1.引言

近年來，數(shù)據(jù)采集及其應用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應用于各種領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學的重要分支之一，數(shù)據(jù)采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用一些功能相對獨立的單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，作為測控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點直接影響到整個系統(tǒng)。

電壓的測量最為普遍性，研究設計并提高電壓測量精度的方法及儀器具有十分重要的意義。在電壓測量設計中，單片機作為控制器，是整個設計的核心。除此之外，設計中還必須有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ADC用于直接采集模擬電壓并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，它直接影響著數(shù)據(jù)采集的精度和速度。

2.系統(tǒng)概述

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(nèi)核設計的。它的時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能較高的產(chǎn)品，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點，是嵌入式應用設計中良好的選擇。設計中的A/D轉(zhuǎn)換器采用STM32內(nèi)置ADC。STM32的ADC是一種12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

它有多達18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。其輸入時鐘最大可達到14MHz。

本設計可測量8通道電壓值，測量范圍為0-10V的電壓，顯示誤差為±0.001V。LCD實時顯示電壓值和波形圖，MicroSD卡對數(shù)據(jù)進行同步存儲。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3.系統(tǒng)硬件設計

本設計的硬件主要包括STM32模塊，LCD模塊，SD卡模塊和按鍵模塊。STM32模塊不僅作為核心控制器，還包括ADC設備，它主要包括STM32最小系統(tǒng)電路。LCD模塊主要包括LCD驅(qū)動接口電路。SD卡模塊主要是SD卡驅(qū)動電路。除此之外，還有用于程序下載調(diào)試的J-Link接口電路和電源電路等。

3.1、STM32最小系統(tǒng)

本模塊主要介紹STM32芯片和設計中用到的外設模塊。

STM32最小系統(tǒng)使用外部高速時鐘，外接8M晶振。STM32的兩個BOOT引腳都接低電平，以使用戶閃存存儲器為程序啟動區(qū)域。芯片采用J-Link下載模式，也可以進行硬件調(diào)試。STM32的電源引腳都接了濾波電容以確保單片機電源的穩(wěn)定。

STM32F103VET6擁有3個ADC，這些ADC可以獨立使用，也可以使用雙重模式（提高采樣率）。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個通道可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。在程序正常執(zhí)行的時候，中斷是可以打斷程序正常執(zhí)行的。同這個類似，注入通道的轉(zhuǎn)換可以打斷規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換，在注入通道被轉(zhuǎn)換完成之后，規(guī)則通道才得以繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

本設計中ADC采集的數(shù)據(jù)使用DMA進行傳輸，以達到高速實時的目的。

3.2、ADC控制電路

STM32的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊（DAC）是12位數(shù)字輸入，電壓輸出的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。本設計中使用DAC來控制ADC匹配電路的增益。在打開DAC模塊電源和配置好DAC所需GPIO的基礎上，往DAC通道的數(shù)據(jù)DAC_DHRx寄存器寫入數(shù)據(jù)，如果沒有選中硬件觸發(fā)，存入寄存器DAC_DHRx的數(shù)據(jù)會在一個APB1時鐘周期后自動傳至寄存器DAC_DORx。一旦數(shù)據(jù)從DAC_DHRx寄存器裝入DAC_DORx寄存器，在經(jīng)過一定時間之后，輸出即有效，這段時間的長短依電源電壓和模擬輸出負載的不同會有所變化。

圖2 ?ADC匹配電路圖

TM32的ADC前加入匹配電路。在ADC控制電路中，輸入信號先經(jīng)過射極電壓跟隨電路，然后經(jīng)過分壓電路，使輸入信號滿足AD603的輸入要求。然后再經(jīng)過射極電壓跟隨電路，輸入ADC輸入端。AD603的控制輸入使用STM32的DAC，可以滿足增益的要求。

匹配電路以AD603為核心.AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器。帶寬90MHz時，其增益變化范圍為-10dB～+30dB；帶寬為9M時范圍為10～50dB。

將VOUT與FDBK短路，即為寬頻帶模式（90MHz寬頻帶），AD603的增益設置為-11.07dB~+31.07dB。AD603的5、7腳相連，單片AD603的可調(diào)范圍為-10dB～30dB。AD603的增益與控制電壓成線性關(guān)系，其增益控制端輸入電壓范圍為±500mv，增益調(diào)節(jié)范圍為40dB，當步進5dB時，控制端電壓需增大：

ADC匹配電路的電路圖如圖2所示。

3.3、LCD控制電路

本設計所使用的LCD為2.4寸，320×240分辨率。LCD模塊使用STM32的FSMC接口控制。FSMC（FlexibleStaticMemoryController）即可變靜態(tài)存儲控制器，是STM32系列中內(nèi)部集成256KB以上Flash，后綴為xC、xD和xE的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。通過對特殊功能寄存器的設置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。

在STM32內(nèi)部，F(xiàn)SMC的一端通過內(nèi)部高速總線AHB連接到內(nèi)核Cortex－M3，另一端則是面向擴展存儲器的外部總線。內(nèi)核對外部存儲器的訪問信號發(fā)送到AHB總線后，經(jīng)過FSMC轉(zhuǎn)換為符合外部存儲器通信規(guī)約的信號，送到外部存儲器的相應引腳，實現(xiàn)內(nèi)核與外部存儲器之間的數(shù)據(jù)交互。FSMC起到橋梁作用，既能夠進行信號類型的轉(zhuǎn)換，又能夠進行信號寬度和時序的調(diào)整，屏蔽掉不同存儲類型的差異，使之對內(nèi)核而言沒有區(qū)別。FSMC可以連接NOR/PSRAM/NAND/PC卡等設備，并且擁有FSMC_A［25:0］共26條地址總線，F(xiàn)SMC［15:0］共16條數(shù)據(jù)總線。另外，F(xiàn)SMC擴展的存儲空間被分成8個塊。通過地址線選擇操作的塊。這樣，LCD將被看作一個擁有一塊地址空間的存儲器進行操作。

3.4、SD卡驅(qū)動電路

本設計中使用的SD卡為MicroSD，也稱TF卡。MicroSD卡是一種極細小的快閃存儲器卡，主要應用于移動電話，但因它的體積微小和儲存容量的不斷提升，現(xiàn)在已經(jīng)使用于GPS設備、便攜式音樂播放器、數(shù)碼相機和一些快閃存儲器盤中。MicroSD卡引腳圖如圖9所示。

MicroSD卡與SD卡一樣，有SPI和SDIO兩種操作時總線。SPI總線相對于SDIO總線接口簡單，但速度較慢。我們使用SDIO模式。