基于嵌入式單片機(jī)的多用測量儀表設(shè)計(jì)

馬文博，蔣玉華，閉金杰，廖志賢，黃國現(xiàn)

（廣西師范大學(xué)，廣西桂林，541004）

0 引言

萬用表、示波器等測量儀表在電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，號稱電子工程師的“眼睛”。如何充分利用運(yùn)放、模擬開關(guān)等常見器件完成多用儀表的設(shè)計(jì)，在保證精度的前提下提高易用性和擴(kuò)展性是需要解決的問題。本文結(jié)合軟件和硬件，用盡可能少的電子元器件，并優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控采用STM32F103 C8T6 核心板。它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32 位微控制器，其具有72MHz 時(shí)鐘主頻、37 個(gè)GPIO引腳，12位ADC，價(jià)格低廉，使用廣泛，可以方便地完成設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 電源電路

本電路采用兩級LM1117 LDO 芯片串聯(lián)組成。第一級將輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V 輸出；第二級將5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，從而滿足系統(tǒng)各模塊的供電需求。系統(tǒng)中運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)、電流采樣芯片、繼電器均采用5V 供電，STM32 單片機(jī)、OLED 顯示屏采用3.3V 供電。LDO 芯片具有外圍電路簡單、低壓差下效率高、輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

■2.2 主控電路

本電路基于STM32F103C8T6 核心板進(jìn)行設(shè)計(jì)，引出部分GPIO 接口用于連接和控制系統(tǒng)各外設(shè)。核心板已集成晶振電路、下載接口等電路。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 電源輸入電路原理圖

圖3 最小系統(tǒng)板外圍電路圖

圖4 電壓檢測調(diào)理電路圖

圖5 電流檢測電路圖

圖6 電阻檢測電路

圖7 量程切換典型電路圖

圖8 4×4 矩陣鍵盤電路圖

圖9 OLED 屏幕接口

圖10 串行通信接口

圖11 時(shí)鐘樹配置

圖12 系統(tǒng)軟件總框圖

圖13 電壓測量流程圖

圖14 樣機(jī)測試過程

■2.3 電壓檢測調(diào)理電路

本電路需要將外部的電壓輸入按比例放大或縮小，轉(zhuǎn)換為STM32 單片機(jī)ADC 端口可以接受的0-3.3V 電壓，并通過模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)量程切換功能。

運(yùn)放芯片采用LM324，該芯片具有4 路獨(dú)立運(yùn)放單元。其中，第一、二路構(gòu)成跟隨器，根據(jù)電阻分壓：

第一和二路輸入電壓分別衰減為輸入的1/11、1/4。第三路構(gòu)成同相比例放大器，放大倍數(shù)關(guān)系為：

其中R32 為平衡電阻，阻值計(jì)算方法為：R3 2 =R31 1//R30。第三路的放大倍數(shù)為11 倍。

量程切換功能通過模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)，型號為CD4052。其A0、A1 連接至單片機(jī)GPIO 作為控制端，Y0B、Y1B、Y2B 作為輸入端，ZB 作為輸出端連接至單片機(jī)ADC 端口。單片機(jī)控制A0、A1 以選通不同電壓等級輸入作為模擬開關(guān)的輸出。

■2.4 電流檢測電路

電路需要將外部的電流輸入進(jìn)行采樣，經(jīng)過處理后送入單片機(jī)ADC 引腳，并通過繼電器實(shí)現(xiàn)量程切換功能。在設(shè)計(jì)中盡量減小回路阻抗，以減小測量電路對被測電路的影響。

R5、R6 為采樣電阻，阻值選取分別為1Ω、0.1Ω，分別測量0～100mA、100mA～2A 電流。測量時(shí)，電流由I_IN+流入，由I_IN-流出。

電流感應(yīng)放大芯片U1 選取MAX4080，其放大倍數(shù)為20 倍。測量時(shí)，I_IN+、I_IN-兩端（包含采樣電阻）分得的電壓輸入MAX4080 的RS+、RS-，芯片將該電壓放大20倍后由OUT 端輸出。OUT 端連入單片機(jī)ADC 引腳。

