数据采集技术在工业、航天、军事等方面具有很强的实用性，随着现代科技发展，数据采集技术在众多领域得到了广泛的应用和发展。同时对数据采集器的精度、抗干扰能力、安全和通信兼容等方面提出了更高的要求。基于上述要求提出了一种基于STM32F101 的数据采集器的设计方案，该数据采集器使用MODBUS 协议作为RS485 通信标准规约，信号调理威廉希尔官方网站
与STM32F101 的AD 采样通道之间均采用硬件隔离保护，可同时采样3 路DC0-5V 电压信号、3 路DC4-20mA 电流信号和6 路开关量输入信号，实验证明本数据采集器具有较高的测量精度，符合工业现场应用需求。
信号采集主要包括电压信号、电流信号、频率信号以及开关量信号，随着现代技术的发展，传感器主要输出标准的电压电流信号，而传感器是将外部的非电量信号转换成标准的电信号进行输出，本课题所设计的数据采集器可以同时采集电压、电流、开关量输入输出信号，且每个部分独立工作，硬件调理威廉希尔官方网站
中均采用信号隔离技术，数据采集器与上位机采用RS485通信，使用MODBUS协议作为通信规约，便于数据采集器与其他工业设备实现数据共享。
课题设计的基于STM32的数据采集器，使用性价比较高的STM32F101 作为核心处理器，时钟倍频后处理速度可达36MHz ；内部自带12 位AD 转换通道，保证数据采样和处理的速度和精度。
1 数据采集器工作原理
数据采集器具有标准的电压、电流以及开关量输入信号采样接口。模拟量信号采样接口威廉希尔官方网站
，使用HCNR201线性光耦进行信号隔离。电压信号接口可输入DC0-5V 信号，输入的电压信号经过电压信号调理威廉希尔官方网站
对信号进行滤波、隔离和限幅后送入STM32F101 的AD 采样通道；电流信号接口可输入4-20mA 信号，输入的电流信号通过精密采样电阻，将电流信号转换成电压信号，然后再将转换的电压信号送入电压信号调理威廉希尔官方网站
进行处理，最后再送入AD 采样通道；开关量输入接口采用光耦进行隔离，实现光电转换和隔离保护。STM32F101 将采样的数据进行软件处理后，再通过RS485 通信接口将数据上传至上位机或者其他设备，完成数据采集处理和通信的功能。
2 数据采集器硬件设计
数据采集器硬件结构包括STM32 最小系统、电源、开关量输入接口威廉希尔官方网站
、电压信号采样接口威廉希尔官方网站
、电流信号采样接口威廉希尔官方网站
和RS485 通信接口威廉希尔官方网站
，数据采集器结构图如图1 所示。
2.1 STM32F101 最小系统
STM32F101 最小系统包括晶振威廉希尔官方网站
、复位威廉希尔官方网站
和SW 程序调试接口威廉希尔官方网站
，晶振威廉希尔官方网站
主要为系统工作提供所需要的时钟，通过初始化配置STM32F101 内部的时钟寄存器，可将外部时钟频率倍频到36MHz ；复位威廉希尔官方网站
主要用于防止数据采集器程序跑飞或者死机时手动复位，同时在程序内部加入看门狗复位，程序在正常运行时正常喂狗，而当程序跑飞时数据采集器也可自动完成复位，使程序重新执行；SW 程序调接口威廉希尔官方网站
，主要用于开发人员对STM32F101 进行编程和在线仿真调试，完成数据采集器的软件设计。由于STM32F101 性价比较高，片内集成资源丰富，在设计数据采集器时可大大简化外部硬件威廉希尔官方网站
设计。
2.2 电源威廉希尔官方网站
本课题所设计的数据采集器可工作于DC12V，输入的DC12V 经过LM7805CT转换为+5V 电压，并通过电感L15 实现输入DC12V 电源GND 与+5V 电源DGND的隔离，DC12V 转DC+5V 电源转换威廉希尔官方网站
