STM32与LabVIEW平台的车用带轮多参数检测仪的研制

2万 · 2019-7-8 12:39

(4)模拟输入抗混叠滤波器。
AD7606提供了抗混叠滤波器，在士SV，-3dB带宽典型值为1 SkHz，士lOV
带宽典型值为23kHz o
(S)采样保持放大器。
采样保持放大器在CONVST x的上升沿对8个输入通道进行同步采样，一
个器件的8个采样保持器以及不同器件的采样保持器的孔径时间通过设计保证
严格匹配，因此，一个系统中允许多片AD7606同步采样。AD7606所有通道的
转换时间4},s } BUSY下降沿表示所有通道转换结束。
(6)内部/外部基准电压。
设置REF SELECT引脚，选择AD7606内置2.5 V或外部2.5V基准电压源，
2.5V基准电压会被内部缓冲放大至4.5V，此4.5V是ADC所用的基准电压。
(7)数字滤波器。
AD7606内置一个可选的数字滤波器，在较低采样速率或者更高信噪比或更
宽动态范围的应用中，使用该滤波器能得到更好的采样效果。系统中采样频率较
低，应使用数字滤波器。
OS引脚选择采样倍率，如设置OS=010，即采样倍率4，则在下一个CONVST
上升沿采集各通道第一个采样点，一个内部产生的采样信号采集所有通道的其余
3个点，然后对这些点求均值，从而改进了SNR的性能。表3.3所示为过采样倍
率与采样速率之间的关系。

2万 · 2019-7-8 12:39

2万 · 2019-7-8 12:40

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ADC采集数据后通过USB传送至上位机处理，USB是一种用于规范主机与
外部设备连接和通信的接口技术。自19%年推出USB1.0协议至今，USB技术
和应用发展迅速，己成为个人电脑和大量的智能设备必配的标准接口。它支持同
步和异步的数据传输，通过集线器可连接多个设备，最多达127个;使用灵活，
支持热插拔;简单易用，低成本的制式的电缆和插座;整体结构易于升级，能适
应各类新生的应用。
STM32F103ZET6单片机自带有USB从控制器，符合USB通信规范;通过
一个专用的数据缓冲区来完成主机部分和微控制器之间的数据传输，可被USB
外设直接访问。STM32的USB模块与主机通信，根据USB规范实现令牌分组
的检测，数据发送或接收以及握手分组的处理。传输过程中的格式，包括CRC
(循环冗余校验)的生成和校验都是由硬件和相应固件库完成。STM32控制器
的主要特征有:
(1)符合USB2.0全速设备的技术规范;
(2)可配置1到8个USB端点;-------一
(3) CRC生成/校验，反向不归零编码解码和位填充;
(4)支持同步传输，支持批量/同步端点的双缓冲区机制。
USB硬件由四根线组成，除VCC, GND外，还有两根采用差分电压方式传
输数据的信号线，分别为D+, D-，对应STM32的PA12, PA1l a USB从设备接
入主机时，主机需要判断是否有设备接入以及接入的是高速设备还是低速设备。
在硬件上，D+上拉1.SKSZ的电阻则识别为高速或全速设备，D一上拉1.SKSZ的电
阻则识别为低速设备。STM32支持USB2.0全速设备的技术规范，本设计中在
D+上拉1.SKSZ电阻以选用全速模式，电路设计如图3.13所示。

2万 · 2019-7-8 12:40

2万 · 2019-7-8 12:41

为方便进行软件程序调试，设计了串口调试电路，用于在调试程序时把一些
信息输出在电脑端的串口助手工具上，从而了解程序运行是否正确、找寻程序出
错位置、修订相关参数等。
CH340是实现STM32和PC端串口通信的转接芯片，可将普通的串口升级
到USB总线;现在的计算机普遍取消了串行接口，CH340也可为计算机扩展异
步串口，CH340电路如图3.14所示。
在本设计中，USB转串口主要利用其调试程序，在配合对BOOTO} BOOT1
的控制，也可作为备用的程序下载接口。