繼電器K1、K2 為量程切換開關(guān)。當(dāng)繼電器K1 吸合K2斷開時(shí)，采樣電阻R5接入電路；當(dāng)繼電器K2吸合K1斷開時(shí)，采樣電阻R6 接入電路。

■2.5 電阻檢測電路

電路需要將外部接入的電阻進(jìn)行適當(dāng)處理，接入單片機(jī)ADC 輸入引腳，并通過控制MOS 管通斷選取不同的分壓電阻，實(shí)現(xiàn)量程切換功能。設(shè)計(jì)中加入運(yùn)放（U2.4）構(gòu)成的跟隨器進(jìn)行隔離，從而避免錯(cuò)誤的輸入損壞單片機(jī)。

圖中，P 溝道MOS 管Q2、Q3、Q5 的柵極連接至單片機(jī)GPIO，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，漏源極導(dǎo)通。R2、R7、R8 為分壓電阻。

實(shí)際電路中，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換功能，開關(guān)U3、U4、U5 用MOS管代替。R33、R34、R35 為不同量程的分壓電阻，R1 為待測電阻，阻值未知。該電路利用電阻分壓原理，單片機(jī)通過讀取待測電阻上分得電壓，進(jìn)而計(jì)算得到待測阻值。

根據(jù)電阻分壓公式(1)得被測電阻阻值計(jì)算公式(3)：

式中Rx 為不同量程分壓電阻，Uc 為3.3V 基準(zhǔn)電壓。

■2.6 其他輔助電路

（1）外接4×4 矩陣鍵盤用于模式切換等功能，其行、列線與單片機(jī)GPIO 相連。

（2）OLED 屏幕使用中景園電子 1.91 英寸SH1108，其接口類型為SPI。

（3）設(shè)計(jì)有串行通信接口，可將程序運(yùn)行中的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，方便調(diào)試和分析。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要運(yùn)行于STM32F103C8T6 單片機(jī)上，編寫過程分為初始化代碼生成和主程序邏輯代碼編寫。其中初始化代碼配置采用STM32CubeMX 工具生成HAL 庫代碼。主程序基于該代碼，添加用戶邏輯代碼部分。其主要目的是實(shí)現(xiàn)量程切換電路的控制、按鍵狀態(tài)讀取、測量結(jié)果處理和送入OLED 屏幕顯示等。

■3.1 初始化配置

(1)系統(tǒng)時(shí)鐘(HSE)來源配置為外部時(shí)鐘，運(yùn)行頻率設(shè)置為72MHz。

(2)繼電器、模擬開關(guān)、電阻量程切換MOS管GPIO 配置為推挽輸出模式。

(3)矩陣鍵盤行線配置為輸出，列線配置為輸入。

(4)使能ADC2 的4、5、6 通道用于電壓、電流、電阻ADC 采集。

使能多通道掃描模式、非連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、軟件觸發(fā)、設(shè)置通道數(shù)為3。為最大程度提高精度，ADC 周期配置為最大（239.5Cycles）。

(5)SPI2 配置為Full-Duplex Master（全雙工主模式）用于驅(qū)動(dòng)OLED 屏幕。

(6)使能串口1 用于程序調(diào)試與上位機(jī)數(shù)據(jù)展示和下發(fā)。

■3.2 主程序設(shè)計(jì)

主程序共涉及電壓測量、電流測量、電阻測量、矩陣鍵盤讀取、量程切換控制、串口通信、OLED 屏幕顯示等模塊。其中，電壓測量、電流測量、電阻測量模塊通過矩陣按鍵進(jìn)行切換，最終將處理后的測量結(jié)果輸出至OLED 屏幕進(jìn)行顯示、輸出至串口用于上位機(jī)展示功能。

