基于STM32单片机的数据采集与控制电路设计分析.pdf

装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料36摘要：实践表明，数据采集与控制电路作为测井仪极为重要的电路之一，在采集、存储和传输地层信息和钻孔轨迹信息方面发挥着纽带作用。文章根据煤矿井下环境和实际应用需要，围绕该电路的设计展开了讨论，介绍了电路的设计思路，说明了电路设计方案，详细探讨了电路的设计要点，包括电源电路、信号调理电路、STM32 主控单元、Wi-Fi 模块等部分。希望能够给有关人员以启发，为日后研发新电路、优化升级既有电路的工作提供参考。关键词：STM32 单片机；数据采集；控制电路分类号：TP368.12022 年召开的能源保供会议指出，煤炭对能源安全具有压舱石的作用，我国煤矿企业既要稳定供应煤炭，还要提高煤矿开采工作的安全性。作为煤矿开采过程中较为常见的安全隐患，煤与瓦斯突出给人员安全所造成威胁有目共睹，钻孔并预抽采瓦斯是控制煤层整体瓦斯含量以及压力的关键，可以将瓦斯突出或相关事故的发生概率降至最低。自然伽马测井是识别地层是否含煤的主要依据，能够参考钻遇地层所具有的放射性，对钻孔轨迹与目标层的重合情况加以判断。实际工作中，测井仪需要同时采集自然伽马数据、钻孔轨迹数据，而测量上述数据的传感器不同。鉴于此，有关人员决定设计数据采集和控制电路，通过同步采集不同数据，使测井仪的作用得到充分发挥1。1 电路设计思路STM32 是由意法半导体开发的 32 位单片机，被广泛应用于嵌入式系统和物联网（IoT）设备中，其特点是可以使用 ARM 开发工具链编程，并使用各种开发板、开发工具和软件包简化开发过程。基于 STM32 单片机的数据采集与控制电路是一种常见的嵌入式系统设计，能够用于工业自动化、智能家居、医疗设备等领域。设计该电路时，不仅要考虑硬件部分，还要考虑软件开发。在硬件设计部分，主要包括传感器接口、数据采集模块、通信接口、控制模块等内容。传感器接口负责连接各种传感器，常见的传感器包括温度、湿度、光照、加速度传感器。数据采集模块用于将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，STM32 单片机内部集成了模数转换器（ADC），可以实现模拟信号的采集和转换。通信接口用于与外部设备进行数据交换，常见的通信接口包括 UART、SPI、I2C。控制模块主要负责控制外部执行器，例如，驱动电机、执行阀门。在软件开发部分，有关人员需要编写嵌入式软件，由此实现数据采集和控制功能。首先，搭建开发环境，包括安装 STM32 的开发工具和编译器；其次，编写初始化代码，配置 ADC、通信接口、定时器等硬件资源；再次，编写数据采集的代码，通过 ADC 模块实现对传感器数据的采集和转换；从次，编写控制代码，根据采集到的数据完成相应的控制操作；最后，展开调试和测试工作，确保整个系统能够正常运行。总的来说，该电路设计涉及硬件设计和软件开发两个方面，需要综合考虑传感器接口、数据采集模块、通信接口、控制模块等硬件资源的配置和使用，同时编写嵌入式软件，通过合理的设计与开发，实现各种应用场景下的数据采集与控制需求。2 电路设计方案在实际应用场景中，数据采集及控制电路需要负责采集伽马探测器、测斜传感器的各项数据，以及分析两种探测器的运行电压、输出信号的具体类型。其中，伽马探测器的运行电压为 5.0 V，信号类型是TTL，测斜传感器的运行电压同样为 5.0 V，信号类型是 RS485。由此不难看出，该电路要想充分发挥作用，需要对信号调理、总线通信及其他核心功能电路进行科学整合2。此外，考虑测井仪的应用以及日常工作基于 STM32 单片机的数据采集与控制电路设计分析马 骏辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161文章编号：2096-3092（2024）02-0036-04作者简介：马骏，女，硕士，讲师，研究方向为电气自动化技术、检测技术。