電壓/數(shù)字IO接口模塊設(shè)計(jì) - 基于STM32的傳感器接口模塊的設(shè)計(jì)

　　電壓接口模塊與數(shù)字開關(guān)量接口模塊基本沿用電流接口模塊的設(shè)計(jì)。不同之處在于模擬輸入部分無需經(jīng)過電流一電壓轉(zhuǎn)換，直接經(jīng)運(yùn)放輸入ADC。數(shù)字量接口直接由MCU的IO端口引出。傳感器輸出的電壓直接輸入同向放大電路至AD轉(zhuǎn)換所需要的電平。此處運(yùn)放就相當(dāng)于一個電壓跟隨器，顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，可以提高驅(qū)動能力。

?

　　2.3 接口模塊硬件實(shí)現(xiàn)

　　整個板子盡量使用緊湊布局。電源以及傳感器接口布置于左側(cè)，使用螺絲接線端子引出。串口以及以太網(wǎng)口布局在右側(cè)。整個模擬與數(shù)字部分基本分開而設(shè)，有效避免干擾。布局基本沒什么變化，左邊螺絲接線端子往外移了一些，主要是考慮到外殼封裝上后螺絲端子可能不夠外露的問題。

?

　　3 基于STM32的標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊固件設(shè)計(jì)

　　標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的固件程序包括主程序、配置程序、ADC數(shù)據(jù)采樣程序、EEPROM讀寫程序、以太網(wǎng)網(wǎng)口驅(qū)動程序、UDP協(xié)議棧的嵌入。

　　接口模塊中共用到三種通信總線。ADC以及以太網(wǎng)控制器與MCU間為SPI總線，EEPROM與MCU間為IIC總線，另外接口模塊提供UART串口對外通信。以外網(wǎng)嵌入UDP協(xié)議。

　　3.1 AD數(shù)據(jù)采樣

　　AD數(shù)據(jù)采樣是整個系統(tǒng)接口模塊固件設(shè)計(jì)的核心工作，也是實(shí)現(xiàn)傳感器信息獲取的關(guān)鍵所在。該模塊負(fù)責(zé)將采集到的傳感器信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

　　AD數(shù)據(jù)采樣主要完成如下的幾個功能：

　　(1)初始化。該工作主要完成對一些物理器件的引腳功能、工作模式等進(jìn)行預(yù)定義;

　　(2)AD轉(zhuǎn)換。通過軟件啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換;

　　(3)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。實(shí)時采集轉(zhuǎn)換后的信息，同時發(fā)送相應(yīng)的控制命令，以切換采集通道。

　　在數(shù)據(jù)采集過程中，我們可能需要切換不同通道，從而實(shí)現(xiàn)對多個傳感器信息的獲取。實(shí)際設(shè)計(jì)中，控制器會在采集本次通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的同時，發(fā)送下次采集通道的編號。詳細(xì)操作步驟如下：

　　(1)需采集的通道地址(Ch)通過SPI接口寫入ADS8344的相應(yīng)寄存器，應(yīng)用設(shè)定的波特率來設(shè)置接口傳輸速度;

　　(2)通過MCU設(shè)置GPIOB12(作為AD的CS信號)為低來啟動ADS8344進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸方式為SPI發(fā)送模式;

　　(3)當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，設(shè)置GPIOB12為高電平，ADS8344結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)入空閑模式并等待MCU的指令。此外，固件代碼中設(shè)置了對ADC進(jìn)行軟標(biāo)定的程序。這樣可以通過精密信號源對ADC進(jìn)行標(biāo)定，提高采樣精讀。標(biāo)定信息存儲于EEPROM中。功能實(shí)現(xiàn)代碼如下：

?

　　3.2 以太網(wǎng)口驅(qū)動

　　同樣需要先進(jìn)行SPI接口和GPIO端口初始化，與之前ADC類似，只不過這里用SPI1口。GPIO初始化也不再多說。以太網(wǎng)驅(qū)動部分主要是數(shù)據(jù)包的發(fā)送/接收，緩沖區(qū)的讀寫，物理層的寫等函數(shù)。SPI口的發(fā)送/接收函數(shù)如下：

?

　　3.3 控制指令

　　串口指令格式

　　[起始標(biāo)志][指令][指令參數(shù)1]<指令參數(shù)2>…[結(jié)束標(biāo)志]

　　指令示意：

　　00 01 01 FF讀取通道1的電流值

　　00 04 C0 A8 89 03 FF設(shè)置IP地址為192(0xC0).168(0xA8).137(0x89).3(0x03)

　　00 05 2E E0 FF設(shè)置UDP端口為12000(0x2EE0)00 07 10 11 11 10 14 19 FF往EEPROM的地址0x0110寫入數(shù)據(jù)0x49

　　00 09 19 18 FF將數(shù)字IO1設(shè)為輸出，高電平，IO2/3輸入，IO4輸出，低電平以太網(wǎng)支持串口的指令0x01-0x03及0x07-0x0a，其參數(shù)、功能和返回值與串口一致。不支持用以太網(wǎng)口配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

　　4 結(jié)果與總結(jié)

　　4.1 調(diào)試結(jié)果

　　在串口助手環(huán)境下調(diào)試。以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置：

　　發(fā)送指令00 04 C0 A8 89 03 FF設(shè)置接口模塊IP地址為192(0xC0).168(0xA8).137(0x89).3(0x03)

　　發(fā)送指令00 05 55 66 FF設(shè)置接口模塊UDP端口為21862(0x5566)

　　發(fā)送指令00 06A1 B2 C3 D4 E5 06 FF設(shè)置接口模塊MAC地址

?

　　Ping接口模塊：cmd ping 192.168.137.3(串口已經(jīng)設(shè)置好ip和端口號)

?

　　以太網(wǎng)采樣和讀寫EEPROM：發(fā)送類似同樣指令完成采樣以及讀寫操作

?

　　4.2 總結(jié)

　　本文以傳感器的輸出信號類型為分類依據(jù)，基于該信號接口分類給出了基于STM32的傳感器接口模塊的硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電流型、電壓型以及數(shù)字IO型模塊，給出了相應(yīng)的硬件選型以及電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);進(jìn)行了接口模塊的軟件設(shè)計(jì)，說明了詳細(xì)的固件代碼設(shè)計(jì)。除傳統(tǒng)串口外，提供以太網(wǎng)接口，嵌入UDP協(xié)議，提供后期開發(fā)的便利。