《嵌入式系统概论》课件-第7章-模拟通道组件及应用(第三版)

7.1模拟输入输出系统

一般模拟输入/输出系统基于嵌入式处理器的模拟输入/输出系统7.2传感器及变送器

传感器：把被测的非电量转换为与之有确定关系的电量或其它形式量的装置。传感器是人类感官的延伸，是现代测控系统以及物联网的关键环节。变送器：在传感器的基础上，把感知的信号通过一定形式传送出去的一种装置。由于有些传感器具备了传输功能，因此有时传感器和变送器也不过分区分。现代智能传感器均具有变送器的功能。7.2.1传感器

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的组成1、流量传感器

流量传感器是测量流体流量的传感器。主要有差压流量传感器、涡轮流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器、窖式流量传感器、变面积式流量传感器等多种形式。流量传感器实物外形2、压力传感器

压力传感器是测量压力大小的传感器。目前压力传感器主要有电容式压力传感器、电感式压力传感器、电阻应变片式压力传感器、压阻式半导体式压力传感器等几种。压力传感器实物外形3、温度传感器

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻温度传感器、热电偶温度传感器以及集成温度传感器等。温度传感器实物外形铂电阻温度传感器

热电温度传感器铂电阻和铜电阻温度传感器是工业上应用最广泛的。铂电阻有PT100和PT1000等型号，PT100是铂电阻为100欧姆时为0度的铂电阻，PT1000是铂电阻为1000欧姆时，温度为0度的铂电阻传感器。P100电阻与温度的关系如下：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] -200<t<0

℃

（7.1）Rt=R0(1+At+B2t） 0<t<850

℃

（7.2）R0为0度时的电阻值100欧姆A=3.90802×10-3；B=-5.802×10-7；C=-4.27350×10-12由于当t<200时，B2*t可以忽略不计。因此：Rt=R0(1+At)PT100铂电阻温度传感器在0℃时的阻值R0为100Ω，在100℃时电阻值R100=138.51Ω铜电阻温度传感器

铜电阻测温原理与铂电阻一样，利用导体电阻随温度变化的特性。而铜热电阻测温范围小，在-50～150℃范围内，稳定性好，便宜。Cu100在0℃时的阻值R0为100Ω，在100℃时它的阻值R100约为142.80Ω。铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。铜电阻Rt与温度t的关系为： Rt=R0(1+αt) （7.4）热电偶温度传感器

热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要优点是宽温度范围（-200℃～1300℃，特殊情况下-270℃～2800℃）和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电。注意：电热热（电位差）与温度不是线性关系。集成温度传感器

型号测温范围输出形式温度系数封装厂商LM45-20～+100电压10mV/SOT-23NSLM135-55～+150电压10mV/℃TO-92,TO-46NSLM235-40～+125电压10mV/℃TO-92,TO-46NSLM335-40～+100电压10mV/℃TO-92,TO-46NSLM3911-25～+85电压10mV/℃TO-5NSμPC616A-40～+125电压10mV/℃TO-5NECμPC616C-25～+85电压10mV/℃DIP8NECLX5600-55～+85电压10mV/℃TO-5NSLX5700-55～+85电压10mV/℃TO-46NSREF-02-55～+125电压2.1mV/℃TO-5PMIAN6701-10～+80电压110mV/℃4端PanasonicAD221030～+100电压28mV/℃TO-92,SOP8ADAD590-55～+150电流1μA/℃TO-52ADLM75A-55～+125总线：I2C0.125℃SO-8NSDS18B20-55～+125总线:1wire串行数字量输出TO-92实验板上有DS18B20温度传感器4、物位传感器

物位传感器是能感受物位（液位，料位）并转换成可用输出信号的传感器。物位传感器可分两类：一类是连续测量物位变化的连续式物位传感器；另一类是以点测为目的的开关式物位传感器即物位开关。典型物位传感器外形图5、位移传感器

位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。位移传感器主要用于测量各种长度、直径、厚度、高度差、跳动、同心度及垂直度。典型位移传感器外形图6、称重传感器

称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等，以电阻应变式使用最广。输出为mV信号，输出电压与重量成正比关系。典型称重传感器外形图7、气敏传感器

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。典型气敏传感器外形图8、磁敏传感器（霍尔传感器）

磁敏传感器是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)的一种传感器，这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、镍及其它们的合金)，也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。典型磁敏传感器外形图9、红外光传感器

红外光电传感器是通过把红外光强度的变化转换成电信号变化的一种传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。典型红外光传感器外形图10、机器人传感器