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化37环境较为特殊，接入该电路的仪器在井下钻孔环节发挥着重要作用，为仪器供电的主体为电池组，并且未搭载实时传输数据的链路，因此在设计电路、选择器件型号时，要重视实际运行功耗，既要控制器件的体积，还要考虑数据存储容量、通信效果。在了解实际功能需求后，有关人员确定了电路组成结构，电路结构框图如图 1 所示。SPI串行通信接口。图 1 电路结构框图分析图 1 可知，该电路包括六个部分，分别是5.0 V、3.3 V 电源电路，信号调理电路，STM32 主控单元，Wi-Fi 模块，FLASH 存储器，RS485 总线电路。有关人员需要根据实际工作需要，分别对各部分加以设计，由此确保最终获得的电路能够发挥出应有作用。3 电路设计要点3.1 电源电路电路电源电路需要满足以下要求：（1）稳定的电源供应。STM32 单片机需要 3.3 V的稳定电源供应，应设计稳压电路将输入电压（通常是 5.0 V 或者电池电压）稳定为 3.3 V。（2）低噪声。数据采集对电源的噪声要求较高，应设计低噪声的电源电路，确保数据采集的准确性。（3）低功耗。考虑数据采集系统通常需要长时间运行，电源电路需要设计为低功耗，以延长系统的工作时间。常见的电源电路设计包括线性稳压电路和开关稳压电路。线性稳压电路简单，成本低，但效率较低，适用于较小功率的应用；开关稳压电路效率高，但设计复杂，适用于大功率和低功耗的应用。在设计电源电路时，需要综合考虑系统的功耗、稳定性以及成本因素，选择合适的电源方案。此外，还要考虑过压保护、过流保护和短路保护等功能，以确保系统的安全性和稳定性3。该电路不同功能模块的核心器件、运行电压各不相同，需要分为 3.3 V 和 5.0 V 两种情况分析。其中，3.3 V 电压的功能模块核心器件为 STM32单片机的主控单元、核心器件为 ESP8266 的无线通信、核心器件为 M25P32 的数据存储模块；5.0 V 电压的功能模块核心器件为 MAX485 的总线通信、核心器件为SN74LVC2G04 的信号调理电路。3.2 信号调理电路一般情况下，伽马探测器所释放出的方波脉冲信号均为 5.0 V 信号，若不考虑其他因素，可直接输入单片机，考虑在实际应用时，外界阻抗、电磁波等诸多因素的干扰均会致使波形大幅度振荡，要想保证所获取方波信号标准，需视情况增设信号调理电路，探测器所输出的信号先经过两级翻转处理，转化成对应的脉冲信号，再通过脉冲计数端口进入单片机4。由此可见，在设计电路时，信号调理电路是非常重要的一部分，该电路应当具备信号放大、滤波、隔离和转换等功能，以确保从传感器或外部设备获取的信号能够被 STM32 单片机准确、稳定地采集和处理。为保证信号调理电路充分发挥作用，在对其进行设计时，要注意以下方面：（1）信号放大。如果传感器输出的信号较小，可能需要设计信号放大电路，将信号放大到适合 STM32单片机的输入范围内，同时保持信噪比的合理水平。（2）滤波。考虑传感器输出的信号，可能会受到环境干扰和噪声的影响，因此要设计滤波电路，利用低通滤波、高通滤波或带通滤波去除不必要的干扰信号。（3）隔离。在一些应用场景中，传感器可能会处于高电压或高噪声环境下，为了保护 STM32 单片机，可以设计隔离电路。例如，光耦隔离或者磁隔离，将传感器信号与单片机隔离开，防止干扰和电气隔离。（4）转换。有些传感器输出的信号可能是模拟信号，而 STM32 单片机通常仅采集数字信号，故需要设计模数转换电路，将模拟信号转换为数字信号，以便单片机进行处理。（5）温度补偿。某些传感器输出的信号可能会受到温度影响，因此要设计温度补偿电路，以确保在不同温度下获取到准确的信号。3.3 STM32 主控单元电路设计中，STM32 主控单元是整个系统的核心部分。在设计 STM32 主控单元时，需要考虑以下方面内容：（1）型号选择。根据系统的具体需求，参考处 装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料38理器性能、存储容量、外设接口等因素，选择适合的 STM32 单片机型号，以满足数据采集与控制的功能需求。（2）外设接口。根据系统的数据采集与控制需求，选择具备足够数量和类型的外设接口的 STM32 单片机。