（1）電壓測量模式

根據(jù)電壓檢測硬件電路，設(shè)計(jì)實(shí)際電壓換算公式(4)。

式中Vtrue為被測電壓真實(shí)值，ADCresult為ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，c 為比例系數(shù)，參數(shù)b、a 為線性擬合系數(shù)，用于提高結(jié)果準(zhǔn)確性。根據(jù)表1 所示電壓測量電路擋位與調(diào)整比例的關(guān)系，參數(shù)c 在三種擋位分別取值1/4、4、11。根據(jù)STM32F103系列12 位ADC 轉(zhuǎn)換器原理，ADCresult將0～3.3V 電壓表示為0～4096 之間的整數(shù)。上式首先將ADCresult轉(zhuǎn)換為真實(shí)電壓值，再乘以比例系數(shù)c，最后根據(jù)進(jìn)行線性擬合校正參數(shù)b、a 得到真實(shí)被測電壓值。

表1 設(shè)計(jì)量程與電阻的關(guān)系

表2 量程與采樣電阻的關(guān)系

表3 電阻測量中量程與分壓電阻的關(guān)系

表4 三種模式測量平均誤差統(tǒng)計(jì)

程序首先連續(xù)讀取20 次ADC 電壓端口轉(zhuǎn)換結(jié)果，送入滑動(dòng)窗口濾波器進(jìn)行濾波處理得到參數(shù)resultADC，隨后根據(jù)公式(4)計(jì)算得到被測電壓真實(shí)值。之后程序?qū)㈦妷赫鎸?shí)值送入OLED 屏幕向用戶展示，并向串口打印測量數(shù)據(jù)。除此之外，該程序還需根據(jù)表1 量程關(guān)系判斷當(dāng)前的擋位是否合適，若不合適則自動(dòng)進(jìn)行擋位切換。若真實(shí)電壓為0～0.7V 范圍則切換為1 檔；若真實(shí)電壓為0.7～9V 范圍則切換為2 檔；若真實(shí)電壓為大于9V 范圍則切換為3 檔。切換檔位后，程序在下次測量時(shí)將根據(jù)切換后的擋位參數(shù)重新計(jì)算真實(shí)測量結(jié)果。

（2）電流、電阻測量模式

電流、電阻測量模式與電壓測量模式實(shí)現(xiàn)方法基本相似，此處不展開詳細(xì)論述。

4 系統(tǒng)主要功能測試以及分析

電壓、電流擋的測試方法為：由數(shù)控可調(diào)電源輸入一固定電壓（或電流），連接至設(shè)備，同時(shí)接入U(xiǎn)NI-T UT71C型號萬用表進(jìn)行準(zhǔn)確性比對。逐次調(diào)節(jié)電壓（或電流）輸入，記錄設(shè)備讀數(shù)和萬用表讀數(shù)，計(jì)算誤差，并驗(yàn)證其自動(dòng)切換量程功能。電阻擋測量方法為在電阻測量端口與GND 端口間接入不同阻值的定值電阻，并用萬用表測量電阻阻值，與設(shè)備測量結(jié)果進(jìn)行比對。以上過程均重復(fù)20 次求平均值。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，三種模式測量精度均符合預(yù)期指標(biāo)。在電流測量模式中，較小電流（約0～100mA）測量時(shí)會(huì)存在較大誤差，原因是較小測量電流下，采樣芯片和STM32 的ADC 分辨率不足，可以通過換用較大采樣電阻的方法以降低小電流測量誤差。

5 總結(jié)與展望

本文主要研究一種多用測量儀表，以STM32F103C8T6為主要控制單元，從硬件和軟件兩方面對該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 STM32F103C8T6 能夠正常獲取采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)擋位切換功能，在OLED 屏幕上顯示正確測量結(jié)果，輸出結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。

當(dāng)前常用的萬用表已作為電子工程師的必備設(shè)備進(jìn)入大眾視野。通過串行通信接口，可以方便地將萬用表與上位機(jī)軟件結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能。當(dāng)前本設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性良好，成本低，為后續(xù)智能化測量儀器的設(shè)計(jì)開發(fā)與研究奠定了基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)包含完善的保護(hù)電路，在外部輸入超過設(shè)計(jì)測量能力時(shí)，不會(huì)造成設(shè)備損壞。