本帖最后由 xcvista 于 2019-3-20 00:41 编辑
这是我今年年初做的一个项目。之前老妈说想要买一个食品内部温度计烤牛排用。去了趟宜家，他们家的食品内部温度计居然要将近两百块一个。记得说某板厂样板五片 30 包邮？食品用 304 不锈钢铠装 K 型热电偶淘宝价 12 一支？看来自己 DIY 一个恐怕比买一个要便宜得多，赶紧动手。
一：选型
铂金热电偶虽然说性能稳定，但太贵了。K 型热电偶价格便宜，又能满足我的需求，下单。热电偶需要一个放大器，不过找了一圈参考设计好像对电路匹配要求都比较高，而且冷端补偿和校准我不会做。转向去找集成式热电偶 ADC，找到 MAX31855。这个芯片 20 元左右，有点小贵，但是内部集成了高精度仪表放大器、冷端温度补偿和 ADC，用起来很省事。
这个项目显示输出用 1602 似乎大材小用，LED 的话我有点担心电池续航。正好手里有两片上海正金 YE004 STN 公模四位半段码液晶屏样品，当年 5 元一片买的，可以拿来尝试一下。这个液晶屏是 1/3 占空比的，略奇葩……本来想用 HT16C21 来驱动液晶面板梦碎。那个时候我还不熟悉国内厂家的 LCD 单片机，顶着 25 一片的价格选了 STM32L433CBT6。这颗 STM32 有内置段码液晶控制器、内置液晶对比度控制，也支持 1/3 占空比，可以直接驱动 YE004。
下一步就是供电。液晶屏和低功耗单片机的选用保证了电池消耗不会很高。这里的的选项是内置小体积锂离子充电电池 vs 七号电池。我没有单节七号电池电池盒，但是我有一些项目剩余的小锂离子聚合物电池，体积比 CR2032 都要小。电池管理我用了一颗 TP4057 锂离子充电芯片和 TPS63000 升降压芯片。这片升降压芯片可以在电池电压范围在 2.4V（保护电路自动切断）～4.2V（充满电）的任何时刻输出稳定的 3.3V。这个设计比锂电池接 LP2980 LDO 可以更充分的给电池放电，电池续航几乎翻倍。STM32 单片机对于电源其实没那么大所谓，但是热电偶 ADC 对电源电压要求就很高了。既然用了充电电池需要充电口，STM32L433 单片机又有 USB 支持，充电口索性就把数据线也接上，几乎免费增加了一个 USB 通信功能。
整个 BOM 下来，这个设备成本都没有破百。相比于宜家的食品温度计，我自己做一个省了一半的钱，还多了一个 USB 支持。
二：电路设计
这个电路的设计基本可以说是中规中矩。充电芯片、升降压芯片、热电偶 ADC 直接照着数据手册里面的参考电路画。STM32L4 的 USB 有自带上拉电阻，不用外接。液晶面板的管脚对应到单片机执行的是就近原则，具体管脚和段码之间的对应关系，到驱动层去解决。另外，对于支持四线 JTAG 的 ARM 单片机，我一般尽量不用 SWD。SWD 虽然节约管脚，但不支持多芯片共用调试接口。这一点在这块板上虽然体现不出来，但在我曾设计过的另几款板上是实现了 ARM、FPGA、外设芯片等共用一个调试接口，相比于每一块芯片一个调试接口来说节省了不少空间。
电路中对电源开关的处理值得一提。按照 USB 充电的规范，受电设备需要完成 USB 枚举才能全负荷充电，也是为了偷懒，我在这里设计了强制开机充电。这个设计靠的是升降压芯片的 EN 管脚来实现的：如果开关打开，或者如果 USB 连接，EN 管脚的电压会高于 2V，电路会自动开机。
三：电路板设计
这个电路板的设计其实是有缺陷的：电源部分非常拥挤。
四：软件设计
我也算是延续一贯风格，不用 Keil，不用 STM32CubeMX 或固件库，用开源的原装 Eclipse IDE 和 GCC 编译环境来开发。不用固件库，一方面来说所有外设都需要自己编码操作寄存器，开发比较累；另一方面，又因为没有了库的负荷，程序的体积和执行时间可以大幅缩短。
MAX31855 有采样频率限制，因此我不能高频率访问之。同时这个芯片是只读 SPI，我只要给它时钟他就会自己传送数据，我就想到了一种办法：设置一个定时器，定时器中断频率决定访问 31855 的频率。同时设置一个 DMA，减少读取数据时 CPU 的干预程度。
- static void spitemp_begin_capture(void)
- {
- GPIOA->BRR = 1UL << 4;
- RCC->APB2RSTR &= ~RCC_APB2RSTR_SPI1RST;
- RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN;
- SPI1->CR1 =
- SPI_CR1_CPHA |
- SPI_CR1_MSTR |
- (5 << SPI_CR1_BR_Pos) |
- SPI_CR1_RXONLY;
- SPI1->CR2 =
- SPI_CR2_SSOE |
- (7 << SPI_CR2_DS_Pos) |
- SPI_CR2_FRXTH;
- SPI1->CR2 |= SPI_CR2_RXDMAEN;
- DMA1_Channel2->CMAR = (uint32_t)(&temp_buffer);
- DMA1_Channel2->CNDTR = sizeof(temp_buffer);
- DMA1_Channel2->CCR |= DMA_CCR_EN;
- SPI1->CR1 |= SPI_CR1_SPE;
- }
- static void spitemp_end_capture(void)
- {
- DMA1_Channel2->CCR &= ~DMA_CCR_EN;
- SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_SPE;
- SPI1->CR2 &= ~SPI_CR2_RXDMAEN;
- while (SPI1->SR & SPI_SR_FRLVL_Msk)
- discard = SPI1->DR;
- GPIOA->BSRR = 1UL << 4;
- temp_reading =
- (temp_buffer[0] << 24) |
- (temp_buffer[1] << 16) |
- (temp_buffer[2] << 8) |
- (temp_buffer[3] << 0);
- RCC->APB2RSTR |= RCC_APB2RSTR_SPI1RST;
- }
spitemp_begin_capture 函数在时钟中断中执行。这个函数配置好 SPI 硬件和 DMA，启动一笔 4 字节的 DMA 读访问。31855 芯片的报文长 4 字节，因此这一笔 DMA 可以将 31855 的报文完全读回来。spitemp_end_capture 函数则是在 DMA 中断中执行，将读入的数据整理，并清理 SPI 和 DMA 硬件。我这里偷懒了，直接复位 SPI 控制器了事。理想情况下，应该是不用涉及到 RCC->APB2RSTR 的。
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