基于STM32的数字化测量实验平台设计

杨超 赵新越 莫冬

（1.西藏大学理学院物理系 西藏自治区拉萨市 850000 2.西藏大学财经学院 西藏自治区拉萨市 850000）

“新工科”建设是国家应对新一轮科技革命的战略行动，国家鼓励“双一流”高校将“新工科”研究与实践纳入建设方案。而大学实验课程作为“新工科”建设的基础学科，需积极促进新时期教育改革和“理工”交叉融合。就当前大学物理实验涉及的测量仪器来说，设备偏于陈旧老化，更新换代成本高，功能单一且与目前的社会生产技术脱节。因此理工实验测量平台急需进行改革创新，使其既能满足信息时代物理实验的课程要求，又顺应“新工科”国家建设和数字化改革与发展方向。

基于上述目的，本文设计了STM32 数字化测量实验平台，将物理实验涉及到的测量工具，通过模块化的设计集成到一个实验平台。基于STM32 的数字化测量可以降低人为操作所导致的实验误差，提高了实验数据的准确度；电路模块化和可扩展的设计，使得硬件电路耦合性低、兼容性高，可自行设计和添加电路；操作方式采用了GUI 可视化交互界面统一操作逻辑，降低了仪器的学习成本，使得测量操作更为智能化。

1 硬件基础

本实验平台的设计分为硬件基础、软件底层、核心功能三个层面。硬件基础是保障核心功能正常运行的电路，由核心板和通信模块组成；软件底层是硬件发挥作用的唯一途径和基础，包括驱动电路和GUI 交互界面两部分；核心功能层面作为项目的核心内容，采用模块化设计，设计了分立式传感器、电学实验模块和扩展板三部分。

1.1 核心板

核心板集成了STM32 最小系统、Type-C 下载、外置存储、显示驱动等模块。

（1）STM32 最小系统选用STM32F407ZGT6 芯片，基于ARM Cortex-M4 内核，主频高达168MHz，内置12 位ADC、DAC 模块，支持UART、I2C 等多种通信协议。最小系统还包括保障核心板正常运行的电源电路、时钟电路、复位电路、BOOT启动电路、SWD调试电路等。

（2）Type-C 下载采用CH340G 芯片实现USB 转TTL 的通信协议转换，硬件接口选用了最新的USB Type-C 接口进行迭代更新，支持多种传输协议和更高的传输速度。

（3）外置存储包括FLASH 和SRAM。SRAM 型号为IS62WV51216，具有512K 的运行空间，支持16bit数据传输，该外置SRAM 可存储程序运行中产生的庞大数据量；FLASH 型号为W25Q64，储存空间为8M，可存储程序所用到的字库、图片等。

（4）显示驱动包括显示屏及驱动电路，采用4.3英寸TFTLCD 显示屏，分辨率为320*480，通过FSMC总线协议与MCU 进行数据传输，实现数据的可视化显示。

1.2 物联网通信模块

本实验平台采用物联网通信架构，分为感知层、网络层、应用层。网络层选择近距离通信Wi-Fi局域网协议，通信模块为ESP8266 Wi-Fi 模块，通过串口通信协议与主控芯片进行数据传输，感知层为分立式传感器及平台主体，手机、PC 作为应用层都可连接ESP8266 Wi-Fi 模块实现数据传输。物联网通讯架构如图1 所示。

图1：物联网通讯架构

ESP8266 支持2.4GHzWi-Fi，其Wi-Fi 通信模式有AP、Station、Station+AP 三种数据传输模式，可实现内外网模式的切换。平台主体上的Wi-Fi 模块选择为AP 模式，为分立式传感器、手机、PC 等提供可连接的Wi-Fi 网络。三大层面通过Wi-Fi 通信协议，以物联网模式进行硬件布局，实现了数据在多传感器、实验平台以及终端设备之间的传输。

