基于STM32的多通道調(diào)理電路信號(hào)顯示與控制

邵煥杰，夏靜

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在固體火箭武器發(fā)射測(cè)試時(shí)，需要采集火箭武器發(fā)動(dòng)機(jī)噴射的燃?xì)饬髯饔迷诎l(fā)射車(chē)相關(guān)位置上產(chǎn)生的壓力、振動(dòng)等參數(shù)，采集數(shù)據(jù)得到具體參數(shù)的變化曲線(xiàn)，對(duì)提升火箭武器發(fā)射的穩(wěn)定性、精度和安全性具有重要的參考價(jià)值，因此要保證采集數(shù)據(jù)的精確度[1]。傳感器在與標(biāo)定環(huán)境不一時(shí)產(chǎn)生的漂移或溫差電勢(shì)在經(jīng)放大電路放大后會(huì)嚴(yán)重影響采集數(shù)據(jù)的精度，傳感器需要通過(guò)調(diào)零來(lái)消除此類(lèi)誤差干擾，來(lái)保證采集精度。由此，本文主要介紹了以STM32為內(nèi)核芯片觸摸屏顯示控制各通道傳感器數(shù)據(jù)的輸出值，通過(guò)CAN總線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)調(diào)零功能。STM32系列是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)，性能突出，外設(shè)豐富，運(yùn)用廣泛，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求?？刂破骶植烤W(wǎng)(controller area network，CAN) 是 BOSCH 公司推出的一種多主機(jī)局域網(wǎng)，CAN 總線(xiàn)系統(tǒng)可由上位機(jī)(PC機(jī)或工控機(jī))、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)組成[2]。由于火箭武器發(fā)射測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、電磁輻射強(qiáng)，普通的串口通信易受干擾，采集通道數(shù)要求較多，CAN通信比較適用于此類(lèi)場(chǎng)合。CAN主站及從站均采用內(nèi)置CAN控制器的32位高性能微處理器STM32F103RCT6作為核心芯片，采用TJA1050作為CAN收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和通信功能。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)電路主要由基于STM32的觸摸屏主站和從站的信號(hào)調(diào)理及控制電路組成。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)

1.1 CAN主站硬件設(shè)計(jì)

主站電路如圖2所示，主要包括電源模塊，STM32模塊，CAN收發(fā)器模塊和觸摸屏模塊。

圖2 CAN主站電路

STM32模塊由STM32F103RCT6微控制器、晶振時(shí)鐘、復(fù)位、一鍵下載電路組成。該芯片是基于32位 ARM Cortex-M3 核心，最高工作頻率為 72 MHz，擁有48 KB SRAM, 256 KB FLASH[3]。

STM32內(nèi)置CAN控制器bxCAN，支持CAN2.0A和2.0B協(xié)議，最高支持1 Mbits/s。包含3個(gè)發(fā)送郵箱，2組各包含3個(gè)接收郵箱的FIFO，報(bào)文的接收和發(fā)送主要由STM32完成。CAN收發(fā)模塊主要采用TJA1050，是CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，是一種速率相對(duì)較高的收發(fā)器[4]。發(fā)送接收端口可直接與STM32的CAN_RX和CAN_TX端口相連。

觸摸屏主要采用的是ALIENTEK推出的4.3″TFTLCD電容觸摸屏。屏幕分辨率為800×480,16位真彩顯示，采用NT35510驅(qū)動(dòng)，芯片自帶GRAM，無(wú)需任何外加驅(qū)動(dòng)器，支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸，具有良好的操控效果。圖3為L(zhǎng)CD與STM32接口電路，LCD表示與顯示相關(guān)串口，T表示與觸摸控制通信相關(guān)串口。LCD采用16位8080并口，觸摸屏采用IIC接口。觸摸屏與CAN主站硬件通過(guò)兩排共32個(gè)排針連接和四角的安裝定位孔通過(guò)螺紋連接固定。

圖3 觸摸屏連接圖

1.2 CAN從站硬件設(shè)計(jì)

從站電路如圖4所示，各通道均由電源模塊、STM32模塊、CAN收發(fā)器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和傳感器橋壓供電模塊組成。

圖4 CAN從站電路結(jié)構(gòu)

信號(hào)調(diào)理模塊電源模塊為±12 V供應(yīng)，采用線(xiàn)性降壓穩(wěn)壓器LM7805和AMS117_3.3 V進(jìn)行降壓生成穩(wěn)定的5 V和3.3 V電壓為CAN收發(fā)器和STM32進(jìn)行供電。