机器人传感器主要有触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况。7.2.2变送器

变送器是将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。常用变送器外形图7.3信号调理电路设计

在嵌入式系统的输入通道中，传感器感知的信号通常需要通过调整电路进行放大、滤波、变换等相关处理，调理成A/D变换器所能接收的量程范围。因此调整电路的设计在前端处理中占有非常重要的作用，直接影响检测的效果。7.3.1信号调理电路的功能及任务1、放大与衰减2、隔离3、多路复用4、滤波5、激励与变换6、冷端补偿调理电路主要形式

7.3.2信号滤波

滤波是指滤除一定频率范围一定幅度的无用信号。低通滤波高通滤波带通滤波带阻滤波1、无源滤波

一阶低通滤波电路一阶RC高通滤波器RC带通滤波电路截止频率：f0=1/(2πRC)截止频率：f0=1/(2πRC)带通频率：f1=1/(2πR1C1)=500Hz，f2=1/(2πR2C2)2、有源滤波

一阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波器f0=1/(2πRC)7.2.3信号放大

同相放大：由放大器性质可知：Ui=U+=U-=U0(R1/(R1+Rf))放大倍数A=(1+Rf/R1)=(1+361.1/1/1)=329.27，当传感器输出最大10mV时，放大器放大后输出给ADC的最大值为3.2927V。反相放大器

反相放大：由放大器性质可知：Ui=U-=U+＝0Ii+Io=0U0=-Rf/R1*Ui放大倍数A=-Rf/R1=-100/10=-10当传感器输出最大300mV时，放大器放大后输出给ADC的最大值为3.0V。差分放大

C=1,a=b,则有U0＝（1+2a）*(Ui+-Ui-)7.2.4激励与变换

问题的提出：有些传感器输出的信号不是电压信号，这时就要把非电压信号变换为电压信号，这即信号变换。通常信号变换是靠激励源完成的，因此有时信号变换也可以认为是信号激励。1、电源激励源的应用－电阻信号变换为电压2、电流变换为电压

3、电压变换为电流3、双极变单极

4、电平变换7.2.4模拟信号隔离

问题的提出：在有些工业现场干扰非常严重，为了可靠进行数据的采集和处理，有必要对传感器送来的信号进行隔离。对于模拟信号的隔离常用两种方法：一是采用线性光电耦合器，二是直接采用隔离运算放大器。1、采用线性光耦进行信号隔离2、