2万 · 2019-7-8 12:41

电路设计上，本设计对数据处理依赖对信号的采样，要特别注意电路布局的
抗干扰设计。电磁干扰分为两类:内部的和外部的。内部干扰可使得信号传输时
发生降级，包括内部器件之间的祸合以及电路间的寄生祸合，所以对于微控制器、
AD7606、稳压电源等集成电路芯片的布局设计应遵循生产厂家提供的设计规范;
此外，外部的电磁环境、温度、湿度等也会对设备产生干扰。本文在电磁兼容方
面采取的措施如下:
1、电源抗干扰处理。
电源干扰是一种比较常见的干扰，主要表现在浪涌和尖峰电压。外接的12V
和24V采用非共地的开关电源，同时在电路中12V电路系统和24V电路系统要
做好隔离的措施，本文中使用了光祸隔离。SV稳压芯片LM2576中，选用低ESR
的铝或担电容作旁路电容，防止在输入端出现大的瞬态电压。根据负载参数计算
电流的大小，电源线和地线应尽量粗而短，以减小环路电阻。
2、地线设计。
良好的接地设计可以有效的降低外来电磁干扰和器件间干扰，以保证设备稳
定可靠的运行。地线尽量加粗，使其能通过三倍于设计电流，增强抗噪性能;电
路中模拟器件和数字器件的地线分开设计，最后单点接地连接到电源地，本设计
中采用单点并联接地的方式。
3、去祸电容的设计。
在数字电路中，电路从一个状态转换为另一个状态时，会产生一个瞬间的电
压噪声。在各元件的输入端对地接入高频特性良好的0.1叮的陶瓷电容作为高频
去祸;对于集成电路芯片应布置一个或多个去祸电容，如STM32芯片中布置了
4个0.1叮的电容去藕;去祸电容的位置也是要尽可能的靠近相应的器件。
4, USB差分线的设计
USB协议定义由两根差分信号线传输数字信号，若硬件上差分线布局的不
适当，很可能造成通讯不稳定或是无法通讯。差分线绘制时应遵循以下要求:
(1)在元件布局时，尽量使差分线线路最短;
②优先绘制差分线，一对差分线上尽量少用过孔，若因布线需要放置过孔，
需对称放置;
(3)对称平行走线，这样能保证两根线祸合，避免90“走线;
(4)保证线长匹配。由于器件实际的布局、走线空间等多因素影响，差分线
在长度上并没有严格匹配，将导致差分阻抗不一致，还会引入共模信号降低信号
质量，进而影响到信号完整性。所以，若无法避免差分信号长度不匹配的情况下，
要考虑到补偿较短的线，使其匹配。
(5)为了减少串扰，在空间允许的情况下，其他信号网络及地线离差分线的
间距至少20mi1,覆地与差分线的距离过近将对差分线的阻抗产生影响[[21] o

2万 · 2019-7-8 12:41

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STM32数据采集卡上电后，先启动初始化过程，包括时钟初始化、GPIO初
始化、ADC初始化、PWM初始化、USB通信初始化等。气缸活塞可能因为人
为或突然断电等意外处于伸展状态，所以系统上电后在没有接受到指令的情况下
将各气缸复位。然后等待上位机的指令或者外部测量按键的触发。当接收到测量
命令后，STM32控制硬件进入测量过程。在测量过程中，各个执行部件遵循严
格的顺序，运动环节的错位，不仅影响到测量结果，还可能损坏设备和仪器，造
成损失。图4.2标示了各气缸测量时的运动方向，气缸1推动电机使得齿轮与待
测工件啮合，气缸2推动薄型气缸3和传感器至预定位置后，薄型气缸3向下将
传感器置于带轮环形面上;AD采样程序启动，STM32驱动电机以预先设定的频
率转动，待测量完毕后，各气缸复位。
由3.4小节可知，控制F=0，则电磁阀顺向导通，相应气缸按照图4.2示箭
头方向运动;F=1则电磁阀逆向导通，气缸恢复原来位置。以PPF1, PPF2, PPF3
作为各气缸的控制端，PPF4为总阀控制。PPF4为0时总阀导通，给后面的气缸
提供气体动力。

2万 · 2019-7-8 12:42

2万 · 2019-7-8 12:43

PWM控制着电机转动的速度和圈数，由3.6.3小节可知PWM频率的计算方
法。STM32具备多种输出PWM的方式，与定时器相连的引脚都可以输出PWM
脉冲，普通IO口也可以用定时的方式输出PWMo
方案1:定时器定时翻转IO口电平获取PWM的输出。
STM32最多可有8个定时器，其高级定时器和通用定时器都可以用作基本
定时任务，定时时间到后翻转IO，获取一个方波。
该方法的优点是简单，易于实现，可以控制PWM输出的具体脉冲数;缺点
是若PWM频率过高，会频繁进入定时器中断，影响其它任务的执行。
方案2:定时器PWM模式下获取脉冲的输出。
STM32的定时器中，除TIMER6和TIMER?基本定时器外，都可以用来产
生脉冲输出。其中，通用定时器可同时产生4路脉冲输出，而高级定时器更是可
以产生多达7路的脉冲输出。而本系统中仅需求一路脉冲数可控的PWM输出。
该方法的优点是利用硬件产生脉冲宽度可调的，频率可调的PWM输出，缺
点是无法控制脉冲的具体输出个数。
方案3:定时器同步的方式获取PWM的输出。
STM32中所有的定时器都有在内部相连，可用来定时器同步或链接。配置
一个定时器为主模式，它可以对配置为从模式的定时器的计数器进行提供时钟、
启动或复位等操作。图4.4显示了触发选择和主模式选择模块的情形，图中配置
定时器1作为定时器2的预分频器。