基于STM32 的多功能控制板设计

尹成娟，张晓荣，郭栋梁，牛亮

（山西大众电子信息产业集团有限公司，山西太原，030024）

0 引言

技术是战术的基础，高新技术在军事领域的应用，推动着战争形态的变化[1]。无人机以其尺寸小、重量轻、造价较低、机动性好、适应性好等特点目前在军事和民用方面都得到了广泛的应用[2]。随着高新技术的发展，无人机在军事领域带来的重大变革俨然成为军事热点技术之一。因此，无人机信息的采集对于提升空中打击能力具有重要的军事意义。本文设计了一种基于STM32 的多功能控制板，作为某型无人机的测试工装核心板，用于满足该型无人机信息采集的需求，且采集到的信息通过通信模块打包发送至上位机，供上位机后续处理。此外，该测试工装具有左右两个手柄，手柄信息通过多功能控制板上的FPGA 采集，使得该测试工装兼具发控功能。

1 系统总体设计

多功能控制板以STM32F103ZET6 为主控芯片，各功能模块由电源模块、通信模块、AD 采集模块、IO 输入采集模块、手柄开关量采集模块以及手柄力敏信息采集模块等几部分组成。系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

■2.1 主控芯片

主控芯片是硬件设计的核心部件，也是连接各功能模块的重要桥梁。主控芯片的选择本着够用为度，留有余地，相互兼容，质量优先的原则。本设计主控芯片的作用是采集外部电压值以及IO 输入，并通过通信模块与上位机实现数据通信。

通过对比分析，本设计采用了单片机STM32F103ZET6为主控芯片。单片机的最小系统由晶振部分、电源部分以及复位部分等组成。STM32F103ZET6 微处理器是STM32 系列的增强型芯片，该芯片具备72MHz 时钟频率，能实现高端运算。内嵌128KB FLASH 程序存储器，拥有UARST、SPI 等串行接口。更重要的是它拥有最快1μs 转换速度的ADC，如此快速采集，高性能的ADC 非常适用于数据的快速采集和快速处理上，这也是本系统选择它作为核心控制器的一个重要原因[3]。

■2.2 电源模块

电源模块是为电路板上各个数字或模拟负载提供供电的设备。适当地电源模块选型能够为设备的正常工作提供重要的保障。多功能控制板供电输入为12V，本设计选用美国宝威电源（Power-One)公司生产的YS12S16-0G 型DC-DC 转换器作为DC12V 转DC5V 的电源模块。该模块输入电压范围为9.6～14V，无最小负载要求，具有自动复位输出过流保护、超温自动复位保护以及高效率，无需散热等特点。此外，多功能控制板还需要DC5V 转DC3.3V、DC5V 转DC1.8V、DC5V 转DC1.2V 以及DC5V 转DC2.5V 的电源芯片。本设计分别采用LT1963AEST-3.3、LT1963AEST-1.8、LT3022IMSE-1.2 以及LT1963AEST-2.5型电源芯片，分别产生DC3.3V、DC1.8V、DC1.2V 以及DC2.5V，为STM32 以及其他功能模块提供电源。该部分电源芯片属于低压差线性稳压器（LDO)，其特点是将多余的功率转化为热量来达到稳压的效果，该类电源芯片适合低功耗、输入输出压差较低的场合。

■2.3 通信模块

通信模块以以太网控制器W5300 为主芯片，实现STM32 与上位机之间的通信。W5300 是韩国Wiznet 公司生产的以太网协议芯片，支持8个独立端口同时连接，通信速率可达到50Mbps[4]。W5300 是一款0.18μm CMOS 工艺的单芯片器件，内部集成10/100M 以太网控制器MAC 和TCP/IP 协议栈。W5300 稳定可靠，广泛应用于高性能、低成本的Internet 嵌入式领域[5]。此外W5300 可以支持直接寻址和间接寻址两种主机接口模式，用户也可以通过高性能配置使其具有更高的性能。

■2.4 AD 采集模块

AD 采集即利用单片机的ADC 功能把输入到单片机引脚的模拟电压值转换成数字信号，从而采集到单片机引脚的电压值。本文AD 采集模块分为两部分，一部分为大电压信号采集，另一部分为多种电压信号采集。

通常，单片机的ADC 引脚允许输入的电压值比较低，STM32 引脚的输入电压不能大于3.3V，否则会导致单片机损坏。本文的大电压信号采集中，单片机需要采集的电压大于3.3V，因此该部分功能在AD 采集前需设置运放来缩小直接采集到的电压值，以达到保护芯片的作用。本设计采用的运放型号为圣邦微的SGM8424，其具有低功耗、高电压的特点。大电压信号采集原理图如图2 所示。

图2 大电压信号采集原理图

多种电压信号采集即单片机通过采集到的多种电压值来判断外部信号的种类。由于本设计选用的单片机STM32F103ZET6 其具有AD 功能的管脚最多有21 个，而大电压信号采集有20 路，故多种电压信号采集功能需要用外部AD 采集来实现，本文选用的外部AD 采集芯片为AD7993。AD7993 采用单电源工作，其电压范围为2.7V至5.5V，具有低功耗、4 通道、10 位高速的特点。此外，AD7993 提供与I2C 接口兼容的串行接口，通过I2C 总线与主芯片STM32 连接控制。多种电压信号采集在AD 采集前同样使用圣邦微的SGM8424 作为电压跟随器，起到隔离的作用，保护后端电路。并且，电压跟随电路可以通过提高采集信号负载能力的方式来确保稳定采集到外部模拟信号。SGM8424 驱动电路原理图如图3 所示。AD7993 采集电路原理图如图4 所示。

