【《基于单片机的液体声速测量系统的硬件和软件设计案例》4300字】

基于单片机的液体声速测量系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u10348基于单片机的液体声速测量系统的硬件和软件设计案例 116108第1章测量系统的硬件设计与实现 2217121.1系统总体方案设计 211931.2系统硬件设计及原理 2264971.2.1系统控制模块 2211881.2.2时间测量模块 3208251.2.3放大滤波电路 5199821.2.4超声波换能器 5227201.2.5通信模块 6142471.2.6其他外围模块 7229601.2.7电源模块 7174821.3小节 811149第2章单片机软件设计与实现 8299502.1单片机软件的开发调试环境 8321772.2软件主程序设计 1019575４.3时间测量程序设计 1076032.1.1TDC-GP21通信设计 11186272.1.2时钟校准设计 1194672.1.3时间差测量 12第1章测量系统的硬件设计与实现1.1系统总体方案设计STM32F103单片机TDC-GP21STM32F103单片机TDC-GP21超声波换能器发射端放大滤波电路超声波换能器发射端电源按键JTAGRS232LCD图1.1系统整体方案本系统的控制核心采用STM32F103单片机，超声波时间间隔测量芯片采用时间数字转换器TDC-GP21芯片。控制核心STM32F103单片机与TDC-GP21芯片之间通过SPI接口实现，并通过SPI口控制TDC-GP21对时间差进行测量。外围电路主要包括电源模块、按键电路、RS232串口、LCD液晶显示屏、晶振、JTAG程序调试、超声波发射器和超声波接收器及放大滤波电路组成。1.2系统硬件设计及原理一个系统的稳定发挥离不开硬件系统的合理性设计。硬件在整个系统中占据尤为重要的地位。设计硬件时要考虑每一个模块之间的匹配，电路线路分布的简单美化等。设计系统的目的就是要用到实际当中去，在满足基本功能的同时考虑经济，争取性价比高。因此硬件设计合理是一个系统的重中之重。本系统方案釆用模块化设计，以下对硬件设计的每一个模块分别进行了介绍。1.2.1系统控制模块STM32F103C8T6增强型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，带闪存、USB、CAN的微控制器，7个定时器、2个ADC、9个通信接口。设备运行在2.0V-1.6V电源范围内。它们可在-40到+85°C温度范围和-40到+105°C扩展温度范围。一套全面的节能模式允许低功耗应用的设计。其适用于空调系统、应用控制、PLC、电机驱动、警报系统、PC游戏外设、、医疗、GPS平台、扫描仪等领域。图３.2STM32F103C8T6原理图1.2.2时间测量模块本系统采用时间数字转换TDC-GP21芯片来进行时间差的测量。TDC-GP21是德国ACAM公司推出的新一代时间数字转换芯片，其芯片有两个测量范围，本系统采用测量范围二进行测量。其芯片有32个功能引脚，核心工作电压为2.5V～1.6V，由于有高速时钟的校准，对时间差的测量精度很高。其电路原理图如图1.3所示。图1.3TDC-GP21原理图TDC-GP21对时间间隔测量有两个范围，范围1：1.5ns(0ns)到2.5µs;范围2：500ns到4ms。本系统对时间间隔的测量在范围2中进行。在测量范围2中最大时间间隔测量可通前置配器来扩展，而保持分辨率不变。测量范围二中，TDC-GP21的高速单元不需要测量整个时间间隔，只需要测量从STOP信号或START信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间（fine-counts）即可。进行两次精密测量时，TDC-GP21需记下基准时钟的周期数（coarse-count)。TDC-GP21范围2测量原理如图1.4所示。图1.4范围2原理图TDC-GP21芯片外围电路如图1.5所示。在测量范围二中时间差计算如公式（3-1）所示。