基于STM32F103RCT6的數據采集設計

劉孝趙，王海圳，董宜孝

（蘇州經貿職業技術學院 機電技術學院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

1 硬件電路設計

隨著全球信息化的不斷發展，數據采集系統逐漸成為現代檢測系統中必不可少的部分?，F實環境中，涉及溫度、光強、壓力等模擬量都需要進行數據采集，實現實時監測。在采集過程中，傳感器模塊作為數據采集的必要前端，大多以電壓的形式輸出信號，對于數字量輸出的傳感器可以由MCU讀取并處理；對于模擬量輸出的傳感器則經由MCU片上ADC采集轉換為數字信號，再交由主控器進行數據處理以決定下一步操作。

本設計采用來自意法半導體公司的STM32F103 RCT6嵌入式微處理器作為處理核心，擁有高性能、低成本、低功耗、方便二次開發等特點。同時，采用ATKESP8266 WiFi模塊進行數據傳輸。該模塊集成度高、外圍電路簡單，擁有較高的性價比和穩定性。

整個系統由電源模塊、STM32F103RCT6主控器模塊和WiFi模塊組成。ADC模塊集成于MCU片上，各個模塊之間相互獨立，模塊集成度高、使用簡單、拓展性強。

1.1 STM32F103RCT6主控模塊

本文選用STM32F103RCT6單片機作為主控MCU，該芯片基于Cortex-M3內核，可以進行復雜數據處理。時鐘主頻較高，同時片上集成12位精度的ADC，USART串口等復雜電路。

單片機由AMS1117提供3.3 V電壓供電，芯片內嵌出廠前調校的8 MHz RC振蕩電路，5，6腳接晶振進行8 MHz時鐘信號輸入［1］；芯片3，4腳帶用于校準RTC的32 kHz的晶振；本設計選擇芯片42，43腳連接ATK-ESP8266模塊的RXD，TXD引腳。主控MCU芯片及外圍電路如圖1所示。

圖1 STM32F103RCT6芯片及外圍電路

1.2 A/D信號采集及轉換模塊

A/D信號采集及轉換模塊采用STM32F103RCT6片上外設的ADC功能。該ADC是一個12位逐次逼近型A/D轉換器，最小采樣時間1 us，可測量外部16個信號源。各個通道的A/D轉換可以以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以被設置成左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。

STM32的ADC的轉換通道被分成2個通道組：規則通道組和注入通道組。注入通道的轉換可以打斷規則通道的轉換進程，只有在注入通道轉換完成之后，規則通道才能夠繼續進行轉換。ADC_CR1的SCAN位用于設置掃描模式，可以由軟件設置或清除。ADC_CR2的ADON位用于設置打開和關閉A/D轉換器［2］，CONT位用于設置是否進行連續轉換。同樣，ADC的觸發也可以通過設置ADC_CR2的EXTSEL［2∶0］和JEXTSEL［2∶0］位來進行控制。EXTSEL［2∶0］用于選擇規則通道的觸發源；JEXTSEL［2∶0］用于選擇注入通道的觸發源。選定后，由ADC控制寄存器ADC_CR2的EXTTRIG和JEXTTRIG來激活。其中，需要特別注意的是ADC3的規則轉換和注入轉換的觸發源與ADC1和ADC2不同。ALIGN位用于設置數據左右對齊；ADC_SQRx用于定義在規則通道轉換序列中的通道數目和轉換順序；ADC_CR2的RSTCAL位和CAL位用于執行復位校準和A/D校準，由軟件置1，在硬件完成后由硬件自動清零。需要注意的是每次初始化時都應進行校準操作，不校準將有可能導致結果錯誤。

ADC_SMPRx用來設置采樣時間，最小位1.5周期。ADC的轉換時間可以由以下公式計算：

T總＝采樣時間＋12.5個周期

實際采樣時間則是由每個通道的SMP位的設置來決定的。當ADCCLK被設置成14 Mhz時，最小采樣時間T總＝1.5＋12.5＝14個周期＝1 us。在實際運用中，一般情況下PCLK2＝72 Mhz，經過ADC預分頻器能分頻到最大的時鐘只能是12 M。若采樣周期為1.5個周期，T總＝1.17 us，實際運用中常以此為最快轉換時間。之后，向ADC_CR2的SWSTART位寫1即可開始轉換。通道轉換結束后，可以產生中斷和DMA請求，需要注意的是只有ADC1和ADC3可以產生DMA請求。

STM32的ADC同時擁有模擬看門狗特性，允許應用程序自動檢測輸入電壓是否超出用戶定義的高/低閥值?？梢酝ㄟ^ADC_HTR和ADC_LRT設置。

1.3 無線傳輸設計

在此次設計中，使用ATK-ESP8266模塊來進行WiFi傳輸。TXD TTL，RXD TTL引腳用于連接單片機串口。ATK-ESP8266模塊片上集了模塊運行必要的外圍組件，共同組成一個完整且自成體系的WiFi傳輸模塊，配網成功后單片機通過串口發生數據就可以通過WiFi傳輸至接收端。模塊內置TCP/IP協議棧，可以通過AT指令進行操作。

在此次設計中，STM32設置為TCP服務器模式，電腦端為AP模式，接受由單片機發送過來的數據。數據由單片機采集，并通過USART串口傳輸到ATKESP8266模塊進行數據向電腦端傳輸［3］。經過測試最大傳輸距離可達到15 m，在傳輸距離小于10 m是傳輸結果最為穩定。ATK-ESP8266模塊原理如圖2所示。

圖2 ATK-ESP8266模塊原理

2 系統供電模塊設計

對一個有穩定性要求的系統來說，電源模塊供電的穩定性至關重要。考慮到本系統僅需3.3 V電壓給單片機及ESP8266供電即可，因此選用AMS1117線性穩壓芯片［4］，其電路連接如圖3所示。

圖3 AMS1117及其外圍電路

若對功耗較敏感的系統，優先考慮轉換效率，則可以選擇DC/DC電源［5］；若考慮成本因素，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以選擇LDO電源。

3 軟件設計

整個軟件代碼由C語言編寫，利用STM32F103標準庫資源。軟件首先需要進行ADC初始化和串口初始化。ADC不斷采集電壓數值，采集結果經由DMA傳輸到串口，使得STM32內核可由于其他任務，為該系統提供了良好的拓展性。最后，數據經由WiFi模塊傳輸給上位機，主程序進行流程圖編寫。

4 數據采集測試結果

將模擬量信號接入A/D采集通道1，使用信號發生器給出直流信號于電腦端接受的數據對比，多次測量平均誤差小于0.8%。ADC分辨率0.81 mV，測試時為了提高精度選用了更長的ADC采樣時間，實測速度約為300 kHz。若對精度要求不高可以進一步降低采樣時間以提升采樣速度。經過多次反復測量，采集數據符合設計要求，可供后續數據多樣化應用。

5 結語

需要注意的是實際使用中應外加保護電路以確保接入MCU的電壓數值為0～3.3 V，避免過壓導致芯片損毀。同時，STM32片上ADC采集精度為12位，如對精度有更高要求可以外接更高精度的ADC采集芯片，也可以通過外接比例電阻等方式擴大量程，但會造成測量精度降低，使用時應按需選擇。

本文使用STM32F103RCT及片上ADC搭配ATKESP8266設計制作了數據采集系統，分析了該系統的硬件組成及軟件設計。具有設計功耗低，性價比高可拓展性強等特點。測試結果表明，該設計可以滿足低頻數據的采集及傳輸的需求。