小壓力測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)研究

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摘要：研究了基于STM32嵌入式微控制器的小壓力測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法，提出了測(cè)量過(guò)程中的重點(diǎn)部分信號(hào)處理的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了相關(guān)測(cè)試方案。為電子產(chǎn)品輸入設(shè)備的壓力檢測(cè)提供有效的手段。

關(guān)鍵詞：小壓力；數(shù)據(jù)采集；芯片

壓力是工業(yè)控制過(guò)程中經(jīng)常需要采集的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，傳統(tǒng)工業(yè)因?yàn)椴杉膲毫?shù)值較大，一般以氣體壓力測(cè)量控制系則應(yīng)用為主。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著電子設(shè)備的普及，鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等輸入設(shè)備均以1kg以下的小壓力作為采集數(shù)據(jù)［1］。特別是智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，壓力觸控技術(shù)的誕生，壓力數(shù)據(jù)已經(jīng)成為人機(jī)交互過(guò)程中極為重要的信息。這就對(duì)小壓力數(shù)值的測(cè)量，從精度、時(shí)間等方面提出了更高的要求。壓力傳感器采集到的模擬信號(hào)需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，理想情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比隨著輸入信號(hào)幅值的增加而增加，但是在實(shí)際電路中因?yàn)榉e分器過(guò)載的問(wèn)題，輸入信號(hào)的幅值過(guò)大會(huì)造成信噪比下降［2］，影響到采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以需對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾及放大處理。本文介紹了小壓力測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)方法，以基于STM32嵌入式微控制器為控制核心，搭配外圍電路組建而成。

1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量處理和MCU等模塊組成。其中壓力傳感器檢測(cè)實(shí)際小壓力信號(hào)；數(shù)據(jù)采集模塊將壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)濾波和放大處理生成有效的模擬信號(hào)，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊由FPGA組成，將采集模塊傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法處理，生成壓力測(cè)量數(shù)值；MCU系統(tǒng)對(duì)得到的壓力值進(jìn)行校驗(yàn)和傳輸，并通過(guò)數(shù)字電阻調(diào)節(jié)數(shù)字采集電路來(lái)控制測(cè)量范圍和精度。如圖1所示。

2重點(diǎn)部分設(shè)計(jì)

信號(hào)采集：主要功能通過(guò)前段電路將壓力傳感器測(cè)到的壓力信號(hào)濾波、整形、放大等一系列處理，最終變成數(shù)字信號(hào)經(jīng)FPGA芯片（A3P250－1VQ100I）后進(jìn)行數(shù)字化處理后，再發(fā)送給MCU。本電路模塊將弱聲電信號(hào)經(jīng)過(guò)窄帶網(wǎng)絡(luò)匹配、二級(jí)電壓放大、低通濾波、過(guò)零檢測(cè)之后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平信號(hào)，送FPGA測(cè)量數(shù)值。如圖2所示。窄帶匹配電路對(duì)探頭傳來(lái)的聲波信號(hào)進(jìn)行去雜匹配，將采集的信號(hào)頻率范圍縮小。電壓發(fā)大電路將經(jīng)過(guò)匹配后的信號(hào)的壓值進(jìn)行二級(jí)發(fā)大，約500倍。如圖3所示。低通濾波器電路對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波，去除其帶有的高頻干擾。將信號(hào)處理完成后送A／D轉(zhuǎn)換器，生成電平數(shù)字信號(hào)，送與FPGA芯片（采用A3P20）計(jì)算數(shù)值。MCU電路：該部分是整個(gè)電路板的核心控制部分，主要由STM32單片機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)處理FPGA捕獲的壓力數(shù)據(jù)、通過(guò)模數(shù)端口測(cè)量外部電路板的供電量和比較電壓（測(cè)量精度）的壓值，并將這些狀態(tài)值通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。STM32系列控制器是以ARMCortex－M3為內(nèi)核的高性能和低成本的控制器，控制器采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)微控制器擁有高內(nèi)存，較高的時(shí)鐘頻率使得計(jì)算處理速度快［3］。

3測(cè)試方案設(shè)計(jì)

搭建測(cè)試電路平臺(tái)，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列完成外圍測(cè)試電路的搭建，通過(guò)示波器給電路板傳感器信號(hào)輸入端發(fā)送測(cè)試信號(hào)。電路板檢測(cè)接收和處理電路后的數(shù)據(jù)信號(hào)是否正確，并通過(guò)FPGA換算后將最終測(cè)量數(shù)值發(fā)送給MCU，MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將顯示值發(fā)給上位機(jī)測(cè)量軟件進(jìn)行精度比對(duì)。

4結(jié)束語(yǔ)

目前小壓力測(cè)量需求在現(xiàn)實(shí)工業(yè)設(shè)計(jì)中的需求越來(lái)越重要，與人工智能化的拓展息息相關(guān)。本文提供了基于STM32微控制器系統(tǒng)的測(cè)量電路，完成了對(duì)1kg以下小壓力測(cè)量信號(hào)檢測(cè)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)小壓力測(cè)量方法具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］馬聰．基于STM32微控制器的精密壓力控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］．蘇州：蘇州大學(xué)，2016

［2］郭紅．微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)模擬前端設(shè)計(jì)［D］．北京：北方工業(yè)大學(xué)，2019

［3］蔡飛航．基于STM32的可定位智能輪椅控制器設(shè)計(jì)［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2017

作者：束鵬程 單位：南京模擬技術(shù)研究所