基于STM32的电压采集系统设计

Electronic Design Engineering

第27卷Vol.27第17期No.172019年9月Sep.2019

收稿日期：2019-01-07

稿件编号：201901028

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（08JK311）

作者简介：徐晓霞（1984—），女，山西大同人，硕士研究生，讲师。研究方向：仿真技术、信号与信息处理、模糊

控制等。

近些年来，随着计算机信息技术和数字信号处理技术的飞速发展，电力系统不断地更新和完善，人们对于各种物理环境下采集系统收集数据的准确性、实时性、真实性等各个方面指标都提出了更高的要求。但是，对于很多工业集团，测量仪器的自动采集数据一直是个使人头疼的问题，即便仪器已经有RS485/232等数据接口，但仍然需要先通过机器测量，然后人工在纸张上记录，最后将处理后的数据输入到PC 机中。通过这样的方式不但使得工作量繁

重，而且也无法保证数据的准确性。因此，研发一种不仅具备体积小、精度高、信息容量大消耗功率低等特点，而且能脱离计算机操作平台工作的数据采集存储系统。

1系统总体设计方案

本论文主要研究对电压模拟信号的采集，以及转换为电信号的过程。本电压采集系统是利用STM32微控制器作为系统的核心部分，实现对于-3～+3V 近直流缓变电压信号的采集，同时要求误差不

超过±0.1V 的指定误差范围的简易电压采集系统。该系统除了能够将实时采集的电压模拟信号转换为

基于STM32的电压采集系统设计

徐晓霞

（西安工业大学北方信息工程学院电子信息系，陕西西安710025）

摘要：在生产实践中，人们常常需要对外部物理量进行实时监控，如压强、流量、温度等。这些信号在转换为电信号时，常常以模拟信号的方式出现。因此，基于模拟信号的采集已成为许多控制系统中的基本环节。本文提出利用STM32微控制器实现对-3～+3V 近直流缓变电压信号的采集，要求该简易电压采集系统不但能够将实时采集的电压信号以LCD 形式显示，还能够将所采集的电压信号发送至上位机。实践证明，该系统测量误差在0.02V 以内，实现采集数据的实时处理。关键词：模拟信号；STM32微控制器；采集；电压信号中图分类号：TN911.23

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2019）17-0076-04

Design of voltage acquisition system based on STM32

XU Xiao⁃xia

（School of Electronic Information Engineering ，Xi ’an Technological University North Institute of

Information Engineering ，Xi ’an 710025，China ）

Abstract:In production practice ，people often need to monitor the external physical quantity in real time ，such as pressure ，flow rate ，temperature and so on.These signals often appear as analog signals when they are converted into electrical signals.Therefore ，the acquisition of analog signals has become a

basic link in many control systems.In this paper ，STM32microcontroller is used to realize the acquisition of -3~3V near DC slowly varying voltage signal ，and the simple voltage acquisition system can not only display the voltage signals collected in real time by LCD ，but also send the voltage signals to the upper computer.Practice has proved that the measurement error of the system is less than 0.02V ，and the real-time processing of the collected data is realized.

Key words:analog signal ；STM32microcontroller ；gather ；voltage signal

数字信号，并以LCD 形式显示外，还能将所采集的电压信号发送给上机位，以实现采集数据的实时处理。

根据课题的基本要求，系统可划分为以下3个组成部分：模数转换（ADC ）模块、STM32微控制器（MCU ）模块、LCD 显示模块。系统工作原理：信号源的电压信号先通过模数转换（ADC ）模块将电压模拟信号进行信号的转换，并将转换后的数字信号发送至STM32微控制器（MCU ）模块，信号经MCU 微控制单元处理后，使用LCD 液晶显示模块将信号显示出来，并发送至上机位[1]。基于STM32的电压采集系统框图如图1