如图2 所示。由于STM32F101 工作电压为3.3V，因此还需通过电源模块LT1117-3.3转为DC+3.3V，供给CPU 使用。DC+5V转DC3.3V 电源转换威廉希尔官方网站
如图3 所示。
另外在所设计的硬件威廉希尔官方网站
中，对RS485 通信威廉希尔官方网站
和模拟量的信号采样威廉希尔官方网站
均用了信号隔离技术，供给RS485 芯片工作的电源和模拟量信号处理威廉希尔官方网站
中的线性光耦电源均需通过隔离电源模块B0505S 转换产生，该模块可将+5V 电源输出为另一路隔离电源，而且芯片隔离电压能达到1000VDC，温度特性较好。线性光耦电源AD+5V 和RS485 电源S+5V 转换威廉希尔官方网站
如图4、图5 所示。
2.3 开关量输入接口威廉希尔官方网站
开关量输入接口主要用于采集外部开关量信号，此部分威廉希尔官方网站
使用TLP521 光耦进行隔离，保证信号采样威廉希尔官方网站
的安全性，同时可减小威廉希尔官方网站
干扰。开关量信号从IN 输入，COM 为信号输入公共端。开关量信号经光耦输出至STM32 的GPIO 口，实现对外部开关量信号的检测。
2.4 电压电流信号采样接口威廉希尔官方网站
传感器将非电量信号转换为电信号，一般输出标准电压电流信号，STM32F101自带AD 转换通道允许输入电压范围为0-3.3V，因此传感器输出信号需经信号调理威廉希尔官方网站
调整到AD 通道有效采样电压范围。本课题的设计的数据采集卡可采样DC0-5V 电压信号和DC4-20mA 电流信号，使用HCNR201 线性光耦进行隔离，输出跟随输入变化，线性度较好，保证了信号采样的准确性。
电压信号采样接口威廉希尔官方网站
输入电压范围为DC0-5V， 输入电压经电阻R1A 和R1B 分压后经电阻R63 输入至运放U30A反相端，电容C107 构成反馈电容，主要用来消除噪声和干扰。运放U30A 在此处构成比较器，当有外部电压信号接入时，U30A 的1 端输出低电平，线性光耦HCNR201 的LED 发光，当光照到PD1、PD2 时分别形成通路，线性光耦主要实现光电转换和隔离，经过线性光耦输出的电流信号通过运放U31B 构成的威廉希尔官方网站
形成电压信号，经过U31B 输出的电压信号经过运放U31A 构成的3.3V 限幅威廉希尔官方网站
，将输出电压限定在0-3.3V 范围内，以保证STM32F101 的AD 通道采集到正常的电压信号。
2.5 RS485 通信接口威廉希尔官方网站
RS485 通信主要实现采集的数据传输，为保证数据传输的安全性和通信的兼容性，在硬件设计上使用SP3485 作为收发控制器，同时使用TLP521 光耦进行隔离，保证数据采集卡硬件通信的安全；在软件设计上使用工业标准的MODBUS 协议作为RS485 通信规约，保证系统良好的兼容性和数据传输的准确性。
3 软件设计
数据采集器软件设计主要采用模块化编程，主程序流程图主要包括关中断、各功能模块初始化、开相关中断、看门狗定时、开关量输入采集、AD 采样处理、RS485 通信数据处理和定时喂狗；主程序流程图如图6 所示。
4 结语
通过Multism 对电压信号采样威廉希尔官方网站
进行仿真，采样输入信号接入示波器A 通道，电压幅值范围为DC0-5V，输入信号经过电压信号处理威廉希尔官方网站
后输出电压信号输入示波器B 通道，当输入电压为100mV时，经过电压信号处理威廉希尔官方网站
输出电压为101.541mV ；当输入电压为3.28V 时，经过电压信号处理威廉希尔官方网站
输出电压为3.28V ；当输入电压为5V 时，经过3.3V 限幅威廉希尔官方网站
后电压被钳在3.3V，由仿真图观察可知，HCNR201 具有良好的线性度，保证了数据采样的精度。