2 软件程序设计

硬件电路需在软件程序的指令控制下才能正常运行，软件程序设计以电路的驱动程序为基础，在人机交互上采用并设计了可视化的GUI 交互界面，实现触控式的智能化操作。

2.1 编程软件与开发方式

2.1.1 编程软件

本实验平台用到的编程软件为：STM32CubeMX(6.4.0)、TouchGFX Designer(4.14) 和Keil v5。STM32 CubeMX 通过图形化的界面进行配置选择，快速生成初始化代码，TouchGFX Designer 通过所见即所得的模拟器设计图形界面，Keil v5 进一步编写程序并进行编译下载。各软件联合开发编程，可以在统一项目工程环境中无缝地共同开发图形应用和主要程序，整个软件设计过程简单高效，开发过程更省时便捷。

2.1.2 开发方式

STM32 开发方式有寄存器、标准库函数和HAL 库。开由于STM2 涉及数百个寄存器，寄存器开发较为复杂困难，而标准库函数已停止更新维护。因此本项目选用HAL 库开发方式，HAL 库移植性高、开发简单，HAL库也与STM32CubeMX 生成的软件代码完全兼容，可减少开发负担，同时代码也更规范整洁。

2.2 驱动程序

驱动程序是对硬件电路的指令控制，是程序设计的基础，本实验平台的硬件电路主要进行电参量与芯片的数据交换其核心为GPIO 和ADC 的初始化调用。GPIO控制着电路的设置，ADC 是电学实验模块的核心，电压电流的测量等需要ADC 模块的参与。整个硬件电路的运行都离不开GPIO 和ADC 的参与。

驱动程序对硬件的控制分为硬件初始化、信号采集和数据处理。先进行GPIO、ADC 等外设的初始化设置，GPIO 选择所需的功能模块并设置，随后前置电路开始采集电参量信号，STM32 和ADC 对采取的数据进行降噪、数模转换、计算等一系列的处理得到数据结果。这个过程中也涉及到TIM 时钟、中断电路、DAC 等其他外设。

2.3 GUI交互界面

该实验平台采用GUI 图形交互界面，实现了可视化的触控交互方案。GUI 采用了 TouchGFX 图形设计系统。TouchGFX 支持STM32 的LCD 接口，自带丰富的控件，同时支持自定义控件。该系统采用C/C++混合编程，底层驱动的调用为STM32CubeMX HAL 库中的C语言，UI 界面部分为C++。在TouchGFX Designer 设计好基本的界面后，按照Model-Presenter- View 的结构依次编写逻辑代码。

3 核心功能设计

3.1 分立式传感器设计

在实际测量过程中，由于场地和仪器体积的限制，某些位置的数据不便于测量，因此将传感器设计成分立式模块，与实验平台主体分离以缩小体积，扩大测量的范围和应用场景。

分立式传感器模块由ESP8266 芯片、OLED 显示屏、传感器组成。由不同功能的传感器采集数据传递给ESP8266，随后将预处理数据通过Wi-Fi 输出给实验平台进行二次处理与输出。对于简单数据与操作，由模块自带的OLED 显示屏输出显示。

3.2 电学实验模块设计

电学实验测量仪器的数字化、智能化设计是实验仪器革新的重点内容，也是实验平台的核心项目，包括数字万用表和数控电源两部分。

3.2.1 数字万用表

数字万用表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。基于STM32 的数字万用表具有精度高、测量范围广、抗干扰强、测量方便等优点。本实验平台的数字万用表模块支持电阻、电压、电流的测量，通过STM32 自带的高精度12 位ADC、DAC 模块进行电参量的转换和测量。

（1）测电阻：根据串联电阻分压原理，ADC 采集待测电阻两端的电压值，由总电压、所测电压及挡位电阻计算出待测电阻的值。

（2）测电压：根据串联电阻分压原理，待测电压进行分压电路、运算放大电路后得出输出电压，将输出电压传输给ADC 模块，再根据待测电压与输出电压的线性关系推得实际的待测电压值。

