刘孝赵，王海圳，董宜孝
（苏州经贸职业技术学院 机电技术学院，江苏 苏州 215000）
随着全球信息化的不断发展，数据采集系统逐渐成为现代检测系统中必不可少的部分。现实环境中，涉及温度、光强、压力等模拟量都需要进行数据采集，实现实时监测。在采集过程中，传感器模块作为数据采集的必要前端，大多以电压的形式输出信号，对于数字量输出的传感器可以由MCU读取并处理；
对于模拟量输出的传感器则经由MCU片上ADC采集转换为数字信号，再交由主控器进行数据处理以决定下一步操作。
本设计采用来自意法半导体公司的STM32F103 RCT6嵌入式微处理器作为处理核心，拥有高性能、低成本、低功耗、方便二次开发等特点。同时，采用ATKESP8266 WiFi模块进行数据传输。该模块集成度高、外围电路简单，拥有较高的性价比和稳定性。
整个系统由电源模块、STM32F103RCT6主控器模块和WiFi模块组成。ADC模块集成于MCU片上，各个模块之间相互独立，模块集成度高、使用简单、拓展性强。
1.1 STM32F103RCT6主控模块
本文选用STM32F103RCT6单片机作为主控MCU，该芯片基于Cortex-M3内核，可以进行复杂数据处理。时钟主频较高，同时片上集成12位精度的ADC，USART串口等复杂电路。
单片机由AMS1117提供3.3 V电压供电，芯片内嵌出厂前调校的8 MHz RC振荡电路，5，6脚接晶振进行8 MHz时钟信号输入［1］；
芯片3，4脚带用于校准RTC的32 kHz的晶振；
本设计选择芯片42，43脚连接ATK-ESP8266模块的RXD，TXD引脚。主控MCU芯片及外围电路如图1所示。
图1 STM32F103RCT6芯片及外围电路
1.2 A/D信号采集及转换模块
A/D信号采集及转换模块采用STM32F103RCT6片上外设的ADC功能。该ADC是一个12位逐次逼近型A/D转换器，最小采样时间1 us，可测量外部16个信号源。各个通道的A/D转换可以以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以被设置成左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。
STM32的ADC的转换通道被分成2个通道组：规则通道组和注入通道组。注入通道的转换可以打断规则通道的转换进程，只有在注入通道转换完成之后，规则通道才能够继续进行转换。ADC_CR1的SCAN位用于设置扫描模式，可以由软件设置或清除。ADC_CR2的ADON位用于设置打开和关闭A/D转换器［2］，CONT位用于设置是否进行连续转换。同样，ADC的触发也可以通过设置ADC_CR2的EXTSEL［2∶0］和JEXTSEL［2∶0］位来进行控制。EXTSEL［2∶0］用于选择规则通道的触发源；
JEXTSEL［2∶0］用于选择注入通道的触发源。选定后，由ADC控制寄存器ADC_CR2的EXTTRIG和JEXTTRIG来激活。其中，需要特别注意的是ADC3的规则转换和注入转换的触发源与ADC1和ADC2不同。ALIGN位用于设置数据左右对齐；
ADC_SQRx用于定义在规则通道转换序列中的通道数目和转换顺序；
ADC_CR2的RSTCAL位和CAL位用于执行复位校准和A/D校准，由软件置1，在硬件完成后由硬件自动清零。需要注意的是每次初始化时都应进行校准操作，不校准将有可能导致结果错误。
ADC_SMPRx用来设置采样时间，最小位1.5周期。ADC的转换时间可以由以下公式计算：
T总＝采样时间＋12.5个周期
实际采样时间则是由每个通道的SMP位的设置来决定的。当ADCCLK被设置成14 Mhz时，最小采样时间T总＝1.5＋12.5＝14个周期＝1 us。在实际运用中，一般情况下PCLK2＝72 Mhz，经过ADC预分频器能分频到最大的时钟只能是12 M。若采样周期为1.5个周期，T总＝1.17 us，实际运用中常以此为最快转换时间。之后，向ADC_CR2的SWSTART位写1即可开始转换。通道转换结束后，可以产生中断和DMA请求，需要注意的是只有ADC1和ADC3可以产生DMA请求。
STM32的ADC同时拥有模拟看门狗特性，允许应用程序自动检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。可以通过ADC_HTR和ADC_LRT设置。
1.3 无线传输设计
在此次设计中，使用ATK-ESP8266模块来进行WiFi传输。TXD TTL，RXD TTL引脚用于连接单片机串口。ATK-ESP8266模块片上集了模块运行必要的外围组件，共同组成一个完整且自成体系的WiFi传输模块，配网成功后单片机通过串口发生数据就可以通过WiFi传输至接收端。模块内置TCP/IP协议栈，可以通过AT指令进行操作。
在此次设计中，STM32设置为TCP服务器模式，电脑端为AP模式，接受由单片机发送过来的数据。数据由单片机采集，并通过USART串口传输到ATKESP8266模块进行数据向电脑端传输［3］。经过测试最大传输距离可达到15 m，在传输距离小于10 m是传输结果最为稳定。ATK-ESP8266模块原理如图2所示。
图2 ATK-ESP8266模块原理
对一个有稳定性要求的系统来说，电源模块供电的稳定性至关重要。考虑到本系统仅需3.3 V电压给单片机及ESP8266供电即可，因此选用AMS1117线性稳压芯片［4］，其电路连接如图3所示。
图3 AMS1117及其外围电路
若对功耗较敏感的系统，优先考虑转换效率，则可以选择DC/DC电源［5］；
若考虑成本因素，并且要求较小的纹波和噪声，则可以选择LDO电源。
整个软件代码由C语言编写，利用STM32F103标准库资源。软件首先需要进行ADC初始化和串口初始化。ADC不断采集电压数值，采集结果经由DMA传输到串口，使得STM32内核可由于其他任务，为该系统提供了良好的拓展性。最后，数据经由WiFi模块传输给上位机，主程序进行流程图编写。
将模拟量信号接入A/D采集通道1，使用信号发生器给出直流信号于电脑端接受的数据对比，多次测量平均误差小于0.8%。ADC分辨率0.81 mV，测试时为了提高精度选用了更长的ADC采样时间，实测速度约为300 kHz。若对精度要求不高可以进一步降低采样时间以提升采样速度。经过多次反复测量，采集数据符合设计要求，可供后续数据多样化应用。
需要注意的是实际使用中应外加保护电路以确保接入MCU的电压数值为0～3.3 V，避免过压导致芯片损毁。同时，STM32片上ADC采集精度为12位，如对精度有更高要求可以外接更高精度的ADC采集芯片，也可以通过外接比例电阻等方式扩大量程，但会造成测量精度降低，使用时应按需选择。
本文使用STM32F103RCT及片上ADC搭配ATKESP8266设计制作了数据采集系统，分析了该系统的硬件组成及软件设计。具有设计功耗低，性价比高可拓展性强等特点。测试结果表明，该设计可以满足低频数据的采集及传输的需求。
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