如何采用MCU器件实现参数测量系统的设计？

用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。

采用MCU（微控制器）设计参数测量系统是现代电子设计中的常见应用，它集成了信号采集、处理、显示与控制于一体，具有灵活性强、成本低、集成度高的优点。以下是实现该设计的主要步骤和关键考虑点：

一、系统设计流程

明确测量需求：
- 被测参数： 电压、电流、温度、压力、湿度、光照强度、转速、位移等。
- 测量范围： 需要覆盖的最小值和最大值。
- 精度要求： 允许的最大误差（绝对/相对）。
- 分辨率： 可分辨的最小变化量。
- 响应速度/采样率： 多长时间需要测量一次，或单位时间内的测量次数。
- 工作环境： 温度、湿度、电磁干扰等。
- 输出/显示方式： 是否需要本地显示（如LCD、LED）、串口输出、无线传输、保存到SD卡等。
- 供电要求： 电池供电、USB供电、交流适配器等。
- 其他功能： 数据校准、报警阈值、历史记录、联网能力等。
选择合适的传感器：
- 根据被测参数选择对应的物理/化学传感器（如热电偶、PT100、电流互感器、霍尔传感器、压力传感器IC、湿度传感器IC、光敏电阻等）。
- 评估传感器的灵敏度、输出特性（模拟电压/电流、数字信号如I2C/SPI）、线性度、功耗、响应时间、成本是否符合要求。
选择核心MCU：
- 资源需求：
  - ADC（模数转换器）： 通道数、分辨率（位宽：如8,10,12,16,24 bit）、采样率、输入电压范围、是否需要差分输入、参考电压源质量（精度、温度系数）。
  - 计算能力： 执行滤波算法（如滑动平均、卡尔曼滤波）、非线性校准、数据转换所需的处理速度（主频）。
  - 内存（Flash/SRAM）： 存储程序代码、常量（校准系数、转换表）和临时变量、测量数据缓冲区。
  - 外设接口： 需要哪些接口来连接传感器和外部模块？
    - 通用接口： GPIO（用于按键、状态灯、数字输出传感器）。
    - 数字接口： I2C、SPI（连接带数字接口的传感器、显示器、存储芯片等）。
    - 串行通信： UART/USART（连接GPS、蓝牙/WiFi模块、PC等）。
    - 特殊接口： USB（供电/通信）、CAN（工业总线）、DAC（用于控制输出）。
- 功耗要求： 如果电池供电，需选择低功耗MCU（如STM32L系列，MSP430系列）并设计休眠模式。
- 成本与供应： 在满足需求的前提下考虑。
- 常用MCU系列举例： STM32（Cortex-M系列：M0+/M3/M4/M7）， ESP32（带WiFi/蓝牙）， MSP430/PIC系列（低功耗）， GD32（国产替代）等。
硬件电路设计：
- 信号调理电路（针对模拟传感器）：
  - 放大/衰减： 使用运算放大器将微弱的传感器信号放大到MCU ADC的最佳输入范围（如0-3.3V），或将超出范围的信号衰减。
  - 滤波： 添加低通滤波器（电阻电容RC滤波、运放有源滤波）滤除高频噪声干扰。
  - 偏置： 处理需要偏移地电平的双极性信号。
  - 阻抗匹配： 隔离传感器输出与ADC输入。
  - 保护电路： TVS管、限流电阻防止过压过流损坏MCU。
- ADC输入设计：
  - 连接调理后的信号到MCU的ADC输入引脚。
  - 参考电压源（Vref）： 选择高精度、低温漂的参考电压（MCU内部或外部精密基准源芯片，如TL431， REF50xx），这对测量精度至关重要。
  - 考虑输入阻抗、采样保持时间、去耦电容。
- 供电系统：
  - 设计稳定的电源电路（LDO或DC-DC），为MCU、传感器、运算放大器等提供不同电压（如3.3V， 5V）和充足电流。
  - 重视电源滤波（去耦电容）。
- 时钟系统： 连接外部晶振（保证时钟精度和稳定性）。
- 外设接口连接：
  - 按需连接I2C传感器/器件、SPI显示器/存储芯片、UART接口等。注意信号线长度、上拉电阻。
- 人机接口（HMI）：
  - 显示： 连接LCD屏（如1602， OLED）、LED数码管等。
  - 输入： 连接按键、旋转编码器等。
- 通信接口：
  - 添加RS-485模块（采用MAX485等芯片）、USB接口芯片或WiFi/蓝牙模块（如ESP-01S， HC-05）等。
- PCB设计：
  - 考虑布线（尤其是模拟信号线，要远离数字信号和高频信号，尽可能短）、阻抗控制、地线设计（推荐星型接地或平面分割）、散热、EMI/EMC防护。
固件（Firmware）设计（软件）：
- 开发环境搭建： 安装MCU供应商的IDE（如Keil MDK， IAR EWARM， STM32CubeIDE， Arduino IDE， ESP-IDF）和调试工具（ST-Link， J-Link）。
- 底层驱动开发：
  - 配置MCU时钟（HCLK， PCLK）。
  - 初始化用到的外设：
    - ADC： 配置通道、采样时间、分辨率、采样模式（单次/连续扫描）、触发源（软件/定时器）。
    - GPIO： 配置输入/输出模式、上拉/下拉。
    - 定时器： 用于定时采样、精确计时、产生PWM等。
    - I2C/SPI/UART： 配置通信参数（比特率等），初始化相关外设。
- 主程序逻辑：
  - 初始化： 初始化所有硬件外设、设置系统变量。
  - 主循环（Super Loop）或RTOS任务：
    - 触发/定时采样： 启动ADC转换（软件触发或用定时器定时触发）。
    - 读取ADC值： 等待或中断中获取ADC转换结果（原始数字码）。
    - 数据处理（核心）：
      - 滤波： 对ADC原始值进行滤波处理以减少噪声（如滑动平均、中值滤波）。
      - 校准： 应用校准系数（零点偏移、增益误差补偿）。可通过公式 测量值 = (ADC_Raw * Gain) + Offset，或使用查找表（LUT）。
      - 非线性补偿： 对非线性传感器应用高阶多项式或查找表进行转换。
      - 工程单位转换： 将滤波校准后的数值转换为最终物理量单位（如℃, V, Pa）。
      - 算法实现： 如计算有效值（RMS）、平均值等。
    - 输出：
      - 刷新本地显示（LCD/LED）。
      - 通过UART/SPI/I2C发送数据到外部设备或模块。
      - 将数据保存到内部/外部存储器（EEPROM, FLASH, SD卡）。
      - 根据阈值触发报警（点亮LED、发送信号）。
    - 按键/用户输入处理： 扫描按键，处理菜单切换、参数设置等。
    - 通信处理： 接收指令，发送响应数据。
  - 中断服务程序（ISR）：
    - 处理关键事件：ADC转换完成、定时器到期（触发采样）、外部触发、UART接收到命令、按键按下等。中断中执行时间短的操作（置标志位、读数据）。
- 低功耗管理（如果需要）：
  - 在空闲时进入休眠模式（Sleep， Stop， Standby）。
  - 通过定时器唤醒或外部中断唤醒。
校准与测试：
- 硬件调试： 检查电源、信号通路、接线。
- 软件调试： 单步、断点、逻辑分析仪、串口打印调试信息。
- 传感器校准： 在标准点（如冰水混合物0℃、沸水100℃；精密电压源）采集ADC值，计算校准系数（Offset， Gain）。可能需要多点校准（分段线性或高阶拟合）。
- 精度测试： 与高精度标准仪表（万用表、示波器）对比，评估系统整体误差。
- 环境适应性测试： 检查不同温度、湿度下系统性能。

