基于STM32 的電路測(cè)量系統(tǒng)

張 嶸 占志龍 盧昌佐

（湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭411100）

1 概述

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者數(shù)量也在飛速增長(zhǎng)，其中大部分設(shè)計(jì)者為學(xué)生以及個(gè)人開(kāi)發(fā)者，而電子開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需要各種開(kāi)發(fā)工具，以萬(wàn)用表及示波器為最主要的開(kāi)發(fā)工具。但是一個(gè)好的萬(wàn)用表價(jià)格昂貴，示波器多在萬(wàn)元及以上，這對(duì)學(xué)生以及個(gè)人開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是難以承受的價(jià)格。目前市面上的一些基于單片機(jī)定制的單片機(jī)多有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度低、功能單一、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，難以滿足開(kāi)發(fā)者的需求。

為方便開(kāi)發(fā)者的需求，通過(guò)前期查找資料并通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足用戶使用需求。本文結(jié)合已開(kāi)發(fā)實(shí)物設(shè)計(jì)了一個(gè)能同實(shí)現(xiàn)功能需求的電路測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量電壓、電阻、波形并顯示在顯示器中。電源開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始工作，顯示器進(jìn)入主菜單，用戶通過(guò)按鍵選擇進(jìn)入測(cè)量電壓、電阻、或者波形的功能。功能進(jìn)行時(shí)顯示器顯示測(cè)量得到的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)量電壓、電阻時(shí)系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的數(shù)值自動(dòng)切換到最適量程，也可自行設(shè)置測(cè)量時(shí)手動(dòng)切換量程。測(cè)量波形時(shí)與傳統(tǒng)示波器主要功能方式保持一致，可以調(diào)節(jié)相應(yīng)按鍵來(lái)設(shè)置測(cè)量規(guī)則。本系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，具有體積小、功能豐富、自動(dòng)切換等優(yōu)點(diǎn)，給學(xué)生及個(gè)人開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了極大的便利。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

2.1.1 能測(cè)量電壓、電阻并能自動(dòng)切換量程。

2.1.2 能測(cè)量信號(hào)的波形。

2.1.3 能將測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示在顯示器上。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)作流程

電源開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)工作，主控芯片初始化外設(shè)，顯示器開(kāi)始工作，系統(tǒng)進(jìn)入主頁(yè)面。用戶通過(guò)按下菜單鍵選擇需要進(jìn)行的功能，若選中某功能，則系統(tǒng)執(zhí)行該功能并將系統(tǒng)測(cè)量到的結(jié)果及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示在顯示器中，在執(zhí)行某功能時(shí)若按下菜單鍵，則暫存測(cè)量的部分?jǐn)?shù)據(jù)及當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)后執(zhí)行菜單鍵選中的功能。若在一定時(shí)間回到該功能時(shí)則恢復(fù)該功能的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，更新顯示界面。系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)直到電源斷開(kāi)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，充分考慮電路測(cè)量系統(tǒng)具有低功耗、頻率高、體積小、自動(dòng)切換量程等特點(diǎn)，該電路測(cè)量系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、顯示器模塊、開(kāi)關(guān)芯片、按鍵模塊、基準(zhǔn)電阻、電源模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及濾波電路。

系統(tǒng)采用ST 公司的STM32F103RBT6 系列MCU，該單片機(jī)外設(shè)資源豐富，引腳多（64 個(gè)），256K 片內(nèi)FLASH，48K 片內(nèi)RAM，72MHz 主頻，性能較強(qiáng)，符合設(shè)計(jì)要求；顯示模塊采用0.96 英寸的OLED 顯示屏，該顯示屏由SSD1306 芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，通信方式為I2C。分辨率為128x64，選用此型號(hào)的原因是：價(jià)格低、分辨率高、功耗低、刷新速度快，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；開(kāi)關(guān)芯片采用的的是CD5001 模擬開(kāi)關(guān)芯片，在電壓、電流、電阻的測(cè)量中，一個(gè)合適的量程決定測(cè)量數(shù)據(jù)的精度、速度。通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換量程保證測(cè)量時(shí)能最快的切換量程，該開(kāi)關(guān)具有3 輸入8 輸出及片選引腳，能同時(shí)滿足測(cè)量電壓、電阻、電流量程的切換；電源模塊采用AMS1117-3 線性穩(wěn)壓芯片，該模塊將輸入電壓轉(zhuǎn)化輸出3.3V 電壓給系統(tǒng)所有模塊供電；時(shí)鐘模塊采用8MHz 的陶瓷警惕振蕩器，保證系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定、高精度運(yùn)行；復(fù)位電路采用上電復(fù)位與按鍵復(fù)位兩種方式；略波電路采用RC 低通濾波電路，電阻采用高阻抗電阻，保證芯片能捕獲到相對(duì)穩(wěn)定的電壓。

