基于Cortex-M4医疗设备多通道模拟量采集器的设计

　　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。

　　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。

　　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