t=T(Z+t1−t2C1−C2t为时间差；T为基准时钟周期；Z为整数周期数；C1和C2分别为一个周期、两个周期；t1t2分别是开始信号到基准时钟上升沿时间，截止信号到基准时钟上升沿时间。图1.５TDC-GP21外围电路图1.2.3放大滤波电路由于传播介质中有杂质或者气泡，若超声波信号与杂质相遇，能量将会被损耗。超声波信号在传输过程中会受到干扰。其信号会发生衰减和传输过程中的能量损失。接收信号的幅值发生变化，混合了其他杂波信号。所示本对电路进行了放大滤波设计，这样经过传播的信号在次电路中信号得到放大和滤波，使最终接收到的信号不失真。运算放大器OP37用于分两级放大接收信号。放大后信号幅值提高，此时的信号在进行滤波，保证信号能够很好的满足下一级电路的需要。滤波电路采用MAX275芯片，带通滤波电路设计为四阶。1.2.4超声波换能器超声波换能器型号采用的是DYW-1M-01F，发射端面直径为17mm，封装后的直径为21mm。外壳封装材料为复合材料，可在纯水、海水和多种液体环境下使用，测量范围也能满足实验需求。超声波换能器机械尺寸、外观及装配支架如图1.6所示。ａｂｃｄ图1.6超声波换能器机械尺寸、外观DYW-1M-01F型换能器主要技术指标见表1.1。表1.1DYW-1M-01F技术指标型号DYW-1M-01F频率1MHz±5%建议量程0.05～3m最小阻抗120Ω±20%电容量1800pF±20％@1KHz灵敏度探头驱动电压：24V、距离：0.3m、回波幅度：600mV工作电压峰值电压＜300Vpp工作温度-40～+80℃压力≤10公斤或者1MPa角度(波束宽度)半功率角@-3dB:5°±10%，1.2.5通信模块1.SPI通信协议主控制器STM32F103C8T6单片机与时间数字转换TDC-GP21芯片通过SPI接口进行通讯。SPI接口的特点是它属于全双工、高速同步的通信总线。SPI通信以主从方式工作，分别有一个设备与一个主设备相连接和多个设备与一个主设备相连。通常SPI通过四条线：SCN（时钟）、SI（数据输入）、SO（数据输出）和SSN（从机选择）进行通讯。只有当主从设备的时钟信号相同时，它们之间才能够正常通讯，反之则不行。2.串口通信电路本系统采用RS-232串口通信电路实现主控制器与计算机间的数据传输。由于RS-232通信协议标准是的逻辑规则与其他通信相反。负电压当作逻辑1，正电压当作逻辑0，所以此电平不能直接连接，必须先进行转换之后才能使用。图1.7RS-232电路图1.2.6其他外围模块STM32内嵌SWJ-DP接口和JTAG接口，JTAG的TMS和TCK信号分别与SWDIO和SWCLK共用管脚，TMS脚上的一个特殊的信号序列用于在JTAG-DP和SWJ-DP间切换。本系统采用JTAG调试接口，也可以用串口PA9、PA10进行下载，相比之下，JTAG可以在线运行调试、在线编程，这样可以提高我们的工程进度。图1.8为JTAG接口电路。图1.8JTAG接口电路1.2.7电源模块电源是一个系统重中之重的模块，它保证整个系统的正常运行，电源的稳定决定整个系统稳定，TDC-GP21作为本系统的主要芯片，其工作电压为1.3V，直接与电脑相连，电脑供电电压为5V。５V的电压经过稳压芯片后输出1.3V电压供TDC-GP21用。稳压芯片采用图1.9所示的LM117-1.3芯片。图1.9LM1117电路图1.3小节本章主要分析系统硬件电路设计，一个结构合理、简化的硬件设计可以让外围电路简单而稳定，在电路排线时进行简化，大大提高系统的可靠性，可以使整个系统性能更加稳定，也可以减少我们的工作量。完整的系统硬件性能取决于里面的每一个小部件选型及工作原理，每一个模块正常工作才能让系统正常运转。再者选型不仅要保证每个模块相互匹配，也要考虑整体的性价比。本章就介绍了硬件电路各个模块的工作原理及选型方法。第2章单片机软件设计与实现一个系统的好坏以及一个系统的合理性不是完全决定于硬件设计，与软件设计息息相关。硬件系统的性能能否完全发挥也离不开软件系统的设计，一个优秀的软件设计会让整个系统更加简化、稳定。2.1单片机软件的开发调试环境单片机是一套硬件系统，在没有软件驱动的情况下，只有硬件无法独立运作，所以单片机的软件开发十分重要。我们需要在计算机软件中编写程序代码，在编译指令之后将程序输入单片机中,使单片机完成我们想要的操作。