STM32 單片機(jī)在系統(tǒng)中的作用是將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算生成人類能看懂得文字信息并控制顯示器顯示內(nèi)容，在測(cè)量電壓與電阻時(shí)，分析采集到得數(shù)據(jù)并于設(shè)定得測(cè)量范圍規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，控制開(kāi)關(guān)芯片選中最適擋位保證得到得數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定、精確，STM32 單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)菜單按鍵是否按下來(lái)決定系統(tǒng)需要執(zhí)行的功能。顯示器顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)。開(kāi)關(guān)芯片負(fù)責(zé)在測(cè)量電壓或電阻時(shí)通過(guò)被STM32 單片機(jī)控制選通特定通道，不同得通道連接不同阻值得基準(zhǔn)電阻，不同的電阻決定測(cè)量時(shí)得范圍及精確度。按鍵模塊組成系統(tǒng)的菜單鍵組合，菜單鍵控制系統(tǒng)選擇功能。時(shí)鐘電路是單片機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)。濾波電路中的略波電容采用100nf 的瓷片電容，電阻采用100K 高精度金屬膜電阻，信號(hào)能很好的通過(guò)此電路，而參雜信號(hào)卻很難通過(guò)此電路，從而單片機(jī)的ADC 輸入端能得到很干凈的信號(hào)，保證采集到的數(shù)據(jù)誤差最小，同時(shí)該電路會(huì)濾除部分震蕩信號(hào)，從而單片機(jī)會(huì)得到穩(wěn)定的信號(hào)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件啟動(dòng)時(shí)，初始化需要使用的外設(shè)，靜等0.1S 確保系統(tǒng)穩(wěn)定。屏幕顯示主菜單，等待用戶選擇功能，若用戶選擇特定功能，則系統(tǒng)進(jìn)入特定功能執(zhí)行特定操作并將內(nèi)容顯示在屏幕上面，在進(jìn)行功能時(shí)若摁下返回按鍵，系統(tǒng)保存目前的狀態(tài)信息返回到上一級(jí)菜單。系統(tǒng)保持喚醒狀態(tài)直到電源斷開(kāi)。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如下：

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

4.2.1 電壓

電壓測(cè)量范圍為0～330V 直流電壓，通過(guò)開(kāi)關(guān)芯片CD5001切換量程。程序控制測(cè)量開(kāi)始狀態(tài)為最大量程，保護(hù)電路。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)電壓低于1/10 目前量程時(shí)，切換低一檔量程，保證測(cè)量目標(biāo)值在當(dāng)前量程的1/10～9/10 范圍內(nèi)，保證數(shù)據(jù)的精度。測(cè)量輸出的內(nèi)容為換算后的電壓值，用浮點(diǎn)數(shù)表示。計(jì)算公式為（ADC 讀取寄存器值/4096）*3.3（4096 為測(cè)量芯片的精度12位，3.3 為測(cè)量芯片的參考電壓3.3V）。測(cè)量時(shí)采用多次測(cè)量與低通濾波保證測(cè)量到的電壓值穩(wěn)定可靠。

4.2.2 電阻

電阻的測(cè)量范圍為0～10 兆歐姆，通過(guò)開(kāi)關(guān)芯片CD5001 切換量程。開(kāi)始測(cè)量時(shí)程序控制CD5001 導(dǎo)通所有的電阻，使處于最大量程，與測(cè)量電壓類似，當(dāng)被測(cè)電阻阻值位于1/10～9/10 量程時(shí)選中此量程，當(dāng)阻值不在此范圍內(nèi)則控制CD5001 電路高檔位電阻切換到第一檔量程，以此重復(fù)直到在量程1/10～9/10范圍內(nèi)。測(cè)量輸出的電阻值為換算后的電阻值，用32 位整型數(shù)表示。電阻計(jì)算公式為R0/(R0+Rx)=V/VREF（Rx 為被測(cè)電阻阻值，R0 為分壓電阻阻值，V 為測(cè)量到的分壓電阻，VREF 為芯片ADC 轉(zhuǎn)換器的參考電壓）。與測(cè)量電壓同理，測(cè)量時(shí)采用多次測(cè)量與低通濾波保證測(cè)量到的電阻值穩(wěn)定可靠。