图3 SGM8424 驱动电路原理图

图4 AD7993 采集电路原理图

■2.5 IO 输入采集模块

IO 输入采集模块通过STM32 具有I/O 功能的管脚来实时采集无人机IO 信息，并将采集到的数据通过以太网打包发送至上位机。

■2.6 手柄开关量采集模块

测试工装具有左右两个手柄，当手柄按键发生动作时，多功能控制板上的FPGA 检测其状态，并将状态上报上位机。多功能控制板的FPGA 选用EP4CE40F23I7型现场可编程门阵列。其具有328 个I/O 管脚，逻辑元件数量为39600,电源电压为1.15～1.25V，工作温度为-40℃～100℃。

■2.7 手柄力敏信息采集模块

手柄力敏信息采集模块同样采用多功能控制板上的EP4CE40F23I7 型现场可编程门阵列实时采集手柄力敏操作杆422 信息并将力敏信息上报上位机。FPGA 采集力敏信息前要通过隔离422 模块，该模块选用亚德诺半导体公司生产的ADM2587EBRWZ 型隔离数据收发器。该收发器采用3.3V/5V 单电源供电，具有±15KV ESD 静电保护功能。其内部包含隔离式DC-DC 电源，不需外部隔离模块。此外，该模块具有热关断和限流的特点，能够有效防止输出短路和总线争用而功耗过大的情况出现。ADM2587EBRWZ 型隔离数据收发器广泛应用于隔离式RS-485/RS-422 接口以及多点数据传输系统。手柄力敏信息采集模块电路原理图如图5所示。

图5 手柄力敏信息采集原理图

3 PCB 设计

PCB 设计属于系统的硬件设计，是整个设计的目的，也是电路原理图设计的载体，PCB 设计为电子信息产业的高速发展奠定了重要的基础。本设计选用Protel 软件开发商Altium公司推出的Altium Designer作为硬件开发平台。该平台可以实现电路原理图绘制、电路仿真、PCB 绘制等功能。

本设计采用6 层PCB 结构，第一、三、五、六层为信号层，第二层为接地层，第四层为电源层。在对系统PCB 进行设计时，有以下几个事项需要注意：电源部分要设置足够多的滤波电容，且每一级电源输入端应设置保险，防止电路故障串级；晶振内含石英晶体，受到撞击易断裂，为防止晶振损坏，晶振不能距离板边太近，且晶振下方不能布信号线，防止造成干扰；422 信号与以太网信号布线需使用差分线，差分线信号大小相等，方向相反，具有更高的抗干扰能力与传输速率，且信号传输质量较高；布线应避免形成环路；整块印制板应布线、打孔均匀，避免出现疏密不均的情况。除此以外，电路印制板设计还应考虑电磁兼容性、成本等因素。本设计实物图如图6 所示。

图6 实物图

4 软件设计

主控芯片STM32F103ZET6 应用系统的开发除了得益于正确的硬件电路设计以外，还依赖于系统软件的开发。一个优秀的系统软件具有流程清晰、结构合理且易于调试与移植等特点。此外，软件的抗干扰设计也能提高整个应用系统的抗干扰能力。

本设计的编程语言采用C 语言，软件开发环境为Keil μVsion4。软件主要完成三种信号采集：20 路大电压信号采集、多种电压信号采集和I/O 输入状态采集。软件具体工作原理如下：

STM32 处理器上电后首先初始化W5300 网络传输芯片、AD7993 电压采集芯片、STM32 自带的3 个ADC 模块以及I/O 管脚配置等。

处理器每隔5ms 读取内部的3 个ADC 转换出的20 路电压数字量，并将采集到的信息打包后通过W5300 上报上位机，上位机进行后续处理；处理器实时监控AD7993 转换出来的模拟电压信号，当信号发生改变时，把最新的电压值上报上位机；处理器实时监控I/O 管脚的电平信号，当电平信号发生改变时，把最新的状态上报上位机。软件流程图如图7 所示。

图7 软件流程图

5 结论

信息时代的到来，使人们的生活方式发生了巨大的改变，无人机作为新时代的产物，具有体积小、航程远及无人驾驶的特点，属于高精尖科技产品，目前越来越受到军事和民用领域的青睐，广泛地应用无人机技术[6]。随着人工智能、数据处理、新型材料等各类高新技术的不断发展，无人机的作战效能必将得到空前拓展，其必将成为影响未来战场胜负的关键因素[7]。本文设计的多功能控制板以STM32F103ZET6 为主控芯片，实现无人机信息的AD 采集以及IO 输入采集，并通过以太网控制器W5300 将采集到的信息上报上位机。同时，该多功能控制板兼具发控功能，可以将某型无人机测试工装的左右手柄信息采集并上报上位机。经实验证明，本文设计的多功能控制板工作稳定、性能良好，满足某型无人机信息采集的要求。