基於Cortex-M4醫療設備多通道模擬量採集器的設計
2020-11-23 電子產品世界張照偉，張振守
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201907/402137.htm（濟南正平自動化設備有限公司，山東 濟南 250101）
摘要：設計一種基於Cortex-M4微控制器的多通道模擬量採集器。主要闡述了模擬量採集器的前端設計、多通道方案、硬體濾波和數據變換處理。現場運行表明，該採集器穩定性好、採集速率快、採集精度高。特別適用於醫療設備的溫度和壓力採集。
關鍵詞：Cortex-M4；多通道模擬量；SDADC；成本低
0 引言
本文介紹的多通道模擬量採集器是採用Cortex-M4處理器內核STM32F372微控制器，支持DSP指令，內置浮點單元 (FPU)，運行頻率高達72 MHz。該晶片內部的SDADC是高性能、低功耗的模塊，該模塊具有16位的採樣精度，50 ksps採樣速率，內部集成7級運算放大器。利用SDADC進行模擬量的採樣和放大。無論精度還是採集速度都能得到提升。具體設計如圖1所示。
從設計框圖可以看出，本設計具有兩個特點：
（1）與以往MCU+ADC的模擬量方案相比，本方案只使用一顆STM32F372晶片，利用內部集成SDADC外設，可以節省成本，減小PCB的空間。
（2）與以往使用多通道ADC晶片相比，使用多通道模擬開關，具有通道之間幹擾更小，隔離效果更好，而且成本低等優點。
1 硬體設計
1.1 STM32F372的電源&參考源設計
STM32系列晶片的電源引腳只需配置100 nF+10uF的去耦電容即可。但是SDADC模塊擁有獨立的電源和參考源引腳。為了具有高精度，所以需要使用高精度基準源作為參考，這裡採用TI生產的溫漂50 ppm的2.5V電壓基準源晶片REF3025 。電路的模擬地和數字地隔離設計。設計原理圖請參看圖2。
1.2 模擬量採集的前端設計
本文設計的模擬量前端是惠斯登電橋的PT100測量電路，當然模擬前端也可設計成測量0mA~20 mA的信號。此採集系統可以測量電壓和電流信號，需要根據實際的應用來設計採集器前端電路。這裡介紹電橋式、通道之間隔離的三線制PT100測量前端。原理圖如圖3。
為了避免通道之間的幹擾，電橋的參考電壓每個通道都採用了DC-DC的隔離電源模塊UA2。RA3/RA4/RB2的阻值選擇要根據溫度的測量範圍、SDADC的增益和選用的熱敏電阻三者決定。圖3中的阻值配置，使用增益G=8倍，PT100熱敏電阻。這樣選型測量的溫度範圍是0 ℃~350 ℃。具體公式推導，可以查看惠斯登電橋的設計。這裡不再推導。
1.3 多通道擴展新方式
以往的多通道模擬量測量是採用多通道ADC晶片或多個單通道ADC晶片。顯然多通道的ADC和多個ADC晶片，成本必然增加。本設計採用單通道高速ADC+模擬開關的方式。其實多通道的ADC內部 也 是 一 個 A D C內核+一個多通道模擬開關。但是本設計方案要比多通道ADC有價格優勢。而且隔離效果更好。模擬開關的性能可以根據隔離需求選擇。模擬前端的差分信號A1+/A1-經過模擬開關的選擇進入模擬信號的濾波網絡，濾除共模幹擾。經過濾波的差分信號，再進入STM32F372的SDADC模塊引腳。內部的16位 Sigma-Delta 模數轉換器進行對差分信號的轉換。具體電路設計參見圖4:
1.4 採集器和主控器的通信方式
模擬量採集器可以通過IIC、RS232、RS485、CAN等通信方式和主控器通信。而STM32F372晶片內部集成了這些外設，可以在不增加硬體成本的情況，自由選擇通信方式，大大方便了用戶。本設計使用IIC通信，快速穩定，且可以輕鬆擴展模塊。
2 軟體設計
軟體處理流程圖，如圖5。模擬量採集器的程序控制、數據變換處理，是以PT100溫度的採集為例。由於現場的幹擾，採集的數據也會有誤差。濾除幹擾數據的辦法除了硬體濾波網絡，還有軟體濾波。軟體濾波採用去除最大最小，然後取平均值的方式。經過多次平均的數據，再去查找PT100的分段線性化的數據表，計算得到實際的溫度值。精度可以達到0.1℃。
3 小結
本方案設計的多通道模擬量採集器，使用了新型的具有模擬外設的32位數位訊號控制器STM32F372。高度整合多種外設到一個晶片上，大大降低成本，減小體積。使用了新穎的方案來擴展多通道模擬量。經過實際的應用測量，具有精度高，溫漂小、採樣速度快、成本低等優點。完全適用於醫療設備的溫度、壓力、電流、水質等方面的測量。
參考文獻：
[1] RM0313 Reference manual STM32F37xx advanced ARM-based 32-bit MCUs
[2] STM32F372XX ARM Cortex-M4F 32b MCU+FPU, up to 256KB Flash+32KB SRAM timers,4 ADCs (12/16-bit), 3 DACs, 2 comp., 2.0-3.6 V operation
[3] 喻金錢 喻斌 STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用 清華大學出版社，2011
[4] 劉軍 例說STM32 北京：北京航空航天大學出版社 2011
[5] 廖義奎 STM32F207高性能網絡型MCU嵌入式系統設計 北京航空航天大學出版社 2012
作者簡介：
張照偉，（1938-），電子工程師， 主要研究方向：從事醫療設備電子控制技術的研究和開發。
本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第7期第48頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處
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