基于STM32的數(shù)字化測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊超 趙新越 莫冬

（1.西藏大學(xué)理學(xué)院物理系 西藏自治區(qū)拉薩市 850000 2.西藏大學(xué)財(cái)經(jīng)學(xué)院 西藏自治區(qū)拉薩市 850000）

“新工科”建設(shè)是國(guó)家應(yīng)對(duì)新一輪科技革命的戰(zhàn)略行動(dòng)，國(guó)家鼓勵(lì)“雙一流”高校將“新工科”研究與實(shí)踐納入建設(shè)方案。而大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程作為“新工科”建設(shè)的基礎(chǔ)學(xué)科，需積極促進(jìn)新時(shí)期教育改革和“理工”交叉融合。就當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)涉及的測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)，設(shè)備偏于陳舊老化，更新?lián)Q代成本高，功能單一且與目前的社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)脫節(jié)。因此理工實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)急需進(jìn)行改革創(chuàng)新，使其既能滿足信息時(shí)代物理實(shí)驗(yàn)的課程要求，又順應(yīng)“新工科”國(guó)家建設(shè)和數(shù)字化改革與發(fā)展方向。

基于上述目的，本文設(shè)計(jì)了STM32 數(shù)字化測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將物理實(shí)驗(yàn)涉及到的測(cè)量工具，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于STM32 的數(shù)字化測(cè)量可以降低人為操作所導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；電路模塊化和可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，使得硬件電路耦合性低、兼容性高，可自行設(shè)計(jì)和添加電路；操作方式采用了GUI 可視化交互界面統(tǒng)一操作邏輯，降低了儀器的學(xué)習(xí)成本，使得測(cè)量操作更為智能化。

1 硬件基礎(chǔ)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)分為硬件基礎(chǔ)、軟件底層、核心功能三個(gè)層面。硬件基礎(chǔ)是保障核心功能正常運(yùn)行的電路，由核心板和通信模塊組成；軟件底層是硬件發(fā)揮作用的唯一途徑和基礎(chǔ)，包括驅(qū)動(dòng)電路和GUI 交互界面兩部分；核心功能層面作為項(xiàng)目的核心內(nèi)容，采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了分立式傳感器、電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和擴(kuò)展板三部分。

1.1 核心板

核心板集成了STM32 最小系統(tǒng)、Type-C 下載、外置存儲(chǔ)、顯示驅(qū)動(dòng)等模塊。

（1）STM32 最小系統(tǒng)選用STM32F407ZGT6 芯片，基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核，主頻高達(dá)168MHz，內(nèi)置12 位ADC、DAC 模塊，支持UART、I2C 等多種通信協(xié)議。最小系統(tǒng)還包括保障核心板正常運(yùn)行的電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、BOOT啟動(dòng)電路、SWD調(diào)試電路等。

（2）Type-C 下載采用CH340G 芯片實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)TTL 的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，硬件接口選用了最新的USB Type-C 接口進(jìn)行迭代更新，支持多種傳輸協(xié)議和更高的傳輸速度。

（3）外置存儲(chǔ)包括FLASH 和SRAM。SRAM 型號(hào)為IS62WV51216，具有512K 的運(yùn)行空間，支持16bit數(shù)據(jù)傳輸，該外置SRAM 可存儲(chǔ)程序運(yùn)行中產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)量；FLASH 型號(hào)為W25Q64，儲(chǔ)存空間為8M，可存儲(chǔ)程序所用到的字庫(kù)、圖片等。

（4）顯示驅(qū)動(dòng)包括顯示屏及驅(qū)動(dòng)電路，采用4.3英寸TFTLCD 顯示屏，分辨率為320*480，通過(guò)FSMC總線協(xié)議與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化顯示。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層選擇近距離通信Wi-Fi局域網(wǎng)協(xié)議，通信模塊為ESP8266 Wi-Fi 模塊，通過(guò)串口通信協(xié)議與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，感知層為分立式傳感器及平臺(tái)主體，手機(jī)、PC 作為應(yīng)用層都可連接ESP8266 Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)通訊架構(gòu)如圖1 所示。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)通訊架構(gòu)

ESP8266 支持2.4GHzWi-Fi，其Wi-Fi 通信模式有AP、Station、Station+AP 三種數(shù)據(jù)傳輸模式，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)模式的切換。平臺(tái)主體上的Wi-Fi 模塊選擇為AP 模式，為分立式傳感器、手機(jī)、PC 等提供可連接的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。三大層面通過(guò)Wi-Fi 通信協(xié)議，以物聯(lián)網(wǎng)模式進(jìn)行硬件布局，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在多傳感器、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及終端設(shè)備之間的傳輸。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

硬件電路需在軟件程序的指令控制下才能正常運(yùn)行，軟件程序設(shè)計(jì)以電路的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛A(chǔ)，在人機(jī)交互上采用并設(shè)計(jì)了可視化的GUI 交互界面，實(shí)現(xiàn)觸控式的智能化操作。