二、关键设计技巧与注意事项

精度是核心：
- ADC参考电压（Vref）： 使用高精度、低温漂的外部基准源。电源去耦要做好。
- 采样率与分辨率权衡： 满足奈奎斯特定理（至少2倍于信号最高频率），过采样可提高有效分辨率但增加负载。
- 噪声抑制：
  - 硬件：良好的接地设计，去耦电容（靠近VDD/VSS引脚），模拟/数字电源分割，合理布局（信号线短且远离噪声源），屏蔽。
  - 软件：数字滤波算法（平均值、滑动窗、卡尔曼滤波等）。
- 抗干扰： 隔离敏感模拟前端（光耦隔离、变压器隔离），TVS管保护。
实时性与响应性：
- 合理设置采样率，使用中断或DMA高效读取ADC数据，避免主循环过长延误响应。
- 选择性能足够的MCU，或使用RTOS管理任务调度。
灵活性与扩展性：
- 采用模块化设计思想。
- 预留通用接口（UART、I2C、SPI）。
- 代码结构清晰（使用函数、模块），便于移植和维护。
功耗管理（尤其电池供电）：
- 选择低功耗MCU，在非工作状态进入深度休眠模式。
- 尽可能关闭未用外设时钟。
- 使用低功耗传感器并控制其供电（可用MCU GPIO开关）。
可靠性：
- Watchdog定时器复位。
- RAM/FLASH自检（根据需要）。
- 异常处理和软件看门狗。
- 稳定的电源设计。