基于ARM Cortex-M3的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
加入技術(shù)交流群
最小系統(tǒng)中，采用STM32F103RBT6微控制器，工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)置2個(gè)12位ADC，16個(gè)外部模擬信號(hào)輸入通道，可達(dá)1 u s轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換范圍是O～3．6V；支持7個(gè)DMA通道，可操作多種通用外設(shè)，如定時(shí)器、ADC、USART等；內(nèi)置3個(gè)同步16位定時(shí)器，每個(gè)可有4個(gè)通道用于PWM波形輸出。
2．1 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
按照STM32最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和本系統(tǒng)的功能要求，最小系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示：
電源模塊：CPU為3．3V供電，最小系統(tǒng)外部輸入電源為5V，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117-3．3獲得3．3V輸出電壓，以提供系統(tǒng)電源。電源的輸入輸出端并接濾波電容，分別濾除電源的高頻和低頻噪聲。
除此之外還有外部時(shí)鐘，復(fù)位系統(tǒng)，ADC參考電壓，USART串行通信，JTAG調(diào)試接口，總線驅(qū)動(dòng)接口的設(shè)計(jì)。
STM32F103RBT6處理器具有51個(gè)多功能雙向5V兼容的I／O口，使用時(shí)可以作為通用GPIO口，也可作為復(fù)用AFIO口。復(fù)用I／O中，本系統(tǒng)外設(shè)所使用的有：定時(shí)器4通道四TIM4-CH4復(fù)用PB9口；USART1引腳USART1-TX、USART1-RX復(fù)用PA9、PA10：ADC 轉(zhuǎn)換通道CH0～CH9分別復(fù)用PA0～PA7及PB0、PB1。
對(duì)于復(fù)用功能的端口可以配置成以下模式：輸入模式(浮空、上拉或下拉)或復(fù)用功能輸出模式，此時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)器被配置成浮空輸入模式。ADC通道端口用作ADC輸入時(shí)將對(duì)應(yīng)端口配置為模擬信號(hào)輸入模式；USART數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，TX、RX復(fù)用端口分別配置為備用功能推拉模式和
輸入浮動(dòng)模式。
2．2 電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
電壓采集系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的第二部分，主要實(shí)現(xiàn)多路電壓信號(hào)順序選擇輸入，獲得ADC采集端的輸入電壓信號(hào)，同時(shí)，輸出最小系統(tǒng)中產(chǎn)生的PWM方波信號(hào)，并能選擇不同的ADC通道，以實(shí)現(xiàn)5塊采集板與最小系統(tǒng)板級(jí)聯(lián)。本部分主要包括電壓采集模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊、PWM輸出模塊以及輸入輸出接口等。
電壓采集模塊：電路中采用電阻比例分壓的方法，獲取輸入電壓信號(hào)，以達(dá)到CPU采集轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓的要求。在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)中，采用比例阻值的排阻代替分離電阻以便于電路板的繪制和整體布局。
數(shù)據(jù)選擇模塊：采用16選1輸出的模擬開(kāi)關(guān)CD4067作為數(shù)據(jù)選擇器，輸出控制由CPU四個(gè)端口輸入高低電平作為二進(jìn)制組合以確定輸出的數(shù)據(jù)通道。
PWM輸出模塊：最小系統(tǒng)中選擇定時(shí)器四，軟件配置為PWM輸出，由三極管放大后獲得PWM方波。
輸入輸出接口：本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和最小系統(tǒng)兩部分采用40針排線連接，各個(gè)采集板上可以同時(shí)選擇兩個(gè)不同的通道，級(jí)聯(lián)后各板將數(shù)據(jù)選擇器的輸出信號(hào)送至相應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換通道，同時(shí)輸出PWM方波信號(hào)。
3 系統(tǒng)調(diào)試及軟件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)并加工好印刷電路板后，開(kāi)始硬件和軟件的調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中采用逐個(gè)功能單元調(diào)試，一個(gè)功能單元調(diào)試正常后再調(diào)試下一功能模塊，確保電路板出問(wèn)題時(shí)可以很快發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)，再將各功能單元組合設(shè)置，逐步完成軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
系統(tǒng)調(diào)試所使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR EWARM，仿真工具為ST-LINKII，使用USB接口。
3．1 最小系統(tǒng)板調(diào)試
將電源模塊、復(fù)位、JTAG、外部晶振焊到電路板上，組成最小系統(tǒng)，分模塊，分步驟，調(diào)試系統(tǒng)各部分。加電調(diào)試前檢測(cè)是否有電源短路，確保電路安全。
電源模塊：電路外部輸入電壓為5V，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后在LMlll7-3．3V輸出端得到3．3V的輸出。加電后，首先通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量電壓輸出是否正確，然后通過(guò)示波器觀察輸出電平的波形是否滿足系統(tǒng)對(duì)電源精度的要求，如不滿足，可以通過(guò)加大濾波電容的方法解決。
最小系統(tǒng)供電正常后，連接仿真器，通過(guò)軟件平臺(tái)可以檢測(cè)到最小系統(tǒng)CPU，表明CPU焊接正常。調(diào)試過(guò)程中會(huì)用到外部晶振，需要檢測(cè)晶振電路，將系統(tǒng)上電，使用示波器檢測(cè)晶振管腳，觀察波形，看晶振是否起振。然后編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的LED測(cè)試程序來(lái)觀察CPU是否能正常工作，通過(guò)軟件設(shè)置電路中LED連接的 I／O端口(PB6)輸出模式，觀察是否有閃爍。
DMA調(diào)試：DMA用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。DMA通道配置包括：設(shè)置外設(shè)寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的基地址，確定數(shù)據(jù)量和通道優(yōu)先級(jí)，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、循環(huán)模式、外設(shè)和存儲(chǔ)器的增量模式等。ADC1對(duì)應(yīng)DMA通道1請(qǐng)求，ADC通道配置中使能DMA請(qǐng)求。
除此之外還有USART調(diào)試、ADC調(diào)試、PWM調(diào)試等。
評(píng)論