摘 要

工业中常常涉及到对高精度物理量如温度、湿度、光照等的监测。这些物理量的变化非常微小，此时就需要精度高的传感器来完成采集。当然，传感器检测随之产生的信号也就非常微弱，这就需要比较精密的仪器与电路来处理并发送这些数据，这种仪器通常被称为变送器。实现信号的处理与变送涉及到硬件电路、软件算法、信号传输等多方面的应用。本文所述的项目基于工业场景的应用需求，设计了以单片机为核心的弱信号采集系统，此系统可以完成0-10mV信号的采集并将信号线性变送为4-20mA电流输出，具有精度高，监测方便，智能化易于操控等特点。可以很好地应用于工业传感检测等多方面的场景中。本文主要包含以下内容：

1. 预处理设计，设计了弱信号输入的前置处理电路，可以灵活方便的为弱信号去除一部分噪声，使信号后续易于检测；
2. 24位高精度ADC采集设计，用高精度的ADC完成信号的模数转换，使模拟信号转换为更易于观察和处理的数字信号；
3. 基于STM32的处理与控制系统，运用STM32控制ADC采集，并处理经过采集后的数字信号，完成数字拟合，使测得的信号更接近原始值，并且配合信号的幅度输出占空比可调的PWM；
4. 上位机显示设计，通过串口将STM32数据发送到PC上完成实时观测；
5. 电流变送设计，STM32输出的PWM经过此模块转换为可远程传送的4-20mA电流信号。

关键词：STM32；弱信号采集；4-20mA变送；上位机显示；24位高精度ADC

Abstract

The observation subtle physical changes such as temperature, humidity, light, etc. is often involved in industry. These physical changes are so small that high-precision sensors are required to complete the acquisition. Of course, sensor detection produces a very weak signal, which requires more sophisticated instruments and circuits to process and send this data, often referred to as transmitters. The processing and transmission of signals involves the application of hardware circuits, software algorithms, signal transmission and so on. Based on the application needs of industrial scene, the project described in this paper designs the design of the weak signal acquisition and transmitter with the microcontroller as the core, and has the characteristics of high precision, convenient monitoring, and easy handling of intelligence. It can be well used in many scenarios such as industrial sensor detection. This design mainly includes the following contents:

(1) Preprocessing design, designed the preprocessing circuit of weak signal input, which can remove part of noise for weak signal flexibly and conveniently, and make the signal easy to detect in the follow-up;

(2) 24-bit high-precision ADC acquisition design, with high-precision ADC to complete the signal modal conversion, so that analog signals converted to more easily observable and processing digital signals;

(3) Based on the processing and control system of STM32, the use of STM32 to control ADC acquisition, and the processing of the digital signal after acquisition, complete the digital fitting, so that the measured signal is closer to the original value, and with the amplitude output of the signal duty cycle adjustable PWM；

(4) The upper machine display design, via serial sending STM32 data to the PC for real-time observation；

(5) The current transmission design, the PWM of the STM32 output is converted from this module to a 4-20mA current signal that can be transmitted remotely.

Key Words：STM32；Weak Signal Acquisition； 4-20mA transmission； Upper machine display； 24-bit high-precision ADC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 弱信号采集与变送的应用背景 1

1.2 国内外关于信号采集变送的研究现状 2

1.3 本设计的研究意义 3

第2章 弱信号采集系统的总体设计 1

2.1 弱信号采集系统设计的技术要求 1

2.2 弱信号采集系统的方案 1

2.2.1 弱信号采集系统模块划分 1

2.2.2 各模块的处理方案选定 1

第3章 弱信号采集系统硬件电路设计 1

3.1 硬件电路的总体设计 1

3.2 信号预处理模块设计 1

3.3 采集模块设计 2

3.4 STM32控制模块设计 4

3.5 变送模块的硬件电路设计 6

3.6电源电路的设计 7

3.6.1 24V到12V稳压设计 7

3.6.2 其他电压的稳压设计 8

第4章 弱信号采集系统软件部分设计 1

4.1 弱信号采集系统软件部分实现流程 1

4.2 采集模块的软件部分设计 2

4.2.1 对采集芯片SPI通信机制的分析 2

4.2.2 ADS1256寄存器的相关配置 1

4.2.3 ADS1256初始化的相关流程 1

4.2.4 ADS1256的电压采集流程 1

4.3 数据误差纠正的函数设计 2

4.4 电流变送模块的软件部分设计 2

第5章 弱信号采集系统设计的实物调试与验证 1

5.1 信号采集功能的验证 1

5.1.1 采集功能的验证思路与连接 1

5.1.2 直接测试与误差分析 2

5.1.3 误差纠正与结果验证 3

5.2 变送功能的验证 6

5.2.1 变送功能的验证思路与连接 6

5.2.2 变送功能结果验证 7

第6章 总结与展望 9

6.1 设计总结 9

6.2 工作展望 9

参考文献 10

致 谢 1

第1章 绪论

1.1 弱信号采集与变送的应用背景

在工业的生产和研发中有涉及到传感器与检测技术的应用，如对各类物理现象的测量。这些物理量如光照、压力、气体浓度等往往变化非常微弱，需要通过高精度的传感器来监测，并经过精密仪器来处理信号，最终这些现象才能被直观地显示与观察^[1]。当相距较远的设备需要这些有关现象的信息时，还需要测量的仪器来发送这些信息，当有些情况不能使用互联网时，这些信息只能通过电信号来发送。由于噪声信号的电压幅度比较大，电流变化比较小，所以采用电流传输受到的干扰会比较小。工业上一般采用4-20mA的电流来传输，采用20mA的上限是基于安全因素考虑，20mA的电流大小带来的安全隐患比较小；下限采用4mA是因为可以与传感器的工作与否区分开，如果采用0mA我们就不知道到底传送的是信号的最低值还是传感器或线路损坏没有传输信号^[2]。

完整地实现信号的采集与变送，要用到模电数电等电路相关的知识来制作相关的硬件检测电路；要用到软件知识来智能操控相关的硬件采集与输出；还要用到信号与系统、数字信号处理等相关的知识来实现信号与噪声的分离^[3]。