基于STM32的多功能模擬量輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計

夏好廣

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

現(xiàn)代化高速動車組普遍采用列車網(wǎng)絡(luò)控制管理系統(tǒng)對車輛進行檢測、控制和診斷，其中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中經(jīng)常會用到模擬量輸入輸出模塊，如一些溫度傳感器需要模擬輸入模塊來采集電壓信號或電流信號。然而，對車輛側(cè)的一些控制則需要模擬輸出模塊來實現(xiàn)，即通過將中央控制器或司機室指令轉(zhuǎn)換為模擬信號來對一些傳感器進行控制。模擬信號可以是電壓信號也可以是電流信號，其中，電壓信號一般應(yīng)用于短距離傳輸，電流信號用于遠距離傳輸(常用4～20 mA的電流環(huán)[1-2])。目前，大多數(shù)模塊或系統(tǒng)只針對某一種信號類型進行了設(shè)計，而現(xiàn)場設(shè)備往往具有多種需求，特別需要通用性更強的模擬量模塊。

針對模擬量模塊多功能化的需求，設(shè)計了一種基于STM32的便攜式、多功能模擬量模塊。該模塊可提供兩通道輸入信號采集(電流電壓模式可切換)，四通道輸出(電流電壓模式可切換)，電流范圍-20～20 mA連續(xù)可調(diào)，電壓范圍-10～10 V可調(diào)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由電源模塊、INTERBUS模塊[3]、控制模塊、采樣輸入、驅(qū)動輸出及RS485接口電路組成。電源模塊主要完成系統(tǒng)所需幾種電壓的轉(zhuǎn)換; INTERBUS模塊工作與從站模式，通過RS485接口與外部通信。控制模塊采用基于Cotex-M3的STM32為核心控制器，主要負責(zé)控制輸入輸出以及INTERBUS模塊通信。系統(tǒng)工作時通過INTERBUS接收外部指令后由STM32根據(jù)指令對輸入輸出做出控制，完成模擬量采集和輸出。

圖1 輸入輸出模塊系統(tǒng)示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

系統(tǒng)外部供電采用直流5 V，輸入電壓先經(jīng)過帶隔離功能的電壓變換芯片REC5-0515DRW得到±15 V，然后通過LM317LIPK芯片得到系統(tǒng)內(nèi)部需要的5 V電壓，使用LT1521CS8得到輸出通道需要的12 V 工作電壓，通過AMS1117-3.3得到核心控制器需要的3.3 V工作電壓。電源芯片的輸入和輸出端加濾波電容和磁珠進行適當(dāng)?shù)母綦x，用于調(diào)整電源輸出的電阻采用0.1%精度元器件。

2.2 采樣輸入設(shè)計

輸入通道設(shè)計既能采集壓信號又可以采集電流信號，當(dāng)采集對象為電流的時候，通過一個模擬開關(guān)切換到串聯(lián)的高精度采樣電阻以實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)化。輸入通道原理圖如圖2所示，Rm2將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。當(dāng)輸入為電壓信號時，斷開開關(guān)，電壓信號不經(jīng)過電阻。電壓信號經(jīng)過AD8253進行放大后送入ADC進行采集。AD8253是一款數(shù)字可編程增益儀表放大器，具有高輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，可通過A0、A1根據(jù)采集對象選擇一定的放大比例。ADC轉(zhuǎn)換芯片選用ADI公司推出的針對工業(yè)應(yīng)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606，16位ADC， 標(biāo)準SPI接口，其輸入阻抗均為1 MΩ，采用單電源工作方式，可處理±10 V和±5 V雙極性輸入信號。8通道同時200 kHz頻率采集， 非常適合用于高速、高精度數(shù)據(jù)采集。AD7606的基準電壓通過外部REF引腳獲得，為了提高穩(wěn)定性，選用ADR421 作為AD5062 的基準電壓芯片，ADR421利用溫度漂移曲線校正專利技術(shù)和XFET技術(shù)，可以使電壓隨溫度變化的非線性度降至最小。為了便于校正系統(tǒng)誤差，利用ADR421的TRIM引腳來在±0.5%范圍內(nèi)調(diào)整輸出電壓，而不影響溫度系數(shù)。