所示。

图1基于STM32的电压采集系统框图

2系统硬件设计

2.1

硬件总体设计

本系统采用ST 公司的ARM Cortex-M3内核STM32F103VE 作为主控芯片，并配备相应的外围设备和电路完成数据采集、显示与传输的功能，主要包括信号调理模块、模数转换（ADC ）模块、LCD 显示触摸模块、USART 通信接口模块、供电电源模块。其中，ADC 模块和USART 模块均采用STM32片内的AD 外设和USART 外设。基于STM32的电压采集系统的硬件框图如图2

所示。

图2基于STM32的电压采集系统的硬件框图

信号源产生的模拟电压信号，经过信号调理电路的处理，提高了测量信号的精度，并对信号进行隔离和滤波。将处理后的信号传送给ADC 模块进行模数转换，然后发送至STM32微处理器，用LCD 模块显示出来，同时通过USART 通信接口传送至上位机。

2.2系统硬件模块2.2.1

STM32模块

本系统选用STM32F103系列MCU 作为主控

制。STM32F103是意法半导体ST 公司研发的一款基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核的微控制器。微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上

的单芯片微型计算机，实际上就是我们通常所说的单片机[2]。STM32单片机自带了各种常用通信接口，比如USART 、I2C 、SPI 等，可接非常多的传感器，可以控制很多的设备。

2.2.2ADC 模块

在本系统中ADC 模块采用STM32片内的单极

性12位ADC ，支持单次和连续转换模式，转换结果用无符号的二进制数表示。可实现自校准，支持常规转换进行DMA 请求。工作范围：输入时钟最高为14MHz ，转换时间最短为12.5个时钟周期，最高采样频率为1MHz ，电压采样频率为0~3.3V 。

2.2.3LCD 模块

本论文设计选用自带显存的ILI9325驱动芯片

的星光2.8寸LCD 显示屏。它分辨率为320*240，采用8或16位8080并口，支持262K 色显示，支持4线电阻触摸，触控IC 为XPT2046。具有良好的驱动能力，应用较为广泛。

2.3通信接口

本系统中采集后的数据需要发送给远端的数据

接收上机位。结合本课题选用STM32微控制器，本系统设计选用USART 作为数据通信接口。USART 外设最高可实現115200bps 传输速率的通用串口通信，USART 是标准外设，无需编写驱动。

2.4信号调理电路

文中因为STM32片内ADC 模块所能接受的电

平范围为0~3.3V ，因此，需要经过比例运算电路及加减运算电路，进一步将信号幅值适当地衰减及电位平移，最后将信号经过滤波电路滤除干扰，即可输入ADC 模块进行AD 转换[3]。

为了方便调试，实际电路中，R 2使用10kΩ电位

器与5.1kΩ电阻串联方式获得。由于电路输出电压必须介于0~3.3V ，取U o 最大值为3V ，最小值为0V ，故U Ref =3V 。同时，为方便起见，采用5V 供电的LM358双运放。调理电路参数取值如表1所示。

表1

调理电路参数

器件名R 1R 2R 3R 4

参数取值20k Ω10k Ω10k Ω20k Ω

器件名

V CC V EE V Ref

参数取值5V

-5V 3V 根据表1中所列参数，完整调理电路如图3所示。

徐晓霞基于STM32的电压采集系统设计

期

图3完整调理电路原理图

2.5供电模块

电路整体供电模块使用5V直流电源输入，该电源可接提供运放+5V供电。对运放-5V供电以及+3V参考电压供电，可使用直流直流（DC—DC）变换芯片实现。选用ICL7660构成正负电压+5V 转-5V变换电路，选用AS1117—3.3芯片实现，构成3V参考电压的变换电路。