采集壓力信號(hào)時(shí)，壓力傳感器內(nèi)部為全橋結(jié)構(gòu)，需要穩(wěn)定的10 V橋壓供電，采用REF102AP產(chǎn)生10 V基準(zhǔn)電壓供電。電橋輸出電壓信號(hào)非常小，通常為mV級(jí)，采用高精度儀用放大器AD8221作為放大器，其具有較大的輸入阻抗，在G=1、頻率最高為10 kHz時(shí)，AD8221的共模抑制比保持在80 db，相對(duì)于頻率的高共模抑制比使得AD8221可以抑制帶寬干擾和線(xiàn)路諧波，大大簡(jiǎn)化了濾波要求[5]。濾波電路采用MAX280芯片的低通巴特沃斯低通濾波電路，壓力采集有效信號(hào)頻率在1 kHz以下，MAX280是一種開(kāi)關(guān)電容濾波器，引腳4 DR接地，則分頻比為200，采用內(nèi)部140 kHz時(shí)鐘，截止頻率計(jì)算式如式(1)。

(1)

式中：fc為截止頻率；fcosc為時(shí)鐘頻率；DR為分頻比。

可通過(guò)改變引腳4的接法來(lái)得到不同截止頻率，此處DR接地，如圖5所示，分頻比為200，可得出截止頻率約為700 Hz，可以有效截止干擾信號(hào)。

圖5 放大濾波電路

調(diào)零信號(hào)采集電路由運(yùn)放ADOP07，STM32和AD7680共同組成。AD7680是Analog Device公司生產(chǎn)的一款16位，100 ksps，功率為3 mW的低功率、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，參考電壓與電源電壓同步，具有關(guān)斷模式。支持SPI,QSPI,MICROWIRE和DSP高速串行通信[6]。調(diào)零信號(hào)采集電路中信號(hào)通過(guò)運(yùn)放ADOP07CH，輸出信號(hào)VOUT=1.65+VIN，零點(diǎn)值為1.65V，送入基準(zhǔn)電壓為3.3V的AD7680進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

調(diào)零輸出電路主要由STM32、ADOP07和增益為1的放大器AD8221組成，如圖6所示，ADOP07輸出電壓VOUT2=1.65-VDAC1后，與原信號(hào)通過(guò)放大器AD8221，消除漂移電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)零輸出。

圖6 調(diào)零輸出電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由CAN主站通信程序，觸摸屏顯示控制程序及從站節(jié)點(diǎn)調(diào)零通信程序構(gòu)成，均采用STM32的固件庫(kù)在Keil μVision環(huán)境下采用C語(yǔ)言模塊化編程，均通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)。

2.1 程序工作流程

各模塊程序是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的調(diào)零及傳感器數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示。結(jié)構(gòu)流程包括：1) CAN主站、從站配置初始化；2)從站采集發(fā)送信號(hào)電壓；3)主站接收各個(gè)從站數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換、顯示程序，在屏幕上顯示各從站數(shù)值；4)點(diǎn)擊觸摸屏進(jìn)入調(diào)零模式，針對(duì)各從站接收傳感器傳來(lái)的數(shù)值，進(jìn)行相應(yīng)的上調(diào)、下降，循環(huán)以上步驟，使其接近零點(diǎn)；5)點(diǎn)擊觸摸屏進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式，信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 CAN主站從站設(shè)置及通信

CAN控制器的初始化主要包括主控寄存器工作方式(CAN_MCR)和過(guò)濾器(CAN_FM1R)工作模式配置，在CAN主站中配置過(guò)濾器工作在標(biāo)識(shí)符屏蔽位模式，過(guò)濾出一組標(biāo)識(shí)符，CAN從站過(guò)濾器工作模式在標(biāo)識(shí)符列表模式，只接受發(fā)往自己的報(bào)文。CAN位時(shí)間的設(shè)定，是在CAN位時(shí)序寄存器(CAN_BTR)中設(shè)置。CAN的波特率設(shè)置如式(2)。

(2)

式中：tBS1=tq×(TS1[3:0]+1)；tBS2=tq×(TS2[2:0]+1)；tq=(BRP[9:0]+1)×tPCLK；tPCLK=APB時(shí)鐘的時(shí)間周期。