圖2 輸入通道電路原理圖

2.3 控制模塊

STM32系列控制器在各種傳感器及信號采集設(shè)計中有廣泛的使用[4-5]，系統(tǒng)選用32 位STM32F103VCT6 作為控制核心，它采用32位Cortex -M3的處理器，主頻可達72 MHz，內(nèi)置256 kB內(nèi)存，具備豐富的外設(shè)資源，可提供睡眠、停機和待機3種省電模式。可靠性高、封裝尺寸小而且價格較低，滿足該系統(tǒng)功能需求。控制器最小工作電路包括復(fù)位電路、下載JTAG接口、外部晶振電路。其他引腳用于控制整個系統(tǒng)，主要有：(1)輸入采集模塊接口，輸入通道ADC的數(shù)據(jù)引腳及控制引腳，控制器通過FSMC引腳(PD0～PD15)連接到ADC的數(shù)據(jù)引腳；(2)輸出模塊接口，控制器通過SPI和片選引腳對輸出模塊進行控制。(3) INTERBUS通信引腳，控制器通過FSMC引腳(PE0～PE15)與INTERBUS從芯片的MFP引腳連接。

2.4 驅(qū)動輸出設(shè)計

驅(qū)動輸出電路如圖3所示，輸出調(diào)理電路采用AD5750-2驅(qū)動器芯片，該芯片為單通道、低成本、精密電壓/電流輸出驅(qū)動器，電壓輸出范圍可以進行編程：0～5 V、0～10 V、-5～+5 V和-10～+10 V，還提供了20%的超范圍設(shè)置。電流輸出可以編程為以下范圍：4～20 mA、0～20 mA、-20～+20 mA。單極性范圍具有2%的超范圍設(shè)置。電流輸出既可以是源電流，也可以是吸電流，因此它能與廣泛的傳感器或執(zhí)行器接口。我們將電壓和電流輸出引腳連在一起，根據(jù)實際需求選擇輸出模式。輸出電流或電壓的數(shù)值通過輸入電壓(VIN)來調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用AD5660 DAC芯片作為調(diào)節(jié)輸出的芯片。AD5660是一款低功耗(2.8 mW @ 5 V)、軌到軌輸出、16位nanoDAC ，可通過標(biāo)準SPI接口進行控制。兩個芯片結(jié)合具有全功能、靈活、可編程的模擬輸出，可提供所有典型的電流和電壓輸出范圍、16位分辨率且無失碼，可滿足編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用的大部分要求。

圖3 驅(qū)動輸出電路原理圖

2.5 INTERBUS模塊電路

INTERBUS模塊功能可以使得該系統(tǒng)可直接與INTERBUS總線進行通信，采用SUPI3 為INTERBUS從模塊通信芯片，可通過軟件進行相關(guān)寄存器的配置，芯片類型配置為模擬量輸入輸出，不同的板卡可以通過類型和數(shù)據(jù)長度來區(qū)分。對內(nèi)可以與系統(tǒng)的控制模塊通信，對外則通過RS485差分信號進行數(shù)據(jù)通信。差分信號接口原理圖如圖4所示，INTERBUS采用SP490差分收發(fā)器進行數(shù)據(jù)收發(fā)。R83、R79分別將正線負線上拉和下拉，主要作用是在電路驅(qū)動器關(guān)閉時給線路一個固定的電平關(guān)閉時給線路以一個固定的電平。

圖4 差分信號原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

模擬量輸入輸出系統(tǒng)軟件部分主要是控制模塊內(nèi)的軟件設(shè)計，軟件主要完成3個功能，(1)INTERBUS初始化及數(shù)據(jù)通訊工作；(2)模擬輸入配置和采集；(3)驅(qū)動輸出控制。