常见的外设接口包括通用输入输出（GPIO）、模拟输入（比如 ADC）、串行通信接口（比如 SPI、I2C、UART）、定时器（TIM）等，上述接口均可以用于连接传感器、执行器以及与其他模块的通信。（3）电源管理。经实践验证，STM32 单片机运行过程中对电源供应的稳定性有较高要求。因此，有关技术人员在进行电源管理电路设计时，务必确保STM32 单片机能够持续稳定工作。（4）外部存储器接口。如果系统需要大容量的数据存储，可能需要考虑外部存储器接口。例如 SD 卡接口或者外部串行闪存接口，由此扩展系统的存储容量。（5）调试接口。出于方便调试和程序下载的考虑，需要视情况决定是否设计调试接口，常用的调试接口有两种，分别是 SWD、JTAG 接口。（6）封装和布局。在设计中，需要考虑 STM32 单片机的封装和布局，合理安排引脚布局、地线和电源线的走线，以确保信号完整性和系统稳定性。文章所讨论电路主控单元搭载的核心控制器件由ST 公司自行设计并且研发，型号是 STM32F103，内核为 ContexM3，在性能、功耗和集成密度方面具有突出表现，可以降低编写和开发程序的难度。主控单元的控制系统包括芯片、复位电路、调试端口、无源晶振电路等部分，电源电路负责提供工作电压，芯片电源引脚附近设有退耦电容，规格为 0.1 F，作用是消除其他芯片正常运行所产生电流波动对芯片电源的影响5。复位电路的复位条件由外接硬件触发器决定，原理为阻容复位，电路正常运行状态下，只需将复位引脚拉低 2 个机器周期便能够达到复位的目的。单片机通过 SWD 串行模拟运行并下载程序，SWD 串行的优点是高速模式稳定且可靠，自带标准复位协议，不需要进行 RST 复位处理，能够控制电路板所占用空间，并降低使用难度。3.4 Wi-Fi 模块在设计电路搭载的 Wi-Fi 模块时要注意以下方面：（1）Wi-Fi 模块设计。选择合适的 Wi-Fi 模块。常见的 Wi-Fi 模块包括 ESP8266、ESP32 等，上述模块均具有良好的兼容性和稳定性，适合与 STM32 单片机集成。（2）硬件设计。在硬件设计环节，考虑 Wi-Fi 模块的功耗特性，可能需要额外的电源管理电路，以确保系统的稳定性还有节能性，因此需要为 Wi-Fi 模块提供可靠的电源供应。此外，还要设计 Wi-Fi 模块的通信接口、天线接口和天线布局。（3）软件开发。在软件开发方面，需要编写 Wi-Fi模块的驱动程序，实现与 STM32 单片机的通信。一般来说，Wi-Fi 模块会提供 AT 指令集或者通过串口通信控制，因此要编写相应的驱动程序，由此实现与Wi-Fi 模块的通信和控制。除驱动程序外，还要编写网络通信协议栈，以实现与远程服务器或移动设备的数据交换。（4）软件代码编写。应用层的软件代码能实现远程数据监控和控制功能，编写的内容包括用户界面设计、远程数据传输、数据加密和安全认证。在实际工作中，有关人员需要综合考虑硬件设计和软件开发两方面，确保 Wi-Fi 模块能够稳定地与 STM32 单片机通信，并实现远程数据监控和控制。3.5 FLASH 存储器一方面，要实时测量钻孔伽马数据、钻孔轨迹数据和系统时间等数据信息；另一方面要在存储数据时有效整合上述数据，并将整合后数据大小控制在 16 B左右。由于仪器工作时间通常由现场情况决定，因此为保证数据得到实时且有效的存储，需要在了解单片机自带存储器额定容量的前提下增设外部存储器，即FLASH 存储器。在设计、接入 FLASH 存储器时，要注意以下方面：（1）存储器类型选择。根据系统的存储容量需求和接口类型，选择合适的外部 FLASH 存储器，例如SPI Flash 或 QSPI Flash。其中，SPI Flash 通常具有较小的容量，适合存储少量数据；QSPI Flash 容量更大、数据传输速度更快，适合存储大容量数据和程序代码。（2）接口电路设计。基于 FLASH 存储器的接口类型设计相应的接口电路，设计内容包括但不限于数据线、控制线以及时钟线。对于 QSPI Flash，需要考虑Quad SPI 接口的设计，即数据线和时钟线的连接。（3）电源管理。FLASH 存储器通常需要额外的电源供应，因此有关人员应设计稳压电路和电源滤波电路，以确保外部存储器的稳定工作。