采用专用隔离放大器隔离

常用隔离放大器有：ISO100系列、AD210系列、AMC1200、ICPL_7800系列等。AMC1200隔离运算放大器7.4模数转换器ADC（核心内容之一）

现在大多数嵌入式微控制器内部集成了片上ADC模块，而且大部分采用逐次逼近型(SAR)ADC，不同厂家不同类别的微控制器，其分辨率不同，主要有8位、10位、12位、16位以及24位不等。目前使用流行的嵌入式微控制器内部集成的ADC分辨率为10位和12位居多。典型微控制器片上ADC结构7.4.1片上ADC及其应用（掌握）VREF+VREF-STM32F10x系列内部温度通道参考电压通道ADC_AIN0ADC_AIN15VDDAVSSASTM32F107MCU具有2个12位逐次逼近式ADC，并可以根据应用进行灵活配置，内部1个温度通道和1个基本电压通道，外部16通道。可应用于工业现场的模拟信号到数字信号转换。STM32F10x片上ADC功能特性STM32F107片上ADC组成只有规则通道支持DMAADC转换时序经过14个ADC_CLK时钟转换结束ADC片内通道T＝(1.43-(3.3/4096)*temp)/0.0043+25 ADC控制寄存器CR1AWDEN和JAWDEN分别为在规则通道上和在注入通道上开启模拟看门狗，1开启；DUALMOD[3:0]双模式选择：000独立模式，其它编码为其它模式；DISCNUM[2:0]间接模式通道计数，000为1个通道，001为2个通道，...111为8个通道；JDISCEN在注入通道上的间接模式允许，1允许，0禁止；DISCEN在规则通道上的间接模式允许，1允许，0禁止；JAUTO自动的注入通道组转换允许，1开启，0禁止；AWDSGL扫描模式中在一个单一通道上使用模拟看门狗，1允许，0禁止；SCAN扫描模式允许，1扫描允许，0禁止扫描模式；JEOCIE注入通道转换结束中断允许，1允许中断，0禁止中断；AWDIE模拟看门狗中断允许，1允许，0禁止；EOCIE规则通道结束中断允许，1允许中断，0禁止中断；AWDCH[4:0]模拟看门狗通道选择位:00000~10001分别选择的通道号为0~17；ADC控制寄存器CR2TSVREFE温度传感器和VREFINT使能：1使能，0禁止；SWSTART开始转换规则通道，1开始转换，0复位状态；JSWSTART开始转换注入通道，1开始转换，0复位状态；EXTTRIG规则通道的外部触发转换模式：允许外部触发转换，0禁止外部触发转换；EXTSEL[2:0]外部触发选择：JEXTTRIG：注入通道的外部触发转换模式，1允许外部触发，0禁止外部触发；JEXTSEL[2:0]：选择启动注入通道组转换的外部事件：ALIGN：数据对齐(Dataalignment)：0：右对齐，1左对齐；DMA：直接存储器访问模式允许，1允许DMA访问，0禁止DMA；RSTCAL：复位校准，0：校准寄存器已初始化，1：初始化校准寄存器；CAL：A/D校准，0：校准完成，1：开始校准；CONT：连续转换，0：单次转换模式，1：连续转换模式；ADON：开/关A/D转换器，1：启动ADC转换，0：关闭ADC；ADC转换方式CR1.SCAN位来决定是单通道还是多通道CR2.CONT来决定是单次转换还是连续转换。ADC引脚定义外部通道的ADC引脚占用PA口、PB口和PC口若干引脚：PA0=ADC_IN0PA1=ADC_IN1PA2=ADC_IN2PA3=ADC_IN3PA4=ADC_IN4PA5=ADC_IN5PA6=ADC_IN6PA7=ADC_IN7PB0=ADC_IN8PB1=ADC_IN9PC0=ADC_IN10PC1=ADC_IN11PC2=ADC_IN12PC3=ADC_IN13PC4=ADC_IN14PC5=ADC_IN15ADC典型应用信号调理模块RS-232总线

压力传感器

温度传感器

流量传感器

电流传感器MCU驱执执行机构直接驱动执行机构SP3243E/SP3232ERxDTxDRxDTxDAIN15AIN0传送现场信息至计算机系统进行处理。计算机输出控制信息至stm32f10x实现对执行机构的控制。信号的滤波、隔离、放大ADC将传感器信号转换为电信号典型反馈控制系统

（1）配置ADC输入引脚（2）初始化ADC并启动A/D变换（3）查询ADC状态寄存器ADC_SR，判断A/D转换是否结束，如果EOC＝1表明转换结束，否则没有结束。（4）转换结束时读取转换数据寄存器ADC_DR中值，取低16位结果（多个规则通道只有一个数据寄存器）。（5）读出的数字进行标度变换可以得到所求物理量。STM32F10x片上ADC操作步骤

使用固件库函数配置ADC引脚如下：RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO|RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);//PA3,6,7//配置GPIO的PA3/6/7作为ADCIN3/6/7模拟通道输入端，频率50MHzGPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;//模拟输入模式GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);配置ADC引脚

/*初始化ADC：独立模式、多通道扫描禁止、连续转换禁止、软件触发、ADC数据右对齐*/ ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;/*独立工作模式*/ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE; /*禁止多通道扫描*/ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;/*连续转换模式禁止*/ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;//不用外部触发，用软件触发ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;/*ADC数据右对齐*/ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;/*进行规则转换的ADC通道数为1个通道*/ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);ADC_Cmd(ADC1,ENABLE); /*使能ADC1*/ADC_ResetCalibration(ADC1); /*使能ADC1复位校准寄存器*/while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));/*等待复位校准寄存器接收*/ADC_StartCalibration(ADC1); /*启动ADC1校准*/while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));/*等待ADC1校准结束*/ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);/*启动软件转换*/ADC单通道初始化

单通道不用DMA情况下，可用传统三步曲查询方式读取ADC变换结果：u16ADC_data;

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE); //启动ADC1变换

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC)); //等待AD转换结束ADC_data=ADC_GetConversionValue(ADC1); //取AD转换结果单通道ADC获取变换值

RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);//使能DMA1时钟DMA_DeInit(DMA1_Channel1);//指定DMA通道DMA1恢复初始设置

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=ADC_DR_Address;//设置DMA外设地址ADC_DR_AdressDMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(u32)&ADC_ConvertedValue;//设置DMA内存地址

DMA_InitStructure.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralSRC;//外设设置为数据传输的来源

