【正文】 易程度和成本之后，本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6， STM32 系列是專為高性能、低成本和低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 ARM CotexM3 內(nèi)核。 STM32 片上擁有 ADC、 DAC、 TIM、 FSMC、USART、 DMA、 USB、以太網(wǎng)等眾多資源，而且自帶底層庫函數(shù)，極大地縮短了開發(fā)周期。 STM32 最小系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)主要利用 STM32 的 GPIO、 USART、輸入捕獲和定時(shí)器功能，因此考慮功能和成本選用 QFP64 封裝的 STM32F103RCT6。 STM32F103RCT6 內(nèi)部具有 256K FLASH 和 48K RAM，并且具有豐富的片上資 源，包括 IIC、 SPI、UART、 SDIO 和三路 ADC。 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括主控 MCU、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和程序下載仿真接口，該部分設(shè)計(jì)如圖 3 所示。 STM32F103RCT6 采用 供電，為了去除電源噪聲干擾，在每個(gè)電源引腳接了去耦電容，并且將模擬地和數(shù)字地分開，在單點(diǎn)處用 0 歐電阻或電感連接。 STM32 有多個(gè)時(shí)鐘可以選擇， HIS 振蕩器時(shí)鐘、HSE振蕩器時(shí)鐘和 PLL 時(shí)鐘可以用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘， LSI 振蕩器和 LSE外部低速時(shí)鐘可以用來驅(qū)動(dòng)看門狗或 RTC。由于沒有使用 RTC 功能，本設(shè)計(jì)只接了8M 外部高速時(shí)鐘， 并聯(lián) 20pf的電容幫助起振。 圖 3 STM32 主控電路圖 淮南師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文 5 STM32 的 RST引腳是低電平復(fù)位，該部分由電容、電阻和按鍵構(gòu)成上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路。如圖 3 所示。 電源部分 本系統(tǒng)需要 5V兩種電壓供電。 5V用來給單電源運(yùn)放、電壓比較器LM393 供電，以及 LCD12864 液晶的背光供電。為了達(dá)到低功耗， STM32 采用低電壓 供電。所以 用來給單片機(jī)供電和 LED 供電。為了獲得 電壓，需要對(duì)輸入的 5V 直流電進(jìn)行穩(wěn)壓，這里采用 芯片。穩(wěn)壓電路如圖 4 所示。 LM1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器，具有較寬的電壓輸入和800mA 的電流輸出。另外，為了直觀顯示 電壓狀態(tài)，本設(shè)計(jì)在輸出端加了發(fā)光二極管指示燈，當(dāng)有 ，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 圖 4 電源穩(wěn)壓電路 下載仿真電路 STM32 可以用串口下載，可以用 JTAG 和 SWD 方式進(jìn)行仿真調(diào)試。 JTAG是國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議， 主要用于 芯片 內(nèi)部測試。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線：TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、 數(shù)據(jù)輸入 和 數(shù)據(jù)輸出 線。許多器件都用它來仿真調(diào)試， STM32 當(dāng)然也不例外。但是考慮到引腳使用和下載速度問題，本設(shè)計(jì)采用 SWD 模式。 SWD 模式在高速模式下比 JTAG 更可靠，基本使用 JTAG仿真 模式的情況下都可以直接使用 SWD模式的。當(dāng)電路板子空間有限或者單片機(jī)引腳欠缺的情況下， SWD 是最好的選擇，這里只使用到SWDATA 和 SWCLK 兩個(gè) IO 端口，加上電源和地即可進(jìn)行下載和仿真。設(shè)計(jì)電路如圖 5 所示。 二次儀表頻率計(jì)設(shè)計(jì) 6 圖 5 SWD 下載仿真電路 信號(hào)輸入電路 為了獲得單片機(jī)能夠識(shí)別的脈沖信號(hào)，必須對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波整形。本設(shè)計(jì)在信號(hào)輸入端加入高通濾波電路和信號(hào)整形電路。 高通濾波電路 濾波電路選用二階有源高通濾波器。有源濾波電路相對(duì)于無源濾波電路，具有較高的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗、較低的輸 出阻抗和很好的自適應(yīng)能力。 二階濾波器相對(duì)于一階濾波器而言，具有更好的濾波效果。為了獲得單片機(jī)能夠識(shí)別的脈沖信號(hào)，必須對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波整形。本設(shè)計(jì)在信號(hào)輸入端加入高通濾波電路和信號(hào)整形電路。本設(shè)計(jì)的二階有源高通濾波器能濾除低于200Hz的低頻干擾，濾除諸如 50Hz的工頻等干擾頻率。濾波電路如圖 6 所示。運(yùn)算放大器選用 LM358 芯片。 LM358 可雙電源也可單電源供電，具有寬電壓、高增益、低功耗和內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 6 高通濾波電路 淮南師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 信號(hào)波形整形 高通濾波電路輸出的是頻率信 號(hào)的正電壓部分，為了獲得單片機(jī)能夠是別的脈沖信號(hào)就必須對(duì)其整形。