2.6核心控制系统电路设计

核心控制系统电路主要包括STM32F103RCT6，

它的内核为ARM32位的Cortex-M3CPU，最高72MHz工作频率，512K字节的闪存程序存储器，高达K字节的SRAM，带4个片选的灵活的静态存储器控制器；Cortex-M3CPU内嵌3个12位模拟/数字转换器（ADC），每个ADC共用多达21个外部通道，可以实现单次或者扫描转换，在扫描模式下在选定的一组模拟输入上的转换自动进行，ADC可以使用DMA操作；Cortex-M3CPU同时内嵌2个12位带缓冲的DAC通道可以2路数字信号转换成为模拟电压信号输出，这项功能内部是通过集成的电阻串和方向放大器实现的；内置温度传感器产生一个随温度线性变化的电压，电压转换范围：2VSTM32F103RCT6最小系统包括了外部晶振模块、复位电路模块、J-link连接模块、供电指示模块等部分[12-14]。

3软件程序设计

软件部分主要由两个部分组成，数据采集和数据校准。一方面，对数据采集来说，由于使用外部电路对信号进行了处理，在程序中需要将处理后的数据进行还原。另一方面，调理电路的处理和ADC模块转换过程都会给系统带来一定的误差，而采集数据准确性是系统设计成果的一个根本指标。

首先对STM32微控制器及所使用的各个外设进行初始化。本设计的核心外设是ADC外设、通用输入输出（GPIO）外设和和外部中断控制器（EXTI）外设，还使用了一些增强系统功能的外设，如Sysick、DMA和USART。系统软件程序流程图如图4

所示。

图4系统软件程序流程图

程序开始运行后，首先对系统进行初始化。初始化主要包括LED显示、按键、系统复位、ADC转换、串口通信等相应模块以及相应的变量、数组等进行定义。系统完成相关的初始化及配置后，开始对电源电压进行扫描检测，检测电源电压是否大于5V，如果检测到电源电压低于5V，那就关停LED等外围相关设备的工作，重新检测电源电压，直到电源电压大于5V；系统正常工作后读取传感器的数据，得到的是串行数据，通过微处理器处理后发送给LED显示屏显示出得到电压值。至此轮询一遍完成。

由于调理电路对原始信号进行了处理，所以需将调理电路转换前后的参数进行测量，并依据该转换参数对采样后的数据进行还原。

4系统调试及实验结果

在本课题对间隔1.5V的5个信号电压进行了采样实验。实验对实际信号电压（U i）、调理电路输出电压（U o）以及系统采样后电压数字值（U s）进行了测量。实验中每个数据点取3次测量平均值作为测量结果，实验数据如表2所示。

本系统中实验结果误差来源于几个方面。1）测量误差。实验中，原始输入信号、调理电路输出信号的测量本身具有误差，般在1V以下。

表2数据采样实验表

原始电压

U i/V -2.99 -1.49

0.00

1.51

2.98理论电压/V

2.99

2.25

1.48

0.75

0.02

输出电压

U o/V

-2.99

2.24

1.49

0.74

0.00

采样电压

U s/V

3772

2827

1887

931

9

误差/V

0.01

0.01

0.01

0.02

2）调理电路会带来一个转换误差。该电路在元器件选取、转换方案上并非最佳，各方面均有进一步改进以减小转换带来的误差的可能。

3）DC转换本身带来的采样、量化误差，这是由ADC本身的特性决定的。

另外一个比较重要的原因是采样时转换程序中的处理过程，STM32[19-20]内部是将采样后的电压转换为一个无符号整型ADC值，在使用ADC值时，需要注意C语言本身由于整型除法而造成的数据损失，而这些损失也会计入系统误差中。

5结束语

本系统将模拟电压信号通过信号调理电路使输入电压值符合ADC接受的电压范围，经过STM32的开发板板载的ADC模块、STM32模块、LCD模块处理并显示信号，结合软件部分显示出采集的电压值，并传送到上机位实时处理。由实验结果可知，本系统采集的大部分的电压测量值数据基本与原始信号一致，测量误差在0.02V以内，有很多原始信号与转换后甚至没有误差。因此，本课题值得推广应用。

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