設(shè)置TS1=6，TS2=7和BRP=4，在APB1頻率為36MHz的條件下，即可得出波特率為450kHz。

CAN數(shù)據(jù)幀發(fā)送主要包括起始幀、仲裁段(基本ID、擴(kuò)展幀IDE和遠(yuǎn)程幀RTR設(shè)定)、控制端(數(shù)據(jù)段字節(jié)數(shù)LEN)、數(shù)據(jù)段(可包含8個(gè)字節(jié))、CRC段(檢查幀傳輸錯(cuò)誤)、ACK段(確認(rèn)是否正確接收)和幀結(jié)束段。

u8Can_Tx_Msg(u32 id,u8 ide,u8 rtr,u8 len u8 *canbuf)

//返回值:0～3,郵箱編號(hào).0XFF,無(wú)有效郵箱

voidCan_Rx_Msg(u8 fifox,u32 *id,u8 *ide,u8 *rtr,u8 *len,u8 *canbuf)

//fifox:郵箱號(hào)

2.3 觸摸屏初始化

顯示初始化流程為STM32和TFTLCD模塊相連IO口初始化、硬復(fù)位LCD、初始化序列、設(shè)置坐標(biāo)、寫(xiě)GRAM指令、寫(xiě)入顏色數(shù)據(jù)、LCD顯示，顯示各從站通道對(duì)應(yīng)的顯示位置。觸摸屏初始化為讀取LCD ID判斷是否為電容屏、執(zhí)行OTT2001A初始化代碼、進(jìn)入觸摸屏測(cè)試程序。

2.4 調(diào)零程序

在壓力測(cè)試過(guò)程中，從站板子上電后，由于橋路的不平衡，運(yùn)放失調(diào)電壓等影響，所以輸出的電壓不等于零。點(diǎn)擊CAN主站觸摸屏進(jìn)入調(diào)零模式，從站STM32接收經(jīng)AD7680轉(zhuǎn)換的放大濾波信號(hào)，在STM32內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC及AD7680輸出上述規(guī)定的零點(diǎn)電壓值1.65 V時(shí)和程序中設(shè)定的零點(diǎn)值存在一定的偏差，因此程序中添加了調(diào)零修正值tlb，如式(3)。

(3)

lingdian=0x8C10;//零點(diǎn)設(shè)定值

tiaoling[0] =Get_AD7680_Average(10);//STM32讀取十次取平均值

DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R,0x0000);//設(shè)定輸出電壓0V

tiaoling[1] =Get_AD7680_Average(10);//讀取十次取平均值

DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R,0x0fff);//設(shè)定輸出電壓3.3V

tiaoling[2] =Get_AD7680_Average(10);//讀取十次取平均值

tiaolingg=(tiaoling[0] +tlb)>>4;//加上調(diào)零補(bǔ)償值并右移四位以12位DA輸出 tlb由式(3)得出

DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R,tiaolingg);//設(shè)定修正后的值輸出

tiaoling[0] =Get_AD7680_Average(10);//再次讀取

將最后讀取數(shù)值通過(guò)CAN通信傳輸?shù)街髡?，?biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符代表通道號(hào)，數(shù)據(jù)段包括2個(gè)字節(jié)。主站將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制并在觸摸屏上顯示，此時(shí)進(jìn)入從站通道逐一調(diào)零模式，程序退出上述設(shè)定調(diào)零修正值程序，針對(duì)各從站通道一一進(jìn)行調(diào)零操作，從站STM32通過(guò)DAC1輸出相應(yīng)的電壓值，對(duì)調(diào)零電壓進(jìn)行更改；從站通道同時(shí)在接收傳感器信號(hào)及發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了觸摸屏上循環(huán)顯示，多次調(diào)零，直至調(diào)整至零位，達(dá)到精度要求。開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，其流程圖如圖7所示。

圖7 調(diào)零程序流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

以STM32微處理器為核心，觸摸屏為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線(xiàn)的多通道信號(hào)調(diào)理。CAN總線(xiàn)通信可靠，抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，傳輸速度高，對(duì)于火箭武器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。通過(guò)微處理器的控制，可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)調(diào)零，保證精度，測(cè)試者能直觀地觀察到調(diào)零信號(hào)大小，增加了信號(hào)調(diào)理的可靠性，同時(shí)也解決了測(cè)試時(shí)傳統(tǒng)手工調(diào)零的繁瑣，提升了便捷性，具有較好的實(shí)用價(jià)值。