整形電路可以選用施密特觸發(fā)器或者比較器，當(dāng)電壓高于某一閾值事輸出高電壓，低于某一閾值時(shí)輸出低電壓，從而將頻率信號(hào)整形為脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用 LM393 比較器，通過改變電位器的阻值調(diào)整比較器的正向端閾值電壓，在反相端輸入頻率信號(hào)時(shí)，輸出端獲得輸出脈沖。此外，為了防止電壓過高燒壞單片機(jī)，在輸出端加了一個(gè) 的穩(wěn)壓二極管。電路如圖 7 所示 圖 7 比較整形電路 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 為了給用戶提供一個(gè)有好的人接界面，將測量結(jié)果直觀的顯示出來，并能通 過按鍵設(shè)置一些參數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 LCD1602 液晶顯示、按鍵操作和 LED狀態(tài)指示燈。 LCD128x128 液晶顯示器 人機(jī)界面的顯示使用 LCD128x128，可以顯示 128x128 點(diǎn)陣單色或 4 灰度級(jí)的圖片，可以顯示英文、數(shù)字、符號(hào)或 64 個(gè) 16x16 的漢字。該液晶采用 供電，采用 6800 總線驅(qū)動(dòng)。由于不需要顯示很多的漢字，本設(shè)計(jì)沒有選用帶有字庫的液晶，而是使用軟件生成需要的字庫添加到代碼里。 LCD128128控制端口為數(shù)據(jù)命令選擇端口（ RS）、片選端口（ CS）、讀端口 (RD)、寫端口(WR)，以及八位數(shù)據(jù)端口（ D0D7）。 二次儀表頻率計(jì)設(shè)計(jì) 8 按鍵和狀態(tài)指示燈 當(dāng)采集到頻率信號(hào)時(shí)，為了轉(zhuǎn)換成一次儀表的物理量，需要用戶手動(dòng)輸入物理量與頻率之間的線性關(guān)系數(shù)據(jù)，所以加入按鍵功能。按鍵設(shè)計(jì)四個(gè)，分別定義為功能鍵、增大建、減小鍵和確認(rèn)鍵。功能鍵用來切換主菜單功能，增大鍵和減小鍵用來調(diào)整參數(shù)大小。參數(shù)設(shè)定好之后按確認(rèn)鍵確認(rèn)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)輸入。由于 STM32 的 GPIO 端口的輸入可以位置為上拉輸入、下拉輸入和浮空輸入模式，因此外部電路就省去了上拉電阻，只需要軟件配置為輸入上拉模式即可。按鍵的一個(gè)端口接地，另一端口接 到單片機(jī) IO 口，當(dāng)檢測到 IO 端口被拉低時(shí)，即認(rèn)為有按鍵被按下。按鍵電路圖如圖 8 所示。 圖 8 按鍵輸入電路圖 LED 狀態(tài)指示燈用以指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和輸入頻率大小。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)， LED1 每隔一秒閃爍一次，用以指示系統(tǒng)運(yùn)行正常。 LED2 用來間接地指示輸入頻率大小，當(dāng) STM32 捕獲到輸入脈沖時(shí)翻轉(zhuǎn) LED 指示燈，頻率越高，閃爍越快，反之頻率越低，閃爍越慢。 LED 指示燈在一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都有很重要的作用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)狀態(tài)指示燈，指示燈電路如圖 9 所示。 LED 是電流驅(qū)動(dòng)器件，電流的大小決定 LED 的亮度，為了避免 大電流燒壞 LED 指示燈，加了 1K 歐的電阻限流。 圖 9 LED 狀態(tài)指示燈電路 淮南師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)框圖 軟件部分分為主函數(shù)程序和中斷函數(shù)程序。當(dāng)系統(tǒng)電源開啟的時(shí)候，單片機(jī)先進(jìn)行初始化工作，配置時(shí)鐘頻率為 72MHz，配置用到的 GPIO 端口，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)；配置定時(shí)器、輸入捕獲模式；初始化 LCD1286 LED、按鍵等外設(shè)。在循環(huán)中更新顯示、讀取鍵值。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候進(jìn)入中斷函數(shù)。在進(jìn)入中斷函數(shù)中，首先清除中斷標(biāo)志，讀取捕獲的脈沖計(jì)數(shù)值，算出信號(hào)頻率。然后清除技術(shù)寄存器的值，開啟定時(shí)器后 退出中斷函數(shù)，進(jìn)入主函數(shù)，進(jìn)行新一輪的循環(huán)。主程序和中斷程序的流程圖如圖 10 所示 圖 10 主程序和中斷程序流程圖 當(dāng)采集到頻率信號(hào)時(shí)，為了轉(zhuǎn)換成一次儀表的物理量，需要用戶手動(dòng)輸入物理量與頻率之間的線性關(guān)系數(shù)據(jù)，所以加入按鍵功能。按鍵設(shè)計(jì)四個(gè)，分別定義為功能鍵、增大建、減小鍵和確認(rèn)鍵。功能鍵用來切換主菜單功能，增大鍵和減小鍵用來調(diào)整參數(shù)大小。參數(shù)設(shè)定好之后按確認(rèn)鍵確認(rèn)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)輸入。 按鍵初始化之后需要再循環(huán)里不斷地檢測，當(dāng)檢測到按鍵輸入引腳拉低時(shí)，即有按鍵按下，然后延時(shí) 20 毫秒進(jìn)行按鍵“消抖”，因?yàn)槭?動(dòng)操作會(huì)有抖動(dòng)，如不進(jìn)行消抖操作，那么短時(shí)間會(huì)判斷出有多次按鍵操作。延時(shí)之后，按二次儀表頻率計(jì)設(shè)計(jì) 10 鍵輸入狀態(tài)穩(wěn)定，此時(shí)若仍然檢測到按鍵按下，則確定是按鍵操作，然后判斷鍵值，根據(jù)鍵值做出相應(yīng)的處理。按鍵操作流程圖如圖 11 所示。 圖 11 按鍵操作流程圖 頻率信號(hào)采集和測量程序設(shè)計(jì) STM32 需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、模塊時(shí)鐘和特定寄存器進(jìn)行配置才能正常工作。該部分包括 STM32 系統(tǒng)初始化、輸入捕獲定時(shí)器配置和頻率