基于STM32数据采集器的设计
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2021-01-19
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基于基于STM32数据采集器的设计数据采集器的设计
数据采集技术在工业、航天、军事等方面具有很强的实用性，随着现代科技发展，数据采集技术在众多领域得
到了广泛的应用和发展。同时对数据采集器的精度、抗干扰能力、安全和通信兼容等方面提出了更高的要求。
基于上述要求提出了一种基于STM32F101 的数据采集器的设计方案，该数据采集器使用MODBUS 协议作为
RS485 通信标准规约，信号调理电路与STM32F101 的AD 采样通道之间均采用硬件隔离保护，可同时采样3 路
DC0-5V 电压信号、3 路DC4-20mA 电流信号和6 路开关量输入信号，实验证明本数据采集器具有较高的测量精
度，符合工业现场应用需求。 信号采集主要包括电压信号、电流信号
数据采集技术在工业、航天、军事等方面具有很强的实用性，随着现代科技发展，数据采集技术在众多领域得到了广泛的
应用和发展。同时对数据采集器的精度、抗干扰能力、安全和通信兼容等方面提出了更高的要求。基于上述要求提出了一种基
于STM32F101 的数据采集器的设计方案，该数据采集器使用MODBUS 协议作为RS485 通信标准规约，信号调理电路与
STM32F101 的AD 采样通道之间均采用硬件隔离保护，可同时采样3 路DC0-5V 电压信号、3 路DC4-20mA 电流信号和6 路开
关量输入信号，实验证明本数据采集器具有较高的测量精度，符合工业现场应用需求。
信号采集主要包括电压信号、电流信号、频率信号以及开关量信号，随着现代技术的发展，传感器主要输出标准的电压电
流信号，而传感器是将外部的非电量信号转换成标准的电信号进行输出，本课题所设计的数据采集器可以同时采集电压、电
流、开关量输入输出信号，且每个部分独立工作，硬件调理电路中均采用信号隔离技术，数据采集器与上位机采用RS485通
信，使用MODBUS协议作为通信规约，便于数据采集器与其他工业设备实现数据共享。
课题设计的基于STM32的数据采集器，使用性价比较高的STM32F101 作为处理器，时钟倍频后处理速度可达36MHz ;内
部自带12 位AD 转换通道，保证数据采样和处理的速度和精度。
1。。 数据采集器工作原理数据采集器工作原理
数据采集器具有标准的电压、电流以及开关量输入信号采样接口。模拟量信号采样接口电路，使用HCNR201线性光耦进
行信号隔离。电压信号接口可输入DC0-5V 信号，输入的电压信号经过电压信号调理电路对信号进行滤波、隔离和限幅后送入
STM32F101 的AD 采样通道；电流信号接口可输入4-20mA 信号，输入的电流信号通过精密采样电阻，将电流信号转换成电
压信号，然后再将转换的电压信号送入电压信号调理电路进行处理，再送入AD 采样通道；开关量输入接口采用光耦进行隔
离，实现光电转换和隔离保护。STM32F101 将采样的数据进行软件处理后，再通过RS485 通信接口将数据上传至上位机或
者其他设备，完成数据采集处理和通信的功能。
2. 数据采集器硬件设计数据采集器硬件设计
数据采集器硬件结构包括STM32 系统、电源、开关量输入接口电路、电压信号采样接口电路、电流信号采样接口电路和
RS485 通信接口电路，数据采集器结构图如图1 所示。
2.1 STM32F101 系统
STM32F101 系统包括晶振电路、复位电路和SW 程序调试接口电路，晶振电路主要为系统工作提供所需要的时钟，通过
初始化配置STM32F101 内部的时钟寄存器，可将外部时钟频率倍频到36MHz ;复位电路主要用于防止数据采集器程序跑飞或
者死机时手动复位，同时在程序内部加入看门狗复位，程序在正常运行时正常喂狗，而当程序跑飞时数据采集器也可自动完成
复位，使程序重新执行；SW 程序调接口电路，主要用于开发人员对STM32F101 进行编程和在线仿真调试，完成数据采集器
的软件设计。由于STM32F101 性价比较高，片内集成资源丰富，在设计数据采集器时可大大简化外部硬件电路设计。
2.2 电源电路
本课题所设计的数据采集器可工作于DC12V,输入的DC12V 经过LM7805CT转换为+5V 电压，并通过电感L15 实现输入
DC12V 电源GND 与+5V 电源DGND的隔离，DC12V 转DC+5V 电源转换电路如图2 所示。由于STM32F101 工作电压为3.3V,
因此还需通过电源模块LT1117-3.3转为DC+3.3V,供给CPU 使用。DC+5V转DC3.3V 电源转换电路如图3 所示。
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