电压/数字IO接口模块设计 - 基于STM32的传感器接口模块的设计

　　电压接口模块与数字开关量接口模块基本沿用电流接口模块的设计。不同之处在于模拟输入部分无需经过电流一电压转换，直接经运放输入ADC。数字量接口直接由MCU的IO端口引出。传感器输出的电压直接输入同向放大电路至AD转换所需要的电平。此处运放就相当于一个电压跟随器，显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，可以提高驱动能力。

　　2.3 接口模块硬件实现

　　整个板子尽量使用紧凑布局。电源以及传感器接口布置于左侧，使用螺丝接线端子引出。串口以及以太网口布局在右侧。整个模拟与数字部分基本分开而设，有效避免干扰。布局基本没什么变化，左边螺丝接线端子往外移了一些，主要是考虑到外壳封装上后螺丝端子可能不够外露的问题。

　　3 基于STM32的标准化接口模块固件设计

　　标准化接口模块的固件程序包括主程序、配置程序、ADC数据采样程序、EEPROM读写程序、以太网网口驱动程序、UDP协议栈的嵌入。

　　接口模块中共用到三种通信总线。ADC以及以太网控制器与MCU间为SPI总线，EEPROM与MCU间为IIC总线，另外接口模块提供UART串口对外通信。以外网嵌入UDP协议。

　　3.1 AD数据采样

　　AD数据采样是整个系统接口模块固件设计的核心工作，也是实现传感器信息获取的关键所在。该模块负责将采集到的传感器信息转化为数字信号。

　　AD数据采样主要完成如下的几个功能：

　　(1)初始化。该工作主要完成对一些物理器件的引脚功能、工作模式等进行预定义;

　　(2)AD转换。通过软件启动模数转换芯片，完成模拟信号到数字信号的转换;

　　(3)数据接收和发送。实时采集转换后的信息，同时发送相应的控制命令，以切换采集通道。

　　在数据采集过程中，我们可能需要切换不同通道，从而实现对多个传感器信息的获取。实际设计中，控制器会在采集本次通道转换结果的同时，发送下次采集通道的编号。详细操作步骤如下：

　　(1)需采集的通道地址(Ch)通过SPI接口写入ADS8344的相应寄存器，应用设定的波特率来设置接口传输速度;

　　(2)通过MCU设置GPIOB12(作为AD的CS信号)为低来启动ADS8344进行数据采样和转换，数据传输方式为SPI发送模式;

　　(3)当数据发送完毕后，设置GPIOB12为高电平，ADS8344结束数据传输，进入空闲模式并等待MCU的指令。此外，固件代码中设置了对ADC进行软标定的程序。这样可以通过精密信号源对ADC进行标定，提高采样精读。标定信息存储于EEPROM中。功能实现代码如下：

　　3.2 以太网口驱动

　　同样需要先进行SPI接口和GPIO端口初始化，与之前ADC类似，只不过这里用SPI1口。GPIO初始化也不再多说。以太网驱动部分主要是数据包的发送/接收，缓冲区的读写，物理层的写等函数。SPI口的发送/接收函数如下：

　　3.3 控制指令

　　串口指令格式

　　[起始标志][指令][指令参数1]<指令参数2>…[结束标志]

　　指令示意：

　　00 01 01 FF读取通道1的电流值

　　00 04 C0 A8 89 03 FF设置IP地址为192(0xC0).168(0xA8).137(0x89).3(0x03)

　　00 05 2E E0 FF设置UDP端口为12000(0x2EE0)00 07 10 11 11 10 14 19 FF往EEPROM的地址0x0110写入数据0x49

　　00 09 19 18 FF将数字IO1设为输出，高电平，IO2/3输入，IO4输出，低电平以太网支持串口的指令0x01-0x03及0x07-0x0a，其参数、功能和返回值与串口一致。不支持用以太网口配置网络参数。

　　4 结果与总结

　　4.1 调试结果

　　在串口助手环境下调试。以太网参数设置：

　　发送指令00 04 C0 A8 89 03 FF设置接口模块IP地址为192(0xC0).168(0xA8).137(0x89).3(0x03)

　　发送指令00 05 55 66 FF设置接口模块UDP端口为21862(0x5566)

　　发送指令00 06A1 B2 C3 D4 E5 06 FF设置接口模块MAC地址

　　Ping接口模块：cmd ping 192.168.137.3(串口已经设置好ip和端口号)

　　以太网采样和读写EEPROM：发送类似同样指令完成采样以及读写操作

　　4.2 总结

　　本文以传感器的输出信号类型为分类依据，基于该信号接口分类给出了基于STM32的传感器接口模块的硬件设计，并实际设计实现了电流型、电压型以及数字IO型模块，给出了相应的硬件选型以及电路设计与实现;进行了接口模块的软件设计，说明了详细的固件代码设计。除传统串口外，提供以太网接口，嵌入UDP协议，提供后期开发的便利。