜的手持式數據采集器系統。手持式數據采集器系統將“傳感器-采集器-移動客戶端”三級傳輸結構集合在一起，擺脫空間的束縛，能獨立完成數據的采集、處理、顯示和記錄，在室外探究性實驗以及演示實驗現象短暫、信號微弱等實驗方面具有較大優勢，適合在中學物理教學中推廣使用。

關鍵詞關鍵詞：手持式數據采集器；傳感器；STM32；物理實驗；信息技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.161262

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007008902

0引言

數據采集器由采集器、傳感器、軟件3部分組成，一般與電腦連接，具備收集、儲存并分析數據的功能。其在信息獲取、實驗過程監控、數據采集和分析等方面顯示出巨大的優越性，在生產生活中的應用也十分廣泛。

目前，手持式數據采集器的設計及開發較為成熟＼[14＼]，不過大多是為工程技術而設計開發，并沒有為實驗教學開發設計，價格相對較高，在學校很難推廣使用。在新課標“重視將信息技術應用到物理實驗室，加快中學物理實驗軟件的開發和應用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據，分析實驗結果等”的理念指導下，利用數據采集器技術整合物理實驗教學是物理教學發展的方向，符合新課標中注重過程與方法的提倡，并具有重要意義。

結合傳感器技術、手持示波器開發技術、藍牙無線傳輸技術，基于STM32芯片設計一種價格低廉且能便攜、實時、準確測量物理量的手持式數據采集器，解決直流信號測量問題，包括電壓測量、波形分析等功能供物理教學使用，保證了實驗場地不受限制。

1系統整體方案

整個系統主要由傳感器模塊、手持式數據采集器、Android手機顯示平臺模塊三部分組成，并應用于相應的物理實驗中。系統原理如圖1所示。

表1系統各組成模塊介紹模塊名稱主要功能傳感器模塊主要采集各種物理量（電磁），以便將其轉化為電信號STM32模塊主要完成對信號的采集、分析、顯示、存儲、傳輸等邏輯控制前置電路模塊主要完成原始電信號的濾波，放大作用，使其符合STM32輸入信號要求TFT顯示模塊實時顯示系統波形以及相應的提示信息按鍵控制模塊完成良好的人機交互獨立電源模塊設計穩定可靠的可充放電的電源電路，為整個系統的穩定不間斷運行提供有力保障控制接口模塊主要包括常見的重要接口：Mini_USB接口、RS-232接口、JATG接口、藍牙串口等存儲模塊系統兩種存儲介質，包含STM32內置的flash芯片和2G的TF-SD卡，系統將配置數據、圖片等信息存儲在此介質上Android手機手持數據采集器通過藍牙串口將數據傳輸至Android界面進行顯示和保存2系統硬件設計

2.1手持式數據采集器硬件設計

手持式數據采集器采用了意法半導體公司推出的新型32位ARM內核處理機芯片STM32系列中的 STM32F103VCT6，STM32F103x增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為 72MHz。由于STM32采取與以往不同的設計方法，將各個外設封裝成標準庫函數，并提供STM32固件庫和USB開發工具集，因而能夠更輕松地進行開發。

手持式數據采集器主要包括前置調制模塊、鍵盤控制模塊、TFT顯示模塊、獨立電源模塊、控制接口模塊、存儲模塊共六大模塊。

2.2前置調制模塊

輸入信號通過74HC4051模擬開關芯片選擇適當的量程（共6個量程），則電路將自動控制TL082的放大倍數，將信號控制在主控芯片所能承接的范圍內（0～3.3V），以實現更精確的測量。前置調制模塊使得系統的輸入信號范圍擴大至0～80V。

2.3控制接口模塊

手持式數據采集器系統有3種接口（ISP、JTAG、藍牙）可供STM32與外界交互數據，程序可通過ISP接口和JTAG接口下載，JTAG口還可在線調試程序，BLUT接口是藍牙串口，STM32的串口2系統通過此串口與Android手機進行數據交互。

2.4顯示模塊

其中，顯示模塊為2.8寸TFT液晶，其控制IC為ST7781R。

2.5傳感器模塊

以聲音傳感器為例，聲音信號一般較為微弱，因此利用聲音傳感器模塊對周圍環境的聲音信號進行采集并轉換為放大的電信號。實驗中采用的此款聲音傳感器采用原裝音頻處理芯片，能對信號進行200倍放大，且輸出音頻信號幅值可調。

2.6存儲模塊

主控芯片STM32內置的Flash不能滿足本系統的存儲需求，因此存儲模塊中設計了通用的大容量TF-SD接口將圖像數據存儲于MiniSD卡中，便于存儲和拷貝模塊。

3系統軟件設計與實現

3.1系統軟件設計整體流程

數據采集器整體功能設計中，示波功能的軟件設計既是重點也是難點。因此本節重點講解示波功能的設計與實現過程，其整體設計流程如圖2所示。

3.2數據采集器軟件設計與實現

3.2.1數據采集程序設計與實現

通過定時器1來控制STM32內置的ADC定時采集數據，采集完一組數據后觸發DMA傳輸到特定的數組中。具體思路：首先初始化系統，然后配置ADC1、DMA、定時器TIM1，配置完成后啟動定時器TIM1觸發ADC采集，當采集完一組（1 024個）數據后，觸發DMA，將AD緩沖區的數據通過DMA傳輸至Scan_Buffer數組。其詳細設計流程如圖3所示。

從流程圖中可以看出，定時器1是一直不斷地觸發AD采集，這樣可最大程度防止數據遺漏，當用戶需要暫停觀察波形便通過控制DMA的開關來達到目的。同時，當用戶需要調整示波器時基便通過調整定時器1的分頻系數及自動重載值來控制采樣率，以達到調整時基的目的。

3.2.2系統參數保存

系統可以保存用戶設置的各種參數，包括觸發模式、垂直、水平靈敏度、當前菜單索引等，這些參數通過一個Item_Index數組進行保存。用戶通過選擇可以將參數保存到SD卡或內置Flash中。系統參數保存設計流程如圖4所示。

3.3.1Android技術簡介

Android基于Linux技術，由操作系統、用戶界面和應用程序組成，允許開發人員自由獲取、修改源代碼，也就是說，這是一套具有開源性質的手機終端解決方案。

3.3.2關鍵模塊設計與實現——Android自定義與STM32通信協議將Android的藍牙作為主機，尋找STM32的藍牙模塊，連接成功后，雙方只需自定義好協議：開始標識、結束標識、數據傳輸時點。本系統采用自定義標識：MAX_SAMPLES表示最大采樣數，MAX_LEVEL表示最大電壓對應的屏幕Y值，DATA_START表示波形數據開始傳輸標識；DATA_END表示波形數據傳輸結束標識；REQ_DATA表示請求STM32傳輸標識。Android接收到STM32傳輸過來的一組數據時，判斷是否為開始或者