本设计采用的软件是KeiluVision5，该软件可以使用C语言编写STM32F103系列单片机程序系统C语言相比汇编语言更加简洁,功能更容易实现。KeiluVision4的开发界面简洁明了,上方是菜单栏目,有一些常用的菜单项目如Debug、Tools、Hlep等。常用的编辑操作可以简化编写时的操作,大大提高效率。中间是程序编写面板,面的白色面板（BuildOutput）中会列出程序编译是否有逻辑错误,十分便于查找程序错误。KeiluVision4开发界面如图2.1。图４.1keil软件开发界面编写程序时首先需要新建一个总的工程，在文件框中填写工程名。选择对应的单片机芯片型号STM32F103，否则单片机的驱动程序无法正常运行，程序将识别不到单片机的引脚。然后创建一个C文件，并保存为后缀名.c的文件。在项目文件使用C语言编写设计所需的程序，然后在操作栏目中将没有错误的程序进行编译，生成hex文件。生成好的hex文件需要利用载器烧录软件传送到单片机中。本次设计采用JTAG自动下载软件，将程序烧录到单片机开发板中。在使用下载器之前要先给电脑下载USBDeviceDriver，实现供单片机与计算机的串口通信。在下载器操作界面，选择对应的单片机型号和波特率。在文件中选择需要下载的hex文件点击下载，就可以将程序下载到单片机中。在最新的KeiluVision5开发软件中，通过文件编译功能查找程序中的错误和警告，并且可直接查找出错误位置，方便软件开发人员的程序编写和查错，提高工作效率。单片机型号选择操作界面如图2.2。图４.２单片机选型操作界面2.2软件主程序设计本系统主程序设计主要有STM32初始化，对TDC-GP21寄存器、LCD、按键各个硬件进行初始化。对时间差进行测量，STM32单片机读取数据然后进行计算显示。主程序流程图如图４.3所示。图2.3主程序流程图给系统供电后，对系统的STM32、LCD、TDC－GP21寄存器、按钮硬件进行初始化。STM32主控制器通过SPI接口与TDC－GP21进行通信和配置寄存器。主要有校准方式、通道时间、测量方式等。在测量范围二中，TDC－GP21记下截止信号和起始脉冲信号。通过内部固定的校准模式对数据进行校准，最终得到精确的测量数据。然后，利用TDC－GP21的ALU计算时间间隔。在每一次单次测量后，都会触发中断，单片机读取数据，从实验中获取时间信息，然后根据速度公式计算传播速度，计算结束后初始化后进行第二次测量。４.3时间测量程序设计本系统的核心主要是TDC-GP21芯片和STM32单片机。主控制器STM32通过SPI接口对TDC-GP21进行控制和数据传输，TDC-GP21芯片功能齐全，内部集成模拟元器件和模拟开关，是外部电路大大得到简化。主要有时钟选择校准，一个32khz晶振驱动被集成进芯片，还有SPI-接口，串行接口是与４线制SPI兼容的。2.1.1TDC-GP21通信设计在本系统中釆用主控制器STM32模块与TDC-GP21通过SPI接口连接，并通过SPI写操作码和读取测量结果。TDC-GP21SPI读写时序如图2.4和图2.5。图４.４:SPI写时序图2.4TDC-GP21写时序图４.５:SPI读时序图４.５TDC-GP21读时序2.1.2时钟校准设计TDC-GP21的高速时钟虽然用于测量范围2中测量计算，但自身存在温漂和电压漂移等问题，给系统带来误差。在测量范围二中需要用高速时钟作为基准时钟去测量时间间隔，因此高速时钟是必须要进行校准的。要实现高精度的测量结果，必须克服系统的延时问题，系统的延时正是由温度和电压引起的。所以进行校准是一个高精度系统的前提。采用TDC－GP21里的32.768KHz的基准时钟来控制高速时钟启振和进行时钟校准用。它也可用作一完整驱动器。需要注意的是在时钟校准过程中，START输入使能必须要开启。2.1.3时间差测量TDC-GP21进行时间差测量在开始使用之前，必须对GP21进行设置。本系统用的时测量范围２测量时间差。测量范围２的主要设置为：首先选择测量范围2设置register0,Bit11,MESSB2=1；其次是选择参考时钟，在测量范围2中TDC－GP21需要高速时钟来进