2.1 編程軟件與開(kāi)發(fā)方式

2.1.1 編程軟件

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用到的編程軟件為：STM32CubeMX(6.4.0)、TouchGFX Designer(4.14) 和Keil v5。STM32 CubeMX 通過(guò)圖形化的界面進(jìn)行配置選擇，快速生成初始化代碼，TouchGFX Designer 通過(guò)所見(jiàn)即所得的模擬器設(shè)計(jì)圖形界面，Keil v5 進(jìn)一步編寫(xiě)程序并進(jìn)行編譯下載。各軟件聯(lián)合開(kāi)發(fā)編程，可以在統(tǒng)一項(xiàng)目工程環(huán)境中無(wú)縫地共同開(kāi)發(fā)圖形應(yīng)用和主要程序，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單高效，開(kāi)發(fā)過(guò)程更省時(shí)便捷。

2.1.2 開(kāi)發(fā)方式

STM32 開(kāi)發(fā)方式有寄存器、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)和HAL 庫(kù)。開(kāi)由于STM2 涉及數(shù)百個(gè)寄存器，寄存器開(kāi)發(fā)較為復(fù)雜困難，而標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)已停止更新維護(hù)。因此本項(xiàng)目選用HAL 庫(kù)開(kāi)發(fā)方式，HAL 庫(kù)移植性高、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，HAL庫(kù)也與STM32CubeMX 生成的軟件代碼完全兼容，可減少開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)，同時(shí)代碼也更規(guī)范整潔。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序

驅(qū)動(dòng)程序是對(duì)硬件電路的指令控制，是程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件電路主要進(jìn)行電參量與芯片的數(shù)據(jù)交換其核心為GPIO 和ADC 的初始化調(diào)用。GPIO控制著電路的設(shè)置，ADC 是電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的核心，電壓電流的測(cè)量等需要ADC 模塊的參與。整個(gè)硬件電路的運(yùn)行都離不開(kāi)GPIO 和ADC 的參與。

驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ布目刂品譃橛布跏蓟⑿盘?hào)采集和數(shù)據(jù)處理。先進(jìn)行GPIO、ADC 等外設(shè)的初始化設(shè)置，GPIO 選擇所需的功能模塊并設(shè)置，隨后前置電路開(kāi)始采集電參量信號(hào)，STM32 和ADC 對(duì)采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、數(shù)模轉(zhuǎn)換、計(jì)算等一系列的處理得到數(shù)據(jù)結(jié)果。這個(gè)過(guò)程中也涉及到TIM 時(shí)鐘、中斷電路、DAC 等其他外設(shè)。

2.3 GUI交互界面

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用GUI 圖形交互界面，實(shí)現(xiàn)了可視化的觸控交互方案。GUI 采用了 TouchGFX 圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng)。TouchGFX 支持STM32 的LCD 接口，自帶豐富的控件，同時(shí)支持自定義控件。該系統(tǒng)采用C/C++混合編程，底層驅(qū)動(dòng)的調(diào)用為STM32CubeMX HAL 庫(kù)中的C語(yǔ)言，UI 界面部分為C++。在TouchGFX Designer 設(shè)計(jì)好基本的界面后，按照Model-Presenter- View 的結(jié)構(gòu)依次編寫(xiě)邏輯代碼。

3 核心功能設(shè)計(jì)

3.1 分立式傳感器設(shè)計(jì)

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于場(chǎng)地和儀器體積的限制，某些位置的數(shù)據(jù)不便于測(cè)量，因此將傳感器設(shè)計(jì)成分立式模塊，與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體分離以縮小體積，擴(kuò)大測(cè)量的范圍和應(yīng)用場(chǎng)景。

分立式傳感器模塊由ESP8266 芯片、OLED 顯示屏、傳感器組成。由不同功能的傳感器采集數(shù)據(jù)傳遞給ESP8266，隨后將預(yù)處理數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi 輸出給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行二次處理與輸出。對(duì)于簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)與操作，由模塊自帶的OLED 顯示屏輸出顯示。

3.2 電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的數(shù)字化、智能化設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)儀器革新的重點(diǎn)內(nèi)容，也是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心項(xiàng)目，包括數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)控電源兩部分。

3.2.1 數(shù)字萬(wàn)用表

數(shù)字萬(wàn)用表是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。基于STM32 的數(shù)字萬(wàn)用表具有精度高、測(cè)量范圍廣、抗干擾強(qiáng)、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)字萬(wàn)用表模塊支持電阻、電壓、電流的測(cè)量，通過(guò)STM32 自帶的高精度12 位ADC、DAC 模塊進(jìn)行電參量的轉(zhuǎn)換和測(cè)量。

（1）測(cè)電阻：根據(jù)串聯(lián)電阻分壓原理，ADC 采集待測(cè)電阻兩端的電壓值，由總電壓、所測(cè)電壓及擋位電阻計(jì)算出待測(cè)電阻的值。

（2）測(cè)電壓：根據(jù)串聯(lián)電阻分壓原理，待測(cè)電壓進(jìn)行分壓電路、運(yùn)算放大電路后得出輸出電壓，將輸出電壓傳輸給ADC 模塊，再根據(jù)待測(cè)電壓與輸出電壓的線性關(guān)系推得實(shí)際的待測(cè)電壓值。

