基于Cortex-M4医疗设备多通道模拟量采集器的设计

时间:2019-07-01来源:电子产品世界

  张照伟,张振守

  (济南正平自动化设备有限公司,山东 济南 250101)

  摘要:设计一种基于Cortex-M4微控制器的多通道模拟量采集器。主要阐述了模拟量采集器的前端设计、多通道方案、硬件滤波和数据变换处理。现场运行表明,该采集器稳定性好、采集速率快、采集精度高。特别适用于医疗设备的温度和压力采集。

  关键词:Cortex-M4;多通道模拟量;SDADC;成本低

  0 引言

  本文介绍的多通道模拟量采集器是采用Cortex-M4处理器内核STM32F372微控制器,支持DSP指令,内置浮点单元 (FPU),运行频率高达72 MHz。该芯片内部的SDADC是高性能、低功耗的模块,该模块具有16位的采样精度,50 ksps采样速率,内部集成7级运算放大器。利用SDADC进行模拟量的采样和放大。无论精度还是采集速度都能得到提升。具体设计如图1所示。

  从设计框图可以看出,本设计具有两个特点:

  (1)与以往MCU+ADC的模拟量方案相比,本方案只使用一颗STM32F372芯片,利用内部集成SDADC外设,可以节省成本,减小PCB的空间。

  (2)与以往使用多通道ADC芯片相比,使用多通道模拟开关,具有通道之间干扰更小,隔离效果更好,而且成本低等优点。

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  1 硬件设计

  1.1 STM32F372的电源&参考源设计

  STM32系列芯片的电源引脚只需配置100 nF+10uF的去耦电容即可。但是SDADC模块拥有独立的电源和参考源引脚。为了具有高精度,所以需要使用高精度基准源作为参考,这里采用TI生产的温漂50 ppm的2.5V电压基准源芯片REF3025 。电路的模拟地和数字地隔离设计。设计原理图请参看图2。

  1.2 模拟量采集的前端设计

  本文设计的模拟量前端是惠斯登电桥的PT100测量电路,当然模拟前端也可设计成测量0mA~20 mA的信号。此采集系统可以测量电压和电流信号,需要根据实际的应用来设计采集器前端电路。这里介绍电桥式、通道之间隔离的三线制PT100测量前端。原理图如图3。

  为了避免通道之间的干扰,电桥的参考电压每个通道都采用了DC-DC的隔离电源模块UA2。RA3/RA4/RB2的阻值选择要根据温度的测量范围、SDADC的增益和选用的热敏电阻三者决定。图3中的阻值配置,使用增益G=8倍,PT100热敏电阻。这样选型测量的温度范围是0 ℃~350 ℃。具体公式推导,可以查看惠斯登电桥的设计。这里不再推导。

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  1.3 多通道扩展新方式

  以往的多通道模拟量测量是采用多通道ADC芯片或多个单通道ADC芯片。显然多通道的ADC和多个ADC芯片,成本必然增加。本设计采用单通道高速ADC+模拟开关的方式。其实多通道的ADC内部 也 是 一 个 A D C内核+一个多通道模拟开关。但是本设计方案要比多通道ADC有价格优势。而且隔离效果更好。模拟开关的性能可以根据隔离需求选择。模拟前端的差分信号A1+/A1-经过模拟开关的选择进入模拟信号的滤波网络,滤除共模干扰。经过滤波的差分信号,再进入STM32F372的SDADC模块引脚。内部的16位 Sigma-Delta 模数转换器进行对差分信号的转换。具体电路设计参见图4:

  1.4 采集器和主控器的通信方式

  模拟量采集器可以通过IIC、RS232、RS485、CAN等通信方式和主控器通信。而STM32F372芯片内部集成了这些外设,可以在不增加硬件成本的情况,自由选择通信方式,大大方便了用户。本设计使用IIC通信,快速稳定,且可以轻松扩展模块。

  2 软件设计

  软件处理流程图,如图5。模拟量采集器的程序控制、数据变换处理,是以PT100温度的采集为例。由于现场的干扰,采集的数据也会有误差。滤除干扰数据的办法除了硬件滤波网络,还有软件滤波。软件滤波采用去除最大最小,然后取平均值的方式。经过多次平均的数据,再去查找PT100的分段线性化的数据表,计算得到实际的温度值。精度可以达到0.1℃。

  3 小结

  本方案设计的多通道模拟量采集器,使用了新型的具有模拟外设的32位数字信号控制器STM32F372。高度整合多种外设到一个芯片上,大大降低成本,减小体积。使用了新颖的方案来扩展多通道模拟量。经过实际的应用测量,具有精度高,温漂小、采样速度快、成本低等优点。完全适用于医疗设备的温度、压力、电流、水质等方面的测量。

  参考文献:

  [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] 喻金钱 喻斌 STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用 清华大学出版社,2011

  [4] 刘军 例说STM32 北京:北京航空航天大学出版社 2011

  [5] 廖义奎 STM32F207高性能网络型MCU嵌入式系统设计 北京航空航天大学出版社 2012

  作者简介:

  张照伟,(1938-),电子工程师, 主要研究方向:从事医疗设备电子控制技术的研究和开发。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第48页,欢迎您写论文时引用,并注明出处

关键词: 201907 Cortex-M4 多通道模拟量 SDADC 成本低

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