数据采集技术在工业、航天、军事等方面具有很强的实用性，随着现代科技发展，数据采集技术在众多领域得到了广泛的应用和发展。同时对数据采集器的精度、抗干扰能力、安全和通信兼容等方面提出了更高的要求。基于上述要求提出了一种基于STM32F101 的数据采集器的设计方案，该数据采集器使用MODBUS 协议作为RS485 通信标准规约，信号调理威廉希尔官方网站
与STM32F101 的AD 采样通道之间均采用硬件隔离保护，可同时采样3 路DC0-5V 电压信号、3 路DC4-20mA 电流信号和6 路开关量输入信号，实验证明本数据采集器具有较高的测量精度，符合工业现场应用需求。
信号采集主要包括电压信号、电流信号、频率信号以及开关量信号，随着现代技术的发展，传感器主要输出标准的电压电流信号，而传感器是将外部的非电量信号转换成标准的电信号进行输出，本课题所设计的数据采集器可以同时采集电压、电流、开关量输入输出信号，且每个部分独立工作，硬件调理威廉希尔官方网站
中均采用信号隔离技术，数据采集器与上位机采用RS485通信，使用MODBUS协议作为通信规约，便于数据采集器与其他工业设备实现数据共享。
课题设计的基于STM32的数据采集器，使用性价比较高的STM32F101 作为核心处理器，时钟倍频后处理速度可达36MHz ；内部自带12 位AD 转换通道，保证数据采样和处理的速度和精度。
1 数据采集器工作原理
数据采集器具有标准的电压、电流以及开关量输入信号采样接口。模拟量信号采样接口威廉希尔官方网站
，使用HCNR201线性光耦进行信号隔离。电压信号接口可输入DC0-5V 信号，输入的电压信号经过电压信号调理威廉希尔官方网站
对信号进行滤波、隔离和限幅后送入STM32F101 的AD 采样通道；电流信号接口可输入4-20mA 信号，输入的电流信号通过精密采样电阻，将电流信号转换成电压信号，然后再将转换的电压信号送入电压信号调理威廉希尔官方网站
进行处理，最后再送入AD 采样通道；开关量输入接口采用光耦进行隔离，实现光电转换和隔离保护。STM32F101 将采样的数据进行软件处理后，再通过RS485 通信接口将数据上传至上位机或者其他设备，完成数据采集处理和通信的功能。
2 数据采集器硬件设计
数据采集器硬件结构包括STM32 最小系统、电源、开关量输入接口威廉希尔官方网站
、电压信号采样接口威廉希尔官方网站
、电流信号采样接口威廉希尔官方网站
和RS485 通信接口威廉希尔官方网站
，数据采集器结构图如图1 所示。
2.1 STM32F101 最小系统
STM32F101 最小系统包括晶振威廉希尔官方网站
、复位威廉希尔官方网站
和SW 程序调试接口威廉希尔官方网站
，晶振威廉希尔官方网站
主要为系统工作提供所需要的时钟，通过初始化配置STM32F101 内部的时钟寄存器，可将外部时钟频率倍频到36MHz ；复位威廉希尔官方网站
主要用于防止数据采集器程序跑飞或者死机时手动复位，同时在程序内部加入看门狗复位，程序在正常运行时正常喂狗，而当程序跑飞时数据采集器也可自动完成复位，使程序重新执行；SW 程序调接口威廉希尔官方网站
，主要用于开发人员对STM32F101 进行编程和在线仿真调试，完成数据采集器的软件设计。由于STM32F101 性价比较高，片内集成资源丰富，在设计数据采集器时可大大简化外部硬件威廉希尔官方网站
设计。
2.2 电源威廉希尔官方网站
本课题所设计的数据采集器可工作于DC12V，输入的DC12V 经过LM7805CT转换为+5V 电压，并通过电感L15 实现输入DC12V 电源GND 与+5V 电源DGND的隔离，DC12V 转DC+5V 电源转换威廉希尔官方网站
如图2 所示。由于STM32F101 工作电压为3.3V，因此还需通过电源模块LT1117-3.3转为DC+3.3V，供给CPU 使用。DC+5V转DC3.3V 电源转换威廉希尔官方网站