（3）测电流：采用ACS758 霍尔电流传感器，该传感器使用低偏置的线性霍尔传感器电路，能够检测50A 范围内的直流电流。ACS758 测量输入电流值并输出电压值，电压经运算放大器输出到ADC 模块，根据捕获到的电压值，结合电压与电流的线性关系和电路原理图来反推输入电流值。

3.2.2 数控电源

电源是进行电路实验的基础元件和关键，相较于实验室传统的旋钮式学生电源，数控电源通过软件和数字电路控制，实现特定、精准值的输出电压和电流。本实验平台的数控电源模块，接入电源模块48V 直流电，可动态输出0-2A 电流和0-48V 电压，其电压、电流的稳定性、调节精度都可达到相应的实验要求。

该电路基于由PWM 驱动的BUCK 降压电路，首先由STM32 发出所需电压值的电信号，随后半桥驱动IC UCC27211 接受信号，调整PWM 波的占空比并输出，BUCK 电路的MOSFET 管在PWM 波的控制下不断开关电路，使48V 输入电压呈现PWM 波形，再经过直插电感、电解电容的滤波、稳压后，脉动的输入电压就处理为连续的输出电压。数控电源电路如图2 所示。

图2：数控电源电路

3.3 扩展板设计

为满足学生不同的实验需求，覆盖更多的实验场景，本实验平台将STM32 未使用的GPIO 口引出，设计了两组GPIO 插口用于硬件扩展，并将程序下载、电源、串口、LED、按键等引出，便于实验电路的搭建与调试。学生可根据自身的实验需求，自行设计所需的电路模块或搭建实验系统，并自主编写硬件驱动程序。

4 实验平台特点

4.1 操作简单，顺应发展

在互联网和“新工科”建设的时代发展背景下，实验平台的操作方式是创新改革的重中之重。本平台采用了触控式的可视化操作界面，通过更直观简单的触摸进行操作，并对每一个功能的操作逻辑进行了统一设计。而针对典型的实验项目，设计了可预设的自动化程序以简化操作步骤，也可同时调出多个传感器实现协同使用。实验平台的学习成本和门槛得到了很大程度的降低，学生可以更加专注于实验内容的本身。

4.2 体系完整，理工融合

该实验平台从硬件设计和软件设计两方面着手，涉及到了电路控制设计、传感器使用、前端数据采集等电子电路知识，网络层搭建、操作界面、嵌入式等计算机编程知识，数据降噪、建模、分析，计算、重构等数学知识，形成了一套完整的知识理论体系。学生在学习理论知识的同时，通过该实验平台的整体软硬件设计，将零散的知识点形成体系并融会贯通，历经了解、学习、应用，再到实践的一个完整的知识学习过程。

4.3 循序渐进，提高科研思维

本实验平台的实验项目遵循因材施教、循序渐进的教学规律，设计了基础、进阶、扩展三个不同等级的项目。基础实验项目包括单一传感器使用、简单程序的设计；进阶实验项目在基础项目的基础上，增加了多传感器的协同调用、电学实验模块的使用和数据的计算处理操作；进阶实验项目是学生根据自身的实验需求，在扩展板上进行自主设计并搭建实验电路，经历问题分析、提出需求、设计方案、实验验证等逻辑完整的研究过程，可提升学生的自主学习能力和科研思维。

5 结语

本实验平台具有多功能、易操作、数字化、智能化的特点，在STM32 的基础上集成了多种实验测量仪器，使其满足数字化的改革要求。操作方式上采用可视化的操作界面，降低平台的操作难度。在实验教学方面，平台实验内容设置合理，学生通过自主搭建实验电路，锻炼自主学习能力和科研思维，扩展知识体系。该平台可以满足课外实验的基础条件，对理工实验的普及推广和发展有着重要意义。