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize=20*3 //DMA缓冲区大小设置，3个通道每通道采样20次DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc=DMA_PeripheralInc_Disable;//DMA不允许地址递增

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc=DMA_MemoryInc_Enable;//内存地址递增DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize=DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;//12位ADC用16位DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize=DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular;//循环缓存模式DMA_InitStructure.DMA_Priority=DMA_Priority_High;//DMA高优先级DMA_InitStructure.DMA_M2M=DMA_M2M_Disable;//禁止存储器到存储器传输DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//使能DMA通道ADC多通道方式初始化DMAu16ADC_ConvertedValue[20][3];/*ADC转换结果存放变量（地址）3个通道，每个通道采样20次*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE); //使能ADC1时钟ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;//使用独立模式

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE; //扫描模式允许，多通道必须使能

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE;//连接转换模式，无需外接触发器

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;//不用外部触发

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;//使用数据右对齐

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=3;//3个通道转换通道

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_3,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);//通道3采样周期55.5ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_6,2,ADC_SampleTime_55Cycles5);//通道6采样周期55.5ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_7,3,ADC_SampleTime_55Cycles5);//通道7采样周期55.5ADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);/*使能ADC的DMA*/ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);//使能ADC1ADC_StartCalibration(ADC1);/*校准*/while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//等待校准结束ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);//开始转换ADC多通道方式初始化ADC

由于前面已经定义了ADC_ConvertedValue[20][3]用于存放结果，因此获取变换值直接读即可。下面是求自述平均值算法得到的结果：intReadADCAverageValue(uint16_tChannel)//求平均值{u8i;u32sum=0;for(i=0;i<SampleNum;i++){sum+=ADC_ConvertedValue[i][Channel];}return(sum/SampleNum);}多通道DMA方式获取变换值ADC的外部连接ADC的外部连接有单端输入和差分输入连接方法单端输入（左图）：每个通道接一路模拟量差分输入（右图）：每两个通道接一路模拟量

且偶数通道接+，奇数通道接－标度变换标度变换：指将对应参数值的大小转换成能直接显示有量纲的被测工程量数值，也称为工程转换。对于ADC而言，标度变换的目的就是要将ADC转换得到的数字量如何变换成工程量（实际物理量）。（1）线性标度变换Yx=kNx+b（2）非线性标度变换，如流量与差压的关系压力：流量计算公式：线性标度变换（要求掌握）

Yx=kNx+b （7.1）k和b为常量，Nx为ADC变换得到的数字量，Yx对应Nx的物理量。

假设：Y0为被测物理量下限；Ym为被测物理量上限；

N0为Y0对应的数字量；Nm为Ym对应的数字量；则： Ym=kNm+b Y0=kN0+b经过求解二元一次方程组得：k=(Ym-Y0)/(Nm-N0)，b=Y0-N0(Ym-Y0)/(Nm-N0)代入(7-1)式得：

Yx=Y0+(Ym-Y0)*(Nx-N0)/(Nm-N0) （7.2）其中Y0、Ym、N0、Nm对于某一具体的参数来说为常数，不同的参数有不同的值。线性标度变换实例按照后面接口电路加入压力（10Kpa~1000Kpa）,加入压力在10Kpa(Y0=10)时，ADC得到数字量为N0，加1000Kpa(Ym=1000)时数字量为Nm，则通过标度变换公式（7.2）得到压力值：Yx=10+(1000-10)*(Nx-N0)/(Nm-N0)=10+990*(Nx-N0)/(Nm-N0)，因此：Yx=10+990*(Nx-N0)/(Nm-N0);基于实验板的片上ADC应用实例之一

电位器中心抽头电位采样基于实验板的片上ADC应用实例二

模拟信号输入接口基于实验板的片上ADC应用实例三

PT100传感器输入接口7.4.2片外ADC及应用（了解）

一、并行ADC扩展加权电阻DAC组成串行ADC扩展

二、串行ADC扩展加权电阻DAC组成7.5数模转换器DAC

数模转换是将数字量转换为模拟量(电流或电压)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现这种转换功能的电路叫数模转换器(DAC)。重点掌握片上DAC及应用，片外扩展DAC只作了解即可。STM32F10x内部有2个12位DAC，可选择8位和12位模式，在12位模式下，具有右对齐和左对齐两种对齐是方式。加权电阻DAC组成7.5.1STM32F10x片上DAC及应用(重点）

PA4（DACOUT1）PA5（DACOUT2DAC输出