如图3 所示。
另外在所设计的硬件威廉希尔官方网站
中，对RS485 通信威廉希尔官方网站
和模拟量的信号采样威廉希尔官方网站
均用了信号隔离技术，供给RS485 芯片工作的电源和模拟量信号处理威廉希尔官方网站
中的线性光耦电源均需通过隔离电源模块B0505S 转换产生，该模块可将+5V 电源输出为另一路隔离电源，而且芯片隔离电压能达到1000VDC，温度特性较好。线性光耦电源AD+5V 和RS485 电源S+5V 转换威廉希尔官方网站
如图4、图5 所示。
2.3 开关量输入接口威廉希尔官方网站
开关量输入接口主要用于采集外部开关量信号，此部分威廉希尔官方网站
使用TLP521 光耦进行隔离，保证信号采样威廉希尔官方网站
的安全性，同时可减小威廉希尔官方网站
干扰。开关量信号从IN 输入，COM 为信号输入公共端。开关量信号经光耦输出至STM32 的GPIO 口，实现对外部开关量信号的检测。
2.4 电压电流信号采样接口威廉希尔官方网站
传感器将非电量信号转换为电信号，一般输出标准电压电流信号，STM32F101自带AD 转换通道允许输入电压范围为0-3.3V，因此传感器输出信号需经信号调理威廉希尔官方网站
调整到AD 通道有效采样电压范围。本课题的设计的数据采集卡可采样DC0-5V 电压信号和DC4-20mA 电流信号，使用HCNR201 线性光耦进行隔离，输出跟随输入变化，线性度较好，保证了信号采样的准确性。
电压信号采样接口威廉希尔官方网站
输入电压范围为DC0-5V， 输入电压经电阻R1A 和R1B 分压后经电阻R63 输入至运放U30A反相端，电容C107 构成反馈电容，主要用来消除噪声和干扰。运放U30A 在此处构成比较器，当有外部电压信号接入时，U30A 的1 端输出低电平，线性光耦HCNR201 的LED 发光，当光照到PD1、PD2 时分别形成通路，线性光耦主要实现光电转换和隔离，经过线性光耦输出的电流信号通过运放U31B 构成的威廉希尔官方网站
形成电压信号，经过U31B 输出的电压信号经过运放U31A 构成的3.3V 限幅威廉希尔官方网站
，将输出电压限定在0-3.3V 范围内，以保证STM32F101 的AD 通道采集到正常的电压信号。
2.5 RS485 通信接口威廉希尔官方网站
RS485 通信主要实现采集的数据传输，为保证数据传输的安全性和通信的兼容性，在硬件设计上使用SP3485 作为收发控制器，同时使用TLP521 光耦进行隔离，保证数据采集卡硬件通信的安全；在软件设计上使用工业标准的MODBUS 协议作为RS485 通信规约，保证系统良好的兼容性和数据传输的准确性。
3 软件设计
数据采集器软件设计主要采用模块化编程，主程序流程图主要包括关中断、各功能模块初始化、开相关中断、看门狗定时、开关量输入采集、AD 采样处理、RS485 通信数据处理和定时喂狗；主程序流程图如图6 所示。
4 结语
通过Multism 对电压信号采样威廉希尔官方网站
进行仿真，采样输入信号接入示波器A 通道，电压幅值范围为DC0-5V，输入信号经过电压信号处理威廉希尔官方网站
后输出电压信号输入示波器B 通道，当输入电压为100mV时，经过电压信号处理威廉希尔官方网站
输出电压为101.541mV ；当输入电压为3.28V 时，经过电压信号处理威廉希尔官方网站
输出电压为3.28V ；当输入电压为5V 时，经过3.3V 限幅威廉希尔官方网站
后电压被钳在3.3V，由仿真图观察可知，HCNR201 具有良好的线性度，保证了数据采样的精度。
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