基于嵌入式單片機的多用測量儀表設計

馬文博，蔣玉華，閉金杰，廖志賢，黃國現

（廣西師范大學，廣西桂林，541004）

0 引言

萬用表、示波器等測量儀表在電子領域有著廣泛的應用，號稱電子工程師的“眼睛”。如何充分利用運放、模擬開關等常見器件完成多用儀表的設計，在保證精度的前提下提高易用性和擴展性是需要解決的問題。本文結合軟件和硬件，用盡可能少的電子元器件，并優化系統軟硬件，完成系統設計。

1 系統的方案設計

系統主控采用STM32F103 C8T6 核心板。它是一款基于ARM Cortex-M 內核的32 位微控制器，其具有72MHz 時鐘主頻、37 個GPIO引腳，12位ADC，價格低廉，使用廣泛，可以方便地完成設計。

2 硬件設計

■2.1 電源電路

本電路采用兩級LM1117 LDO 芯片串聯組成。第一級將輸入電壓轉換為5V 輸出；第二級將5V 電壓轉換為3.3V，從而滿足系統各模塊的供電需求。系統中運算放大器、模擬開關、電流采樣芯片、繼電器均采用5V 供電，STM32 單片機、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、輸出紋波小等優點。

■2.2 主控電路

本電路基于STM32F103C8T6 核心板進行設計，引出部分GPIO 接口用于連接和控制系統各外設。核心板已集成晶振電路、下載接口等電路。

圖1 系統框圖

圖2 電源輸入電路原理圖

圖3 最小系統板外圍電路圖

圖4 電壓檢測調理電路圖

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 時鐘樹配置

圖12 系統軟件總框圖

圖13 電壓測量流程圖

圖14 樣機測試過程

■2.3 電壓檢測調理電路

本電路需要將外部的電壓輸入按比例放大或縮小，轉換為STM32 單片機ADC 端口可以接受的0-3.3V 電壓，并通過模擬開關實現量程切換功能。

運放芯片采用LM324，該芯片具有4 路獨立運放單元。其中，第一、二路構成跟隨器，根據電阻分壓：

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

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

量程切換功能通過模擬開關實現，型號為CD4052。其A0、A1 連接至單片機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ADC 端口。單片機控制A0、A1 以選通不同電壓等級輸入作為模擬開關的輸出。

■2.4 電流檢測電路

電路需要將外部的電流輸入進行采樣，經過處理后送入單片機ADC 引腳，并通過繼電器實現量程切換功能。在設計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，電流由I_IN+流入，由I_IN-流出。

電流感應放大芯片U1 選取MAX4080，其放大倍數為20 倍。測量時，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ADC 引腳。

繼電器K1、K2 為量程切換開關。當繼電器K1 吸合K2斷開時，采樣電阻R5接入電路；當繼電器K2吸合K1斷開時，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行適當處理，接入單片機ADC 輸入引腳，并通過控制MOS 管通斷選取不同的分壓電阻，實現量程切換功能。設計中加入運放（U2.4）構成的跟隨器進行隔離，從而避免錯誤的輸入損壞單片機。

圖中，P 溝道MOS 管Q2、Q3、Q5 的柵極連接至單片機GPIO，當單片機輸出低電平時，漏源極導通。R2、R7、R8 為分壓電阻。

實際電路中，為實現自動量程切換功能，開關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，單片機通過讀取待測電阻上分得電壓，進而計算得到待測阻值。

根據電阻分壓公式(1)得被測電阻阻值計算公式(3)：

式中Rx 為不同量程分壓電阻，Uc 為3.3V 基準電壓。

■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）設計有串行通信接口，可將程序運行中的數據傳至上位機，方便調試和分析。

3 軟件設計

軟件主要運行于STM32F103C8T6 單片機上，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。其主要目的是實現量程切換電路的控制、按鍵狀態讀取、測量結果處理和送入OLED 屏幕顯示等。

■3.1 初始化配置

(1)系統時鐘(HSE)來源配置為外部時鐘，運行頻率設置為72MHz。

(2)繼電器、模擬開關、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、非連續轉換模式、軟件觸發、設置通道數為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）用于驅動OLED 屏幕。

(6)使能串口1 用于程序調試與上位機數據展示和下發。

■3.2 主程序設計

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行切換，最終將處理后的測量結果輸出至OLED 屏幕進行顯示、輸出至串口用于上位機展示功能。

（1）電壓測量模式

根據電壓檢測硬件電路，設計實際電壓換算公式(4)。

式中Vtrue為被測電壓真實值，ADCresult為ADC轉換結果，c 為比例系數，參數b、a 為線性擬合系數，用于提高結果準確性。根據表1 所示電壓測量電路擋位與調整比例的關系，參數c 在三種擋位分別取值1/4、4、11。根據STM32F103系列12 位ADC 轉換器原理，ADCresult將0～3.3V 電壓表示為0～4096 之間的整數。上式首先將ADCresult轉換為真實電壓值，再乘以比例系數c，最后根據進行線性擬合校正參數b、a 得到真實被測電壓值。

表1 設計量程與電阻的關系

表2 量程與采樣電阻的關系

表3 電阻測量中量程與分壓電阻的關系

表4 三種模式測量平均誤差統計

程序首先連續讀取20 次ADC 電壓端口轉換結果，送入滑動窗口濾波器進行濾波處理得到參數resultADC，隨后根據公式(4)計算得到被測電壓真實值。之后程序將電壓真實值送入OLED 屏幕向用戶展示，并向串口打印測量數據。除此之外，該程序還需根據表1 量程關系判斷當前的擋位是否合適，若不合適則自動進行擋位切換。若真實電壓為0～0.7V 范圍則切換為1 檔；若真實電壓為0.7～9V 范圍則切換為2 檔；若真實電壓為大于9V 范圍則切換為3 檔。切換檔位后，程序在下次測量時將根據切換后的擋位參數重新計算真實測量結果。

（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現方法基本相似，此處不展開詳細論述。

4 系統主要功能測試以及分析

電壓、電流擋的測試方法為：由數控可調電源輸入一固定電壓（或電流），連接至設備，同時接入UNI-T UT71C型號萬用表進行準確性比對。逐次調節電壓（或電流）輸入，記錄設備讀數和萬用表讀數，計算誤差，并驗證其自動切換量程功能。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，與設備測量結果進行比對。以上過程均重復20 次求平均值。

根據測試數據，三種模式測量精度均符合預期指標。在電流測量模式中，較小電流（約0～100mA）測量時會存在較大誤差，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進行了詳細闡述。最后實驗結果表明 STM32F103C8T6 能夠正常獲取采樣數據并進行相應處理，能夠實現自動擋位切換功能，在OLED 屏幕上顯示正確測量結果，輸出結果準確穩定，滿足系統設計要求指標。

當前常用的萬用表已作為電子工程師的必備設備進入大眾視野。通過串行通信接口，可以方便地將萬用表與上位機軟件結合起來，從而實現更加豐富的功能。當前本設計運行穩定，可靠性良好，成本低，為后續智能化測量儀器的設計開發與研究奠定了基礎。本設計包含完善的保護電路，在外部輸入超過設計測量能力時，不會造成設備損壞。