小壓力測量系統硬件電路設計研究

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摘要：研究了基于STM32嵌入式微控制器的小壓力測量系統的硬件設計方法，提出了測量過程中的重點部分信號處理的電路設計，同時給出了相關測試方案。為電子產品輸入設備的壓力檢測提供有效的手段。

關鍵詞：小壓力；數據采集；芯片

壓力是工業控制過程中經常需要采集的一個技術參數，傳統工業因為采集的壓力數值較大，一般以氣體壓力測量控制系則應用為主。進入21世紀，隨著電子設備的普及，鼠標、鍵盤、觸摸屏等輸入設備均以1kg以下的小壓力作為采集數據［1］。特別是智能手機的廣泛應用，壓力觸控技術的誕生，壓力數據已經成為人機交互過程中極為重要的信息。這就對小壓力數值的測量，從精度、時間等方面提出了更高的要求。壓力傳感器采集到的模擬信號需要模數轉換器變成的數字信號進行處理，理想情況下，模數轉換器的信噪比隨著輸入信號幅值的增加而增加，但是在實際電路中因為積分器過載的問題，輸入信號的幅值過大會造成信噪比下降［2］，影響到采集數據的準確性，所以需對采集信號進行過濾及放大處理。本文介紹了小壓力測量系統的硬件電路的設計方法，以基于STM32嵌入式微控制器為控制核心，搭配外圍電路組建而成。

1系統框架設計

整個系統由傳感器、數據采集、數據測量處理和MCU等模塊組成。其中壓力傳感器檢測實際小壓力信號；數據采集模塊將壓力傳感器實時檢測到的信號，經濾波和放大處理生成有效的模擬信號，再通過AD轉換器變成數字信號；數據處理模塊由FPGA組成，將采集模塊傳來的數字信號進行算法處理，生成壓力測量數值；MCU系統對得到的壓力值進行校驗和傳輸，并通過數字電阻調節數字采集電路來控制測量范圍和精度。如圖1所示。

2重點部分設計

信號采集：主要功能通過前段電路將壓力傳感器測到的壓力信號濾波、整形、放大等一系列處理，最終變成數字信號經FPGA芯片（A3P250－1VQ100I）后進行數字化處理后，再發送給MCU。本電路模塊將弱聲電信號經過窄帶網絡匹配、二級電壓放大、低通濾波、過零檢測之后，轉換為數字電平信號，送FPGA測量數值。如圖2所示。窄帶匹配電路對探頭傳來的聲波信號進行去雜匹配，將采集的信號頻率范圍縮小。電壓發大電路將經過匹配后的信號的壓值進行二級發大，約500倍。如圖3所示。低通濾波器電路對采集信號進行濾波，去除其帶有的高頻干擾。將信號處理完成后送A／D轉換器，生成電平數字信號，送與FPGA芯片（采用A3P20）計算數值。MCU電路：該部分是整個電路板的核心控制部分，主要由STM32單片機構成，負責存儲處理FPGA捕獲的壓力數據、通過模數端口測量外部電路板的供電量和比較電壓（測量精度）的壓值，并將這些狀態值通過串口發送給上位機。STM32系列控制器是以ARMCortex－M3為內核的高性能和低成本的控制器，控制器采用STM32F103RCT6單片機作為主控芯片。該單片機微控制器擁有高內存，較高的時鐘頻率使得計算處理速度快［3］。

3測試方案設計

搭建測試電路平臺，采用現場可編程邏輯門陣列完成外圍測試電路的搭建，通過示波器給電路板傳感器信號輸入端發送測試信號。電路板檢測接收和處理電路后的數據信號是否正確，并通過FPGA換算后將最終測量數值發送給MCU，MCU進行數據處理后將顯示值發給上位機測量軟件進行精度比對。

4結束語

目前小壓力測量需求在現實工業設計中的需求越來越重要，與人工智能化的拓展息息相關。本文提供了基于STM32微控制器系統的測量電路，完成了對1kg以下小壓力測量信號檢測的硬件設計，對小壓力測量方法具有一定的現實指導意義。

參考文獻

［1］馬聰．基于STM32微控制器的精密壓力控制系統的研究與設計［D］．蘇州：蘇州大學，2016

［2］郭紅．微弱信號檢測系統模擬前端設計［D］．北京：北方工業大學，2019

［3］蔡飛航．基于STM32的可定位智能輪椅控制器設計［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2017

作者：束鵬程 單位：南京模擬技術研究所