INTERBUS初始化工作主要用于配置從板卡 屬性(類型和數(shù)據(jù)寬度)，INTERBUS協(xié)議芯片內(nèi)部封裝了完善的通訊協(xié)議，微控制器通過FSMC總線發(fā)送操作指令，配置為模擬輸入輸出類型，數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為8字節(jié)。在完成初始化后要根據(jù)協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)存放到INTERBUS寄存器中，同時將遠程數(shù)據(jù)從INTERBUS寄存器中讀取出來。模擬輸入采集部分主要完成根據(jù)指令設(shè)置采集電壓電流類型、設(shè)置放大倍數(shù)、ADC的數(shù)據(jù)讀取。驅(qū)動輸出部分全部通過SPI接口完成，控制器讀取INTERBUS寄存器指令后要根據(jù)自定協(xié)議解析出輸出電流或電壓的模式及模擬量值，然后根據(jù)AD5662和AD5750的協(xié)議要求寫入對應(yīng)的控制字。為了提高控制效率，控制器讀取指令后先與上一包的指令進行對比，對于沒有變化的指令不再重復(fù)寫入。

主邏輯流程設(shè)計如圖5，程序開始先進行系統(tǒng)初始化工作,包括GPIO、時鐘及中斷等工作，然后進行INTERBUS初始化，初始化通信相關(guān)的參數(shù)后執(zhí)行INTERBUS讀寫，得到的數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行通道的讀取和輸出，每個部分如果操作錯誤，設(shè)置一個故障位。隨后將數(shù)據(jù)buffer整合后返回執(zhí)行INTERBUS讀寫更新數(shù)據(jù)。

圖5 輸入輸出模塊軟件框圖

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，對第一路輸入通道和第一路輸出通道進行測試。利用某一款I(lǐng)NTERBUS主站模塊與此系統(tǒng)進行通信測試，下面分別以系統(tǒng)0～5 V輸入、±10 V輸出和±20 mA輸出模式為例給出實際測試結(jié)果。表1為電壓輸入采集測試，相對誤差絕對值≤0.3%。表2為電壓輸出測試，相對誤差絕對值≤0.41%。表3為電流輸出測試，相對誤差絕對值≤0.5%。

表1 電壓采集測量數(shù)據(jù)

表2 電壓輸出測量數(shù)據(jù)

表3 電流輸出測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

設(shè)計了基于STM32 的多功能模擬量輸入輸出系統(tǒng)，利用STM32微控制器控制ADG1434模擬開關(guān)來切換輸入信號是否經(jīng)過采樣電阻，輸入信號經(jīng)過大后進入ADC實現(xiàn)模擬輸入的采集。通過控制AD5662和AD5750驅(qū)動器實現(xiàn)電流和電壓的連續(xù)輸出。由實驗可知，該系統(tǒng)采集和輸出精度≤0.5%，它能與廣泛的傳感器或執(zhí)行器接口，可用于列車網(wǎng)絡(luò)輸入輸出模塊，都具有非常大的實用價值。

[1] 孫剛，鄭文剛，申長軍等. 基于MODBUS協(xié)議的4～20 mA電流輸出智能模塊[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(3):78-82.

[2] 鮑康貴，秦會斌．兩線制4～20 mA液壓變送器的設(shè)計[J].機電工程，2011,28 (10):1234-1236.

[3] 王立文，閆迷軍. 基于INTERBUS總線技術(shù)的輸入輸出工作站的實現(xiàn)[J].鐵道機車車輛，2016,36(6):9-13.

[4] 劉卿卿，俞強，趙毛毛,等．基于stm32的光電式太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017(3):123-125.

[5] 王晨輝，吳悅，楊凱. 基于STM32的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016,42(1):51-53,57.