（4）地线和信号线布局。合理布局地线和信号线，减小信号传输的串扰和干扰，确保数据传输的稳定性和可靠性。（5）控制接口设计。设计单片机与 FLASH 存储器造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化39之间的控制接口，明确片选信号、读写控制信号，确保单片机能够正确地控制外部存储器的读写操作。（6）软件驱动开发。硬件设计完成后，开发相应的软件驱动程序，以实现单片机与 FLASH 存储器之间的数据读写操作。3.6 通信电路通信电路负责单片机与外部设备之间的数据传输和通信，在设计通信电路时，为确保所设计电路能够发挥出应有作用，有关人员需要重视以下内容：（1）串行通信接口。STM32 单片机通常具有多种串行通信接口，包括但不限于 SPI、I2C 和 UART，可以根据外部设备的通信接口要求选择合适的串行通信接口，设计相应的电路连接。（2）通信隔离。在某些应用场景下，需要考虑通信隔离电路，以隔离单片机和外部设备之间的电气噪声和地线干扰，提高系统的稳定性和抗干扰能力。（3）电平转换。如果外部设备的工作电平与STM32 单片机不匹配，则需要设计电平转换电路，确保通信信号能够正常传输。（4）通信保护。考虑通信线路可能受到静电放电、过电压等干扰，需要设计相应的保护电路。例如，静电保护、过电压保护，保护通信电路和单片机的安全。（5）外部设备驱动。如果外部设备需要较大的驱动能力，则应当对外部设备驱动电路加以设计，通过加入放大器、驱动芯片，为设备提供强大的驱动力。（6）通信指示灯。出于方便调试和状态显示的考虑，可以酌情设计通信指示灯电路，用于指示通信状态和数据传输情况。文章所讨论电路支持两种通信方式，分别是Wi-Fi 通 信 和 RS485 通 信（即 总 线 通 信）。其 中，Wi-Fi 通信原理是通过 SPI 串口向单片机实时传输数据，核心功能是根据 Wi-Fi 通信标准转化 TTL 电平，使其成为与通信标准相符的嵌入模块，Wi-Fi 模块传输数据的优点是不受线缆的制约，无须考虑井下环境对线缆完整性、接触效果造成的影响，能够在保证数据可靠传输的前提下，将数据传输覆盖范围的半径增加到 10 m。若决定采取 Wi-Fi 通信方式，则除特殊情况外，只需使用市面常见的 ESP8266 Wi-Fi 模块即可。而设计总线通信的目的是充分匹配测斜传感器，二者之间的通信方式为内部通信，对 RS485 芯片是否为隔离芯片无明确要求，通常只需使用非隔离的 MAX485芯片，便能够取得理想的通信效果。MAX485 作为功耗较低的半双工芯片，具有以下优点：支持 RS485 串行这一主流通信协议，传输数据的实时速率在 10 Mbps左右。发生故障后，能够自行启动保护程序，确保在输入端悬空状态下，输出始终维持在高电平的状态。实际工作中，为进一步提高输入和输出的可靠性，有关人员决定对 RS485 的通信总线加以改造，在总线之间并联 120 的电阻。4 结论经过研究分析，可以得出以下结论：（1）基于 STM32 单片机设计采集和控制数据的电路这一想法可行，所设计电路具有较高的实用性和稳定性。（2）设计过程中，要充分考虑系统的全面性、扩展性，合理选择传感器和执行机构，以满足实际应用需求。（3）软件开发环节，要充分利用 STM32 单片机的特点以及硬件资源，采用适当的算法和优化措施，由此提高系统响应速度和数据处理能力。（4）实际操作中，要注意系统运行的稳定性、可靠性，采用合适的保护措施和故障排除方法，以确保系统正常运行。参考文献1 余德水,杨发顺,马奎.一种峰值电流模式DC-DC转换器控制电路设计J.固体电子学研究与进展,2023,43(5):442-449.2 侯川江.高精度电阻应变数据采集系统设计D.成都:电子科技大学,2021.3 龙秀玲.基于RTOS及物联网的控制电路系统的研究D.大连:大连理工大学,2020.4 王永响,王晓荣,储震宇,等.基于STM32和酶生物传感器的数据采集系统设计J.电子器件,2019,42(6):1507-1510,1537.5 朱力琼.基于STM32单片机的数控机床数据采集系统设计J.造纸装备及材料,2023,52(8):16-18,217.