4.2.3 波形

該功能與傳統(tǒng)示波器類似，具有示波器的大部分功能，雙通道同步采樣。示波器模式下屏幕上顯示的內(nèi)容有：波形、時(shí)間刻度線、電壓值、波形周期、水平位置線、豎直位置線。通過(guò)以設(shè)定測(cè)量時(shí)間間隔為基準(zhǔn)連續(xù)測(cè)量100 次被測(cè)目標(biāo)的電壓值依次存入緩存區(qū)，通過(guò)與系統(tǒng)設(shè)置的對(duì)比頻率對(duì)比，將采集到的點(diǎn)以電壓的高低在屏幕上從左至右分別打點(diǎn)顯示，以100 次為周期開(kāi)始下一次的采集并顯示，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)量超過(guò)屏幕寬度時(shí)則重新從左開(kāi)始至右顯示，依此直到系統(tǒng)結(jié)束或功能切換。ADC 測(cè)量的最大頻率為12MHz，在最大頻率下采樣周期為1/12000000s=83ns，綜和系統(tǒng)其它程序占用時(shí)間測(cè)量頻率最大能達(dá)到6MHz。程序讀取頻率設(shè)置按鈕將數(shù)據(jù)以不同的頻率顯示。波形周期為上一次波形結(jié)束時(shí)到本次波形結(jié)束的時(shí)候的時(shí)間，時(shí)間通過(guò)芯片的外設(shè)定時(shí)器來(lái)獲得。豎直位置線所在的位置為該時(shí)刻的電壓值，顯示在電壓值顯示欄里面，程序識(shí)別豎直位置線調(diào)節(jié)按鈕的電壓值來(lái)設(shè)定豎直線所在的位置顯示所在位置的電壓值。設(shè)置通道選擇按鍵切換顯示特定通道的波形，可同時(shí)顯示兩個(gè)通道的波形，方便進(jìn)行波形的對(duì)比。

4.2.4 系統(tǒng)菜單

系統(tǒng)菜單提供系統(tǒng)的顯示，系統(tǒng)所有的顯示部分通過(guò)帶有SSD1306 驅(qū)動(dòng)器的OLED 顯示。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，顯示主菜單供用戶選擇需要進(jìn)行的功能，默認(rèn)選擇是只測(cè)量電壓，方便快速測(cè)量電壓。菜單內(nèi)容采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。每一個(gè)內(nèi)容都是一個(gè)對(duì)象，子對(duì)象位于父對(duì)象里面，子對(duì)象可以繼承父對(duì)象的特性，位于父對(duì)象的內(nèi)部但不允許超過(guò)父對(duì)象的顯示范圍，最高一級(jí)的父對(duì)象為屏幕，所有的對(duì)象都存在于屏幕之內(nèi)。內(nèi)容的創(chuàng)建引入消息機(jī)制，所有的對(duì)象創(chuàng)建都經(jīng)過(guò)消息管理系統(tǒng)。程序?yàn)轱@示系統(tǒng)在運(yùn)行初劃分好存儲(chǔ)區(qū)域，每個(gè)對(duì)象創(chuàng)建時(shí)都會(huì)分配屬于自己的管理信息、存儲(chǔ)空間，刪除時(shí)也會(huì)釋放自己所在的內(nèi)存空間。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，主菜單顯示一級(jí)菜單：①功能選擇；②默認(rèn)選擇；③系統(tǒng)介紹。功能選擇里面有子對(duì)象：①測(cè)量電壓；②測(cè)量電阻；③測(cè)量波形。默認(rèn)選擇為直接測(cè)量電壓。功能介紹里面有介紹關(guān)于系統(tǒng)的使用方法、系統(tǒng)參數(shù)等內(nèi)容。系統(tǒng)內(nèi)容的切換與選擇通過(guò)板載的個(gè)菜單選擇。采用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法便于顯示界面的開(kāi)發(fā)、之后的更新，在節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間的同時(shí)也提高了開(kāi)發(fā)的可操控性。

5 結(jié)論

基于STM32 的電路測(cè)量系統(tǒng)采用了開(kāi)關(guān)芯片通過(guò)程序控制來(lái)自動(dòng)切換測(cè)量的量程，在保證了測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定度、精度的同時(shí)也保護(hù)了系統(tǒng)電路。波形顯示功能使其可以充當(dāng)示波器，做一些基本的波形測(cè)量。所有的模塊集成在同一塊PCB 電路板中，體積小，方便攜帶。目前市面上的萬(wàn)用表功能單一且價(jià)格昂貴，示波器的價(jià)格更是普通學(xué)生或個(gè)人開(kāi)發(fā)者所不能承受的。基于STM32 的電路測(cè)量系統(tǒng)在功能上大致能滿足日常開(kāi)發(fā)使用，且制造成本約30 人民幣左右，基本所有的開(kāi)發(fā)者或?qū)W習(xí)者都能擁有。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試與完善，有功能多、精度高、穩(wěn)定度好、價(jià)格便宜、方便攜帶的特點(diǎn)，具備實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。