小压力测量系统硬件电路设计研究

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摘要：研究了基于STM32嵌入式微控制器的小压力测量系统的硬件设计方法，提出了测量过程中的重点部分信号处理的电路设计，同时给出了相关测试方案。为电子产品输入设备的压力检测提供有效的手段。

关键词：小压力；数据采集；芯片

压力是工业控制过程中经常需要采集的一个技术参数，传统工业因为采集的压力数值较大，一般以气体压力测量控制系则应用为主。进入21世纪，随着电子设备的普及，鼠标、键盘、触摸屏等输入设备均以1kg以下的小压力作为采集数据［1］。特别是智能手机的广泛应用，压力触控技术的诞生，压力数据已经成为人机交互过程中极为重要的信息。这就对小压力数值的测量，从精度、时间等方面提出了更高的要求。压力传感器采集到的模拟信号需要模数转换器变成的数字信号进行处理，理想情况下，模数转换器的信噪比随着输入信号幅值的增加而增加，但是在实际电路中因为积分器过载的问题，输入信号的幅值过大会造成信噪比下降［2］，影响到采集数据的准确性，所以需对采集信号进行过滤及放大处理。本文介绍了小压力测量系统的硬件电路的设计方法，以基于STM32嵌入式微控制器为控制核心，搭配外围电路组建而成。

1系统框架设计

整个系统由传感器、数据采集、数据测量处理和MCU等模块组成。其中压力传感器检测实际小压力信号；数据采集模块将压力传感器实时检测到的信号，经滤波和放大处理生成有效的模拟信号，再通过AD转换器变成数字信号；数据处理模块由FPGA组成，将采集模块传来的数字信号进行算法处理，生成压力测量数值；MCU系统对得到的压力值进行校验和传输，并通过数字电阻调节数字采集电路来控制测量范围和精度。如图1所示。

2重点部分设计

信号采集：主要功能通过前段电路将压力传感器测到的压力信号滤波、整形、放大等一系列处理，最终变成数字信号经FPGA芯片（A3P250－1VQ100I）后进行数字化处理后，再发送给MCU。本电路模块将弱声电信号经过窄带网络匹配、二级电压放大、低通滤波、过零检测之后，转换为数字电平信号，送FPGA测量数值。如图2所示。窄带匹配电路对探头传来的声波信号进行去杂匹配，将采集的信号频率范围缩小。电压发大电路将经过匹配后的信号的压值进行二级发大，约500倍。如图3所示。低通滤波器电路对采集信号进行滤波，去除其带有的高频干扰。将信号处理完成后送A／D转换器，生成电平数字信号，送与FPGA芯片（采用A3P20）计算数值。MCU电路：该部分是整个电路板的核心控制部分，主要由STM32单片机构成，负责存储处理FPGA捕获的压力数据、通过模数端口测量外部电路板的供电量和比较电压（测量精度）的压值，并将这些状态值通过串口发送给上位机。STM32系列控制器是以ARMCortex－M3为内核的高性能和低成本的控制器，控制器采用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片。该单片机微控制器拥有高内存，较高的时钟频率使得计算处理速度快［3］。

3测试方案设计

搭建测试电路平台，采用现场可编程逻辑门阵列完成外围测试电路的搭建，通过示波器给电路板传感器信号输入端发送测试信号。电路板检测接收和处理电路后的数据信号是否正确，并通过FPGA换算后将最终测量数值发送给MCU，MCU进行数据处理后将显示值发给上位机测量软件进行精度比对。

4结束语

目前小压力测量需求在现实工业设计中的需求越来越重要，与人工智能化的拓展息息相关。本文提供了基于STM32微控制器系统的测量电路，完成了对1kg以下小压力测量信号检测的硬件设计，对小压力测量方法具有一定的现实指导意义。

参考文献

［1］马聪．基于STM32微控制器的精密压力控制系统的研究与设计［D］．苏州：苏州大学，2016

［2］郭红．微弱信号检测系统模拟前端设计［D］．北京：北方工业大学，2019

［3］蔡飞航．基于STM32的可定位智能轮椅控制器设计［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2017

作者：束鹏程 单位：南京模拟技术研究所