（3）測(cè)電流：采用ACS758 霍爾電流傳感器，該傳感器使用低偏置的線性霍爾傳感器電路，能夠檢測(cè)50A 范圍內(nèi)的直流電流。ACS758 測(cè)量輸入電流值并輸出電壓值，電壓經(jīng)運(yùn)算放大器輸出到ADC 模塊，根據(jù)捕獲到的電壓值，結(jié)合電壓與電流的線性關(guān)系和電路原理圖來(lái)反推輸入電流值。

3.2.2 數(shù)控電源

電源是進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件和關(guān)鍵，相較于實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的旋鈕式學(xué)生電源，數(shù)控電源通過(guò)軟件和數(shù)字電路控制，實(shí)現(xiàn)特定、精準(zhǔn)值的輸出電壓和電流。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)控電源模塊，接入電源模塊48V 直流電，可動(dòng)態(tài)輸出0-2A 電流和0-48V 電壓，其電壓、電流的穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)精度都可達(dá)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求。

該電路基于由PWM 驅(qū)動(dòng)的BUCK 降壓電路，首先由STM32 發(fā)出所需電壓值的電信號(hào)，隨后半橋驅(qū)動(dòng)IC UCC27211 接受信號(hào)，調(diào)整PWM 波的占空比并輸出，BUCK 電路的MOSFET 管在PWM 波的控制下不斷開(kāi)關(guān)電路，使48V 輸入電壓呈現(xiàn)PWM 波形，再經(jīng)過(guò)直插電感、電解電容的濾波、穩(wěn)壓后，脈動(dòng)的輸入電壓就處理為連續(xù)的輸出電壓。數(shù)控電源電路如圖2 所示。

圖2：數(shù)控電源電路

3.3 擴(kuò)展板設(shè)計(jì)

為滿足學(xué)生不同的實(shí)驗(yàn)需求，覆蓋更多的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將STM32 未使用的GPIO 口引出，設(shè)計(jì)了兩組GPIO 插口用于硬件擴(kuò)展，并將程序下載、電源、串口、LED、按鍵等引出，便于實(shí)驗(yàn)電路的搭建與調(diào)試。學(xué)生可根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)需求，自行設(shè)計(jì)所需的電路模塊或搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并自主編寫(xiě)硬件驅(qū)動(dòng)程序。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特點(diǎn)

4.1 操作簡(jiǎn)單，順應(yīng)發(fā)展

在互聯(lián)網(wǎng)和“新工科”建設(shè)的時(shí)代發(fā)展背景下，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作方式是創(chuàng)新改革的重中之重。本平臺(tái)采用了觸控式的可視化操作界面，通過(guò)更直觀簡(jiǎn)單的觸摸進(jìn)行操作，并對(duì)每一個(gè)功能的操作邏輯進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)計(jì)。而針對(duì)典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了可預(yù)設(shè)的自動(dòng)化程序以簡(jiǎn)化操作步驟，也可同時(shí)調(diào)出多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)協(xié)同使用。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)成本和門(mén)檻得到了很大程度的降低，學(xué)生可以更加專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的本身。

4.2 體系完整，理工融合

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面著手，涉及到了電路控制設(shè)計(jì)、傳感器使用、前端數(shù)據(jù)采集等電子電路知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)層搭建、操作界面、嵌入式等計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，數(shù)據(jù)降噪、建模、分析，計(jì)算、重構(gòu)等數(shù)學(xué)知識(shí)，形成了一套完整的知識(shí)理論體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體軟硬件設(shè)計(jì)，將零散的知識(shí)點(diǎn)形成體系并融會(huì)貫通，歷經(jīng)了解、學(xué)習(xí)、應(yīng)用，再到實(shí)踐的一個(gè)完整的知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程。

4.3 循序漸進(jìn)，提高科研思維

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目遵循因材施教、循序漸進(jìn)的教學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)、進(jìn)階、擴(kuò)展三個(gè)不同等級(jí)的項(xiàng)目。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括單一傳感器使用、簡(jiǎn)單程序的設(shè)計(jì)；進(jìn)階實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在基礎(chǔ)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，增加了多傳感器的協(xié)同調(diào)用、電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的使用和數(shù)據(jù)的計(jì)算處理操作；進(jìn)階實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是學(xué)生根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)需求，在擴(kuò)展板上進(jìn)行自主設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)電路，經(jīng)歷問(wèn)題分析、提出需求、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等邏輯完整的研究過(guò)程，可提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研思維。

5 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有多功能、易操作、數(shù)字化、智能化的特點(diǎn)，在STM32 的基礎(chǔ)上集成了多種實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，使其滿足數(shù)字化的改革要求。操作方式上采用可視化的操作界面，降低平臺(tái)的操作難度。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置合理，學(xué)生通過(guò)自主搭建實(shí)驗(yàn)電路，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力和科研思維，擴(kuò)展知識(shí)體系。該平臺(tái)可以滿足課外實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)條件，對(duì)理工實(shí)驗(yàn)的普及推廣和發(fā)展有著重要意義。