摘要 由于傳統(tǒng)的氣相色譜儀外圍接口電路存在不通用缺陷，且控制核心單片機(jī)無法滿足現(xiàn)代氣相色譜儀對多維圖譜大量數(shù)據(jù)處理的要求。針對上述問題，研究了一種基于STM32F101VB微處理器的氣相色譜儀控制電路。該微處理器使用高性能的ARM Cortcx—M3 32位的RISC內(nèi)核，具有增強(qiáng)I/O端口和APB總線的功能，適用于氣相色譜儀的新型控制核心。該設(shè)計(jì)滿足了現(xiàn)代氣相色譜儀對通用接口和多維大量數(shù)據(jù)處理的要求。

關(guān)鍵詞 STM32F101VB微處理器;外圍電路;氣相色譜儀控制核心

氣相色譜儀控制核心主要有單片機(jī)、DSP和ARM芯片組成。其中單片機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力較弱;DSP(Digital Singnal Processor)是一種獨(dú)特的微處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，但通用功能相對較弱。相比之下，ARM芯片具有強(qiáng)大的事務(wù)處理功能，還可配合嵌入式操作系統(tǒng)使用，并適用于氣相色譜儀的控制核心。意法半導(dǎo)體公司的STM32F101VB微處理器使用高性能的ARM Cortex—M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為36 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128 kB的閃存和16 kB的SRAM)，可增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。此外，其所有型號(hào)的器件均包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口(2個(gè)I2C接口、2個(gè)SPI接口和3個(gè)USART接口)，1個(gè)12位的ADC和3個(gè)通用16位定時(shí)器。

1 M32F101VB外圍電路設(shè)計(jì)

1.1 電源設(shè)計(jì)

STM32F101VB微控制器的內(nèi)核與I/O使用同一電源電壓，只需單電源3.3 V供電。AMS1117—3.3是AMS公司生產(chǎn)的工LDO芯片，其特點(diǎn)是輸出電流大、輸出電壓精度高，且穩(wěn)定性好。該芯片輸出電流可達(dá)1 A，輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，被廣泛用于手持式儀表、數(shù)字家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域。電源電路如圖1所示。

1.2 復(fù)位電路

由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等方面也提出了更高的要求。復(fù)位電路使用帶I2C存儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，以提高系統(tǒng)的可靠性，電路原理如圖2所示。

信號(hào)nRST連接到STM32F101VB芯片的復(fù)位腳NRST，當(dāng)復(fù)位按鍵RST按下時(shí)，CAT1025JI-30的RESET引腳立即輸出復(fù)位信號(hào)，使STM32F101VB芯片復(fù)位。

1.3 儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)

W25X16是華邦公司推出的繼W25X10/20/40/80(1～8 MB)后容量更大的Flash產(chǎn)品，W25X16的容量為16 Mb。W25X16的擦寫周期為10 000次，具有20年的數(shù)據(jù)保存期限，支持電壓為2.7～3.6 V，W25X16支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI，還支持雙輸出的SPI，最大SPI時(shí)鐘可達(dá)75 MHz。

1.4 串行接口設(shè)計(jì)

串口通訊電路，如圖4所示。STM32F101VB內(nèi)部集成了3個(gè)USART，此處使用USART1和USART2。其發(fā)送端和接收端分別與圖中的TX、RX相連。

人機(jī)接口是系統(tǒng)的重要部分。用戶通過對人機(jī)接口界面的操作來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。儀器采用240×128的點(diǎn)陣式液晶(T6963控制器)，8×4行列式按鍵實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制操作。

拓普微公司生產(chǎn)的LM240128T點(diǎn)陣圖形式液晶顯示模塊，采用RA8863(T6963C兼容)控制器，內(nèi)嵌32 kBSRAM作為顯示存儲(chǔ)器。模塊大小為144.0 mm×104.0 mm×15.5 mm，點(diǎn)陣數(shù)240×128 dot。適配Intel8080操作時(shí)序電路，8 bit并口數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)置128個(gè)字符，并可進(jìn)行文本顯示、圖形顯示和文本屬性顯示功能。文本顯示與圖形顯示多種顯示合成方式，2 kB自定義字符庫等豐富功能。

1.5 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

DM9000CEP是一款集成了快速以太網(wǎng)MAC控制器與接口處理的芯片，其提供了介質(zhì)無關(guān)的接口，用于連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他收發(fā)器。該DM9000CEP支持8位、16位和32位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器，以支持不同的處理器。DM9000CEP物理協(xié)議層接口完全支持使用10 Mbit·s-1下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100Mbit·s-1下5類非屏蔽雙絞線。因此符合IEEE 802.3u規(guī)格。其自動(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。并支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。

YL2J201A是帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45網(wǎng)絡(luò)端口，連接電路如圖6所示。

2 系統(tǒng)測試

將設(shè)計(jì)好的氣相色譜儀與電腦進(jìn)行聯(lián)機(jī)，能夠通過工作站對儀器進(jìn)行各種操作，以及通過RJ45網(wǎng)絡(luò)端口對儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。通過與上位機(jī)的聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)可看出，與傳統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心的氣相色譜儀相比，采用STM32F101VB微處理器的氣相色譜儀功能大幅增強(qiáng)，不僅具有豐富的接口，還便于數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理以及對儀器的遠(yuǎn)程控制，且對數(shù)據(jù)處理的速度也有明顯提高。

3 結(jié)束語

使用STM32F101VB做為氣相色譜儀的微處理器，不僅能兼顧氣相色譜儀對大量數(shù)據(jù)的快速處理，還可使其具有豐富的通用接口，并實(shí)現(xiàn)對儀器的遠(yuǎn)程控制。STM32F101VB適用于作為現(xiàn)代氣相色譜儀的控制核心，也證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。