基于單片機的多功能測量儀的設計

北方工業大學電子信息工程學院通信工程系 代 勇

基于單片機的多功能測量儀的設計

北方工業大學電子信息工程學院通信工程系 代 勇

單片機作為檢測儀器在嵌入式中應用十分廣泛。隨著時代的發展，單片機的功能越來越強大。基于stm32系列開發板的豐富的外圍設備，使我們對于各種系統的仿真模擬也越來越廣泛。本系統則是利用stm32作為控制核心，利用其自帶的外圍設備進行模擬多功能測量儀的實現。在誤差允許的前提下可以進行幅度，頻率，以及占空比等測量，在檢測pwm波時還可以進行倍頻輸出的功能。

嵌入式；倍頻輸出；頻率測量，幅度測量

1.引言

目前利用單片機進行測量各種模擬信號的數字特性已不再稀奇，畢竟目前嵌入式和最小系統甚是流行且發展極快。體積小，性能強，功耗低已經是嵌入式器件的代名詞。嵌入式系統將先進的半導體技術，計算機技術和電子技術，以及各個行業結合，是一個技術精密，學科交叉和不斷創新的知識集成系統。本系統具有更高的集成度，更加方面快捷，足以滿足我們日常的生活需求。

2.系統硬件設計

2.1 系統結構

本系統主要由以下模塊組成，采集信號模塊，通信模塊，定時器模塊，人機交互模塊等，由圖1所示。本系統的工作的原理大致為：首先幾路信號經過調理電路調理后進入模擬通道1和2等。然后在測量電壓時，經過模數轉化器轉化為數字信號。在一定時間內比較出最大值，即為信號幅值。在測量頻率時，利用定時器中斷測量頻率，即上升沿和下降沿的時間來計算出信號的頻率與占空比。再利用通用定時器發出雙倍頻的信號。開關輸入的變量是通過后I/O輸入，stm通過中斷的方式讀取。數據處理后可由LCD屏幕直接顯示。為了是數據顯示更加直觀，通過USB轉串口與上位機相連。

圖1 系統原理

圖2 MCU主控模塊的管腳原理圖

2.2 STM32的片上資源

本設計的微控制器采用STM32單片機。STM32系列單片機是基于ARM公司Cortex-M3內核設計的是專門設計于滿足集高性能 、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。本次系統采用的是32F103RBT6主控模塊（如圖2所示），其中芯片具備有內置的128KB的Flash2X12位的ADC、4X16位TIMER以及2XSPI(18Mbit/s)，3XUART,通訊接口等多種資源。另外其A DC 為逐次逼近型模數轉換器 , 各通道的轉換可以單次 、連續 、掃描或間斷模式執行 ,轉換結果以左對齊或右對齊方式存儲在 16 位數據寄存器中。通用定時器是一個通過可編程預分頻器驅動的16位自動裝載計數器構成，每個定時器都是完全獨立的，沒有互相共享任何資源。它們可以一起同步操作。并且通用定時器可以設置為向上、向下、向上/向下自動裝載計數。模擬輸入管道的。

2.3 頻率（PWM）采集模塊

本次實驗使用了通用定時器TIM2和TIM3，他們捕獲通道都是圍繞著一個捕獲寄存器，包括捕獲的輸入部分(數字濾波、多路復用和預分頻器)，和輸出部分(比較器和輸出控制)。在這里只展示了通道一的輸入部分。下面幾張圖是一個捕獲通道概覽。當前工作在輸入捕獲模式下，輸入的部分對TL1信號進行采樣，TL1F則表示濾波后的信號。利用邊緣檢測器產生一個TL1FP1的信號，利用此信號，從模式控制器可以產生輸入觸發或作為捕獲控制。當通道檢測到ICx信號上相應的上升或下降沿后，計數器的當前計數值被鎖存到捕獲寄存器TIM2_ CCRX中，當連接TL1上時寫入寄存器TIM2_CCR1中，連接TL2時寫入寄存器CCR2中。倍頻輸出則是采用的脈沖寬度調制模式，在此模式下可以產生一個可以確定的頻率和占空比的信號。

圖3 MCU通道1的輸入部分

2.4 交流（余弦波）信號的頻率檢測

由于交流信號沒有有效的上升沿和下降沿，所以應該在進入檢測模塊之前經過過零檢測電路。如圖4所示，利用LM358N構成檢零器，當輸入信號大于0V時，輸出高電平，當輸入信號小于0V時，輸出低電平。這樣就可以利用MCU進行頻率檢測。

圖4

圖5

3.軟件設計

軟件部分，則利用本系統的STM32本身的庫函數方式編寫，簡潔直觀相對于寄存器便攜較為簡單，但是不靈活。不過針對本系統已經向足夠，而且庫函數據有快速開發便于閱讀的特點。利用定時器捕獲進行頻率測量，利用ADC進行頻率測量。而且對于常見的pwm和交流信號都適合。

4.測試結果

利用Keil4編寫STM32程序，并通過J-Link進行下載和調試，調試完成后程序可以達到預期的功能。如圖6所示：

圖6

5.結論

由以上結果可以看出，本次的系統可以正常工作，可以測量某些波形的頻率和幅度，并且能在誤差允許的范圍內得到正確的結果.隨著測量技術的發展，對于數據采樣精度的發展越來越高，我們可以在此基礎上進一步改進系統，可以對輸入信號進行傅里葉變換，更加精確地分析其諧波的特征。

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代勇（1994—），河南商丘人，大